冷挤压件的力学性能分析

冷挤压加工不但能改变毛坯的形状和尺寸，而且使材料内部的晶粒形状和结构也发生了显著变化。同时，由于塑性变形的结果，材料的力学、物理性能发生变化，即强度指标上升，塑性指标下降，产生明显的加工硬化现象。

由于冷挤压对材料有强烈的加工硬化作用，因而可以大大提高挤压件的力学性能，使得以普通钢代替一些优质钢材成为可能，这一点在前面已详细介绍。但是必须强调，当利用冷挤压的强化效应来满足对挤压件的力学性能要求时，由于不均匀变形的影响，冷挤压件的组织和性能是很不均匀的。

图10-1 试样在正挤压杆形件上的位置

冷挤压过程中的性能强化，常用拉伸和硬度试验来测定。正挤压杆形件的拉伸试样切取如图10-1所示。但是，这种试样的拉伸试验只能测出中线附近的性能。要测定高应变表层的硬化效应，就必须用具有挤压杆全截面的试样进行试验。试验时，首先将细杆的端面镦粗，然后将两端粗大部分直接夹在试验机上。为了测得反挤压杯形件的纵向抗拉强度，可以从杯壁上切取试样，如图10-2所示；用于研究横向力学性能的试样，从复合挤压件截面的中心切取试样，如图10-3所示。测定挤压件各部位的硬度时，将挤压件剖开，从中心附近切取一个厚度约为5mm的试样。试样经磨加工、抛光之后，便可用于测定截面硬度。

图10-2 杯形件剖切面上的硬度分布

图10-3 复合挤压件上的试件切取与断面硬度分布

正挤压杆形件的前端和后端的强度较低，而塑性较高。表层附近的应变硬化程度比中心处要大，表层附近的强度和硬度偏高，伸长率略有降低，但断面收缩率则没有降低（见图10-4）。强度和硬度的分布由中心向表层将逐渐增加，是由于表面摩擦和变形的不均匀性引起的。反挤压杯形件开口端部位的应变很小，这里比较软，塑性也好。从开口端到底部，从外壁到内壁，应变迅速增大，强度和硬度也都在增大。由图10-2可以看到，口部硬度值比中部和底部低，中部硬度较高，底部硬度略比中部高，但比较接近，底部各试验点的硬度差异较大，这就说明了杯形件各部位变形的不均匀性。复合挤压件上的性能变化与正挤压和反挤压的情况基本相似。从剖切面上的硬度分布（见图10-3）来看，各部位的硬度差异也较大；从测得的强度数据来看，横向强度比纵向强度约低6%。

图10-4 在横截面不同部位上的力学性能比较

注：材料为15钢，变形程度为75%，圆锥角为120°。(www.xing528.com)

挤压过程中的强化，主要受挤压件材料和变形程度的影响。一般来说，材料原始组织的细化程度越高，挤压后强度也越高。材料的原始状态（化学成分、力学性能）不同，挤压后的强化程度也不同。实践证明，20钢正挤压变形程度为86%，挤压后杆的全截面抗拉强度达到850～950MPa，提高一倍以上，超过了35钢，达到50钢的性能指标。35钢挤压后的纵向抗拉强度1200MPa，此值接近优质合金结构钢的强度。在相同的变形条件下，利用同一模具挤压铝合金时，硬铝2A12经变形程度86%的正挤压后，抗拉强度由退火毛坯的250MPa增到400MPa，提高了150MPa。2A14锻铝合金挤压后杆部抗拉强度达到300～350MPa，原始退火毛坯的抗拉强度为210MPa，也提高了150MPa左右。与低碳钢比较，铝合金加工硬化程度低得多，强化效果较差。

表10-2列出了各种材料的正挤压杆形件力学性能试验结果。硬铝杆形件上的硬度分布见表10-3。从表10-3可见，正挤压杆形件各部位的硬度也是不相同的；并且，由于合金成分含量的不同，三种硬铝挤压后的强化数值也有很大差别。对于低碳钢来说，随碳含量的增加强度增大，见表10-4。

表10-2 正挤压杆形件的力学性能（变形程度ε_F=86%）

表10-3 杆形件上的硬度分布（变形程度ε_F=93%）

表10-4 挤压强化效果比较（变形程度ε_F=44%）

挤压试验的结果表明，对于任意材料，无论采用何种成形方式，挤压后材料都有不同程度的加工硬化，并且随着变形程度的增大，强度和硬度提高，而伸长率和断面收缩率则下降。冷挤压低碳钢的力学性能变化如图10-5所示。

此外，冷挤压的强化效果还与工艺方案和模具结构有关。

图10-5 冷挤压低碳钢的力学性能变化