化学成分对冷挤压变形的影响分析

1.钢中化学成分的影响

（1）碳 随着碳含量的增加，钢在室温状态的组织由铁素体+珠光体变为珠光体+渗碳体，它的屈服强度、抗拉强度及硬度均有升高，变形抗力增加，而塑性下降。

（2）锰 锰在钢中的作用是消除硫的危害性。钢中的锰与硫化合生成硫化锰以消除硫化铁的热脆现象。由于锰的存在，钢材的屈服强度与抗拉强度有所提高，而塑性有所降低。锰含量对钢材抗拉强度的影响如图1-31所示。钢材中的锰含量越高，冷挤压所需的挤压力越大。

（3）硅 对碳钢来说，硅与锰同样是冶炼时脱氧剂的残留物。硅含量对钢材抗拉强度的影响，见图1-31。硅含量过大，会使碳含量很低的钢材也变得又硬又脆，使冷挤压性能降低。

（4）其他合金元素 钼、镍、钒、钨、铬等合金元素对钢材力学性能的影响，见图1-31。这些合金元素对金属力学性能的影响远不及碳元素。一般来讲，随着钢中合金元素含量的增加，强度指标随之增加，钢材的可挤压性能便随之降低。

（5）硫 硫含量对钢的室温强度虽无重大影响，但硫化物的存在会在很大程度上影响钢材的组织结构，促使带状组织的产生而降低塑性与冷变形性能。一般冷挤压钢材的硫含量w（S）应小于0.035%。

（6）磷 磷溶于铁素体内会显著降低钢材的塑性，提高其强度和硬度，即产生冷脆现象。当磷含量w（P）超过0.1%时，影响尤为显著。此外，碳含量越高，则磷的不利影响也越大。磷还能促使钢材产生强烈的加工硬化，并促使时效敏感性的发生，还会引起剧烈的偏析现象。因此，冷挤压所用钢材的磷含量应当越少越好，一般认为磷含量w（P）最好低于0.035%。

图1-31 合金元素含量对钢材抗拉强度的影响

（7）氧、氮、氢 这些都是钢中常见的气体元素。氧在钢中固溶很少，主要是以FeO、Al₂O₃和SiO₂等夹杂的形式存在，这些夹杂以杂乱、零散的点状分布于晶界上。氧在钢中不论形成固溶体还是夹杂物，都使钢的塑性降低，而以夹杂物形式存在时尤为严重。氮在钢中除了少量固溶外，皆以氮化物形式存在，其使钢变脆，还会使钢强度增加，塑性降低。因此，氮含量应尽可能低，一般希望w（N）不超过0.01%。少量氢对钢的塑性没有明显的影响。

（8）锡、铋、铅、锑、砷 这五种低熔点元素在钢中的溶解度都是很小的。在钢中没有溶解而剩余的这些元素分布于晶界上，影响极坏。

（9）稀土元素 钢中加入少量稀土元素可以改善钢的塑性。这是由于加入稀土元素可以降低钢中气体元素含量，从而减轻氧、氮等气体元素对塑性的不利影响。加入稀土元素可以细化晶粒，但是，加入量较多时，多余的稀土元素也会聚集在晶界处和其他杂质一样起着坏的作用。

2.有色金属的冷挤压特性

（1）铝 铝是具有面心立方晶格的金属。在室温下进行塑性变形时，它沿着晶格中原子排列最密的晶面和晶向优先发生滑移，即沿着晶格中的八面体面和对角线方向发生滑移。图1-32a所示为面心立方晶格中的八面体面。对于一个晶胞来说，这种面共有八个，但因分别为四对互相平行的面，所以实际上只算四个。图1-32b所示为八面体的一个面，面上沿着原子排列最密的方向有六个。但因同一直线上两个相反的方向，实际上只能算一个。因此，一个八面体的面只有三个滑移方向。滑移面数目与滑移方向数目的乘积称为滑移系数目。一种金属的滑移系数目越多，表示金属塑性变形越好，越容易发生滑移。对于面心立方晶格的铝来说，滑移系应为4×3个=12个，与密排六方晶格的镁相比，镁的滑移系只有1×3个=3个。由此可见，铝具有很高的塑性。(www.xing528.com)

图1-32 铝的面心立方晶格

a）八面体面 b）滑移方向

纯铝并不是绝对纯的，工业上使用的纯铝，常含有Fe、Si等杂质。Fe溶解在Al中的量很少，室温中，仅溶入0.002%（质量分数），杂质Fe主要和Al形成了金属化合物FeAl₃，它是硬脆的针状化合物；Si溶解在Al中的量比Fe要多一些，室温中可溶入0.05%（质量分数），多余的Si则单独存在于Al中，通常称为“自由硅”。此外，Al中同时存在杂质Fe和Si时，Fe、Si和Al还会形成更复杂的化合物，这些性脆的化合物对纯铝的塑性和变形抗力皆有较大的影响。因此，工业上用的纯铝对于Fe、Si等杂质的含量，都应受到严格的控制。冷挤压用的纯铝含Fe、Si杂质总和一般应限制在0.6%（质量分数）以下。

（2）镁 镁是具有密排六方晶格的金属，如图1-33a所示。镁塑性变形时的主要滑移面及滑移方向如图1-33b所示。原子排列最密的晶面是基面｛0001｝，滑移方向OA、OC、OE三个方向。在室温下变形只有基面产生滑移，其滑移系数目为1×3个=3个，与Al相比，镁的塑性是很低的。因此，冷挤压镁和镁合金皆是比较困难的，但当温度升高到超过200°C以后，塑性便得到了较大的提高。Mg中常见的杂质有：Al、Fe、Si、Na、K、Cu和Ni等元素。Al作为夹杂物进入固溶体，对Mg的组织和性能无显著影响。Fe、Na和K不溶于固态的Mg中，而呈夹杂物的形式分布于晶界上，Si和Mg形成脆性化合物Mg₂Si，呈薄网状或针状分布于晶界上，皆对Mg的塑性有显著影响。Cu和Ni同样不溶于固态的Mg中，而和Mg形成化合物，分布在Mg的晶界上，对Mg的塑性影响不大，但却显著降低抗腐蚀能力。因此，Mg中应限制这些杂质的含量。

图1-33 镁的密排六方晶格

a）密排六方晶格 b）滑移面及滑移方向

ABCDEF｛0001｝—基面

（3）铜 铜是具有面心立方晶格的金属，无同素异型转变，因此与Al一样具有较高的塑性，适合于进行冷挤压加工。Cu中存在的杂质对其塑性成形工艺性能影响较大。根据杂质和Cu之间相互作用的性质，可将其大致上分为三类：①能够溶解于铜中的元素，如Al、Fe、Ni、Sn、Zn等，当其含量较少时，对Cu的塑性影响不大，但却提高了变形抗力；②不溶于铜中杂质，如Pb、Bi等，与Cu生成易溶共晶体分布于Cu的晶粒边界上，降低塑性，因此，应限制w（Pb）不超过0.003%～0.005%，w（Bi）不超过0.002%～0.005%；③与Cu生成脆性化合物的元素，如S、O等，皆以共晶体形式分布于Cu的晶粒晶界上，尽管共晶体的熔化温度并不低，但由于其中所含的化合物很脆，对铜的性能有一定影响。

图1-34 钛在室温下的滑移面

（4）钛 钛是具有密排六方晶格的金属，但与具有密排六方晶格的Mg、Zn相比，Ti的滑移系数目较多，如图1-34所示。Ti在室温下可能的滑移面，除了密排六方晶格的基面参加滑移之外，A面和B面也是可能的滑移面。原因在于：Ti与Mg的点阵常数之比c/a不同，理想的密排六方晶格的c/a=1.633，而Mg的c/a则大于1.633，此时只有密排六方晶格的基面才是唯一的原子排列最密的面，也就是说只有一个滑移面。Ti的c/a=1.587，比理想的c/a小2.9%。这说明基面之间的距离缩小了，此时只能由基面上的原子之间的距离加大才有可能达到。基面上的原子密度减小了，而图1-34所示的A、B面上的原子密度则增大，这样，Ti中密排六方晶格的基面，便不是唯一的滑移面，而A、B面也成为可能的滑移面，因此，Ti的塑性较高。但纯钛的强度低，限制了它在工业上的应用。为了使Ti强化，扩大其使用范围，可在Ti中加入各种合金元素，从而得到各种性质的钛合金。工业纯钛中，含有微量C、Si、Fe、Al、N、Mn等杂质，这些杂质的存在，对Ti的力学性能有一定的影响。C、N、O元素对Ti的力学性能影响尤为显著，因为这三者都与Ti形成间隙固溶体，使原子点阵发生严重歪扭，使Ti的硬度、变形抗力增大，塑性下降。