金属的冷热温塑性变形探析

金属的塑性变形方法有冷变形、热变形和温变形3种。冷、热、温变形不是根据变形时是否加热来区分的，而是根据变形时的温度与静态再结晶温度的关系来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工，如Fe的再结晶温度为451℃，即使将其加热到450℃加工仍为冷变形。而Sn的再结晶温度为-71℃，即使在室温下加工也是热变形。

诸如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等冷变形方式，由于变形温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。与热变形相比，经冷变形的金属材料其强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生形变强化现象。所以变形过程中变形程度不宜过大，以避免产生破裂。冷变形还能使金属获得较高的精度和表面质量。

而在钢材的热锻和热轧等热变形过程中，随着塑性变形的发生，随即发生再结晶，因此塑性变形引起的变形硬化效应随时被再结晶过程的软化作用所抵消，使材料保持良好的塑性状态。熔点高的金属，再结晶温度高，热变形温度也较高。在热变形过程中还应考虑材料性质和变形条件。对于合金元素含量不高的碳素结构钢和低合金结构钢，其再结晶速度快，一般在热变形温度范围内能顺利变形；但成分复杂的高合金钢、高温合金、某些有色金属等，由于合金元素含量高等原因，使其再结晶速度缓慢，若变形速度较高，硬化速度大于软化速度，则会引起开裂，使变形难以继续。

热变形对金属的组织和性能的影响主要有以下几个方面：

（1）热变形能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；明显提高金属的力学性能，特别是韧性和塑性。

（2）热变形能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的力学性能全面提高。但这与热变形的变形量和变形终了温度关系很大，一般来说变形量应大些，变形终了温度不能太高。

（3）热变形能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长而形成“流线”，称为纤维组织。纤维组织相对稳定，回复和再结晶不能改变其已有的分布特征。但纤维组织使金属的力学性能特别是塑性和韧性具有明显的方向性，其纵向性能显著优于横向性能。因此热变形时应力求工件流线分布合理。(www.xing528.com)

如图8-45所示，锻造曲轴的流线分布合理，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。切削加工制成的曲轴，其流线被切断，分布不合理，易沿轴肩发生断裂。

由于热变形可使金属的组织和性能得到显著改善，所以受力复杂、载荷较大的重要工件，一般都采用热变形方法来制造。

图8-45　锻造与切削加工曲轴的流线分布

（a）锻造；（b）切削加工

若在再结晶温度以下变形，变形过程中既产生加工硬化也产生回复，则称为温变形。在温变形过程中，既有强烈的加工硬化，也有静态回复的软化，但软化作用远远抵消不了加工硬化的影响，变形后的金属内部总是较多地保留硬化的特征。某些工件若用冷变形，则变形抗力大，易开裂；若用热变形，则因氧化严重，难以保证精度，这种情况适宜采用温变形，如温挤压、温锻等。温变形既有热变形时的变形抗力小、塑性高、允许变形量大的优点，还有冷变形精度高的优点，但温变形要求有加热装置，其工作条件要比冷变形要求高。