金属材料的加工硬化原理
加工硬化的形成机理及应用
加工硬化的形成机理及应用摘要金属材料因其良好的成形性、强度和韧性得到广泛应用。
其中，金属材料能够通过塑性变形过程中的加工硬化获得优异的性能组合。
金属对塑性变形的响应在微观尺度上是由位错运动、晶体结构的线缺陷引起的。
加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表现，是一种重要的金属强化手段，工业上经常应用加工硬化进一步提高金属或合金的强度，更好地发挥金属材料的潜力。
关键词加工硬化；塑性变形；强度；形成机理；应用金属材料因其良好的成形性、强度和韧性得到广泛应用。
其中，金属能够通过塑性变形过程中的加工硬化获得优异的性能组合。
加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表现，金属对塑性变形的响应在微观尺度上是由位错运动、晶体结构的线缺陷引起的。
加工硬化取决于金属晶体结构的变化，是一种重要的金属强化手段，在工业上具有很重要的现实意义。
一、加工硬化的概念塑性是金属的一个重要特性，机械零部件或零件的毛坯是利用塑性通过对金属进行如轧制、挤压、锻造和冲压等各种压力加工而成的，金属在这些加工中经历了塑性变形。
其中，金属的冷塑性变形可认为是在再结晶温度以下进行加工而产生的。
金属材料发生冷塑性变形，在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化，从而使金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为“形变强化”或“加工硬化”。
这是冷塑性变形后的金属在力学性能方面所引起的最为突出的变化。
二、加工硬化的形成机理经过塑性变形，使金属的组织和性能发生一系列重大的变化。
1、加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表现。
在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，由于某种原因（如结晶条件、压力加工、原子的热运动、辐射等），总是存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域的晶体缺陷。
其中线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，基本形式是各种类型的位错，即晶体中某处有一列或若干列原子产生有规律错排的现象，在位错附近的区域里晶格产生畸变，从而影响金属的性能。
高锰钢的性能特点及强化原理
《材料冶金学》专题之一高锰钢的性能特点及强化原理1概述自Hadfield 1882年发明高锰钢以来，至今已有100多年的历史。
高锰钢一般是指含碳量为0 9%～1 3%,含锰量为11 0%～14 0%的铸钢,即ＺＧＭｎ13。
此材料在1000～1100℃之间为单一奥氏体组织,为保持此组织,需高温淬火,即在1100～1050℃间的温度内立即水淬至常温。
经过处理后的材料具备很好的韧性,受冲击载荷时发生表面硬化,其具有很高的耐磨性,故称之为耐磨钢。
因此高锰钢被广泛应用于机械制造、冶金、矿山、建材、电力和铁路等部门所使用的金属耐磨体，如挖掘机斗齿、球磨机衬板、破碎壁、轧臼壁、拖拉机履带板、风扇磨冲击板、破碎机颚板、铁道路岔等。
但由于此材料加工硬化快,不易切削加工,一般只限于铸造。
2高锰钢的性能特点2.1高锰钢的机械性能高锰钢的铸态组织是由奥氏体、碳化物、珠光体和通常存在的少量磷共晶等所组成。
碳化物数量多时会在晶界上以网状出现，钢的性能很脆。
这种低塑性、低韧性的钢在铸态下是无法使用的。
但通过固溶处理（即水韧处理）后，在强冲击工况下它变成一种高强度、高塑性、韧性好、特别耐磨的材料。
其性能对比如表1：σb (Mpa)σ0.2(Mpa)δ(%)αKJ/cm2HB铸态性能343.23―392.27 294.20―490.330.5―59.80―29.42200―300水韧处理性能617.82―1274.86343.23―470.7215―85196.13―294.20180―225表1：高锰钢在铸态下和水韧处理后性能对比以上是高锰钢在常温下的各种机械性能，但具有奥氏体组织的高锰钢在加热时会发生组织转变，性能会发生很大的变化。
当温度超过125℃时，在奥氏体中开始有碳化物析出。
随着温度的提高析出量增加，钢的性能变脆，塑、韧性下降。
图1是高锰钢经1050℃水韧处理后加热温度和延伸率的关系；图2是化学成分为 C1.12%, Mn13.56%, Si0.63%, S0.012%,P0.092%, Ti0.06%的高锰钢，经水韧处理后加热到不同温度，保温5小时水冷后测得的冲击韧性。
金属的强化方法及机理
把某一成分的合金加热到固溶度曲线以B元 素析出，得到过饱和α固溶体，这就是固溶处理。
经固溶处理后的合金在室温下放置或加热到低于溶解度曲线的某 一温度保温，合金将产生脱溶析出，即B将以新相的形式从过饱和 α相中弥散析出，这个过程即是时效。通常将在室温下放置产生 的时效称为自然时效；将加热到室温以上某一温度进行的时效称 为人工时效。
金属材料经冷塑性变形后，其强度与硬度随变形 程度的增加而提高，而塑性、韧性则很快降低的 现象为加工硬化或形变强化。
例如：自行车链条板(16Mn钢板)
原始厚度3.5mm
150HB
五次冷轧后1.2mm 275HB
b=520MPa b>1000MPa
又如：冷拔高强度钢丝和冷卷弹簧是利用加工变 形来提高他们的强度和弹性极限；坦克和拖拉机 的履带、破碎机的颚板以及铁路的道叉等也都是 利用加工硬化来提高他们的硬度和耐磨性的。
实验证明，金属的屈服强度与其晶粒尺寸之 间有下列关系：
σs=σ0+ K/d1/2 此式称为霍耳-配奇公式。
式中：σ0 ——为常数，相当于单晶体的屈服强度； d——为多晶体中各晶粒的平均直径； K——为晶界对强度影响程度的常数， 与晶界结构有关。
σs ——开始发生塑性变形的最小应力
细晶强化机制：晶界是位错运动过程中的障碍。 晶界增多，对位错运动的阻碍作用增强，致使位 错在晶界处塞积（即位错密度增加），金属的强 度增加；在单个晶粒内部，塞积的位错群的长度 减小，应力集中较小，不足于使位错源开动，必 须增加外力。
2、加工硬化机制
金属的塑性变形是通过滑移进行的。在塑性变形 过程中，由于位错塞积（位错运动过程中遇到障 碍受阻）、位错之间的弹性作用、位错割阶等造 成位错运动受阻，从而使材料的强度提高。
加工硬化的概念
加工硬化的概念加工硬化的概念一、引言加工硬化是指通过机械加工过程中材料的塑性变形，使其内部结构发生改变，从而提高材料的硬度和强度。
这种方法可以用于各种金属材料的加工和制造，包括铝、钢、铜等。
二、机械加工对材料的影响在机械加工过程中，材料会受到压力和摩擦力的作用，从而产生塑性变形。
这种变形会导致材料内部结构发生改变，形成晶粒细化和位错堆积等现象。
这些变化会导致材料的硬度和强度增加。
三、加工硬化的原理加工硬化是基于晶格缺陷理论的。
当金属材料受到应力时，晶格中会出现位错。
这些位错可以在金属内部运动，并与其他位错相互碰撞和堆积。
这些位错堆积越多，就会导致晶粒细化和硬度增加。
四、影响加工硬化效果的因素1. 加工方式：不同的机械加工方式对材料产生不同程度的变形，从而影响加工硬化效果。
例如，冷拔和轧制可以产生更大的变形，因此会导致更明显的加工硬化效果。
2. 温度：在高温下进行机械加工可以减少材料的硬度和强度。
因此，在进行加工硬化时需要选择适当的温度。
3. 加工速度：加工速度越快，位错堆积就越多，从而导致更明显的加工硬化效果。
4. 材料成分：不同材料的成分对加工硬化效果也有影响。
例如，含有微量元素的合金可以产生更好的加工硬化效果。
五、应用1. 加工硬化可以用于制造各种金属制品，包括建筑材料、汽车零件、航空航天部件等。
2. 加工硬化还可以用于改善材料表面性能，例如提高耐磨性和抗腐蚀性等。
3. 加工硬化还可以用于制造超塑性材料，在这种材料中，晶粒细化可以使其具有极高的塑性变形能力。
六、结论加工硬化是一种通过机械加工过程中材料塑性变形来提高材料硬度和强度的方法。
它可以用于各种金属材料的加工和制造，具有广泛的应用前景。
要实现最佳的加工硬化效果，需要考虑多种因素，包括加工方式、温度、加工速度和材料成分等。
加工硬化[优质ppt]
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材料1504邱涛王育新雷宝旭 机械工程系—金属切削原理与机床
1、加工硬化的定义 2、加工硬化的原因 3、培莱赫许关系 4、硬化曲线 5、面心立方金属和体心立方金属的应变硬化特点 6、影响应变硬化的因素 7、加工硬化 优缺点 8、应用实例
机械工程系—金属切削原理与机床
1、加工硬化的定义 金属材料在冷加工塑性变形时强度和硬
机械工程系—金属切削原理与机床
7、加工硬化的优缺点 加工硬化在某些情况下可提高工件的耐磨性
和疲劳强度，但常伴随大量细微裂纹出现，降低 抗冲击能力。
另外，加工硬化也能使后道工序切削加工困难， 使刀具磨损严重。
机械工程系—金属切削原理与机床
加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。 在冷轧钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，
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5、面心立方金属和体心立方金属的应变硬化特点
1)多晶体面心立方金属的变形硬化特点：屈服极限 比较低，往往低于其他晶体；硬化速率比较高， 往往高于其他晶体；延伸率高，也就是塑性好； 且不发生脆性解理断裂。
2)体心立方金属的硬化特点：有一个明显的屈服点， 当应力低于上屈服点σsu，只有弹性形变；应力超 过上屈服极限σsu，突然发生显著的塑性形变，继 续发生塑性形变所需要的应力迅速减小到下屈服 极限σsl。外加应力恒定在下屈服极限试样继续伸 长，到第三阶段试样开始发生明显硬化。
机械工程系—金属切削原理与机床
机械工程系—金属切削原理与机床
一一对比退火前后的抗拉强度关系，我们不难看 出，在冷拉之后钢材的抗拉强度有了显著的提高。 可以认为经过冷拉这种处理工艺，材料同样得到 了加工硬化。
加工硬化
机械工程系—金属切削原理与机床
2.优质结构钢冷拉钢材(GB/T3078--2008)
• 优质结构钢冷拉钢材是指一种按照冷拉钢 材的尺寸、外形及答应偏差应符合 GB/T905的规定制定的钢材。
机械工程系—金属切削原理与机床
8、应用实例
1.冷镦钢(GB/T6478---2001)
• 冷镦是在室温下采用一次或者多次冲击加 载生产金属材料的工艺。
机械工程系—金属切削原理与机床
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由此我们不难看出，在退火之后钢材的抗拉强度 有了较为明显的下降。可以认为经过冷镦这种处 理工艺，材料得到了加工硬化。
机械工程系—金属切削原理与机床
有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐 磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强 度的纯金属和某些合金尤为重要。
冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等，就是利用冷 加工变形来提高其强度和弹性极限。
坦克和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁 路的道岔等也是利用加工硬化来提高其硬度和耐 磨性的。
加工硬化
材料1504 邱涛 王育新 雷宝旭 机械工程系—金属切削原理与机床
1、加工硬化的定义 2、加工硬化的原因 3、培莱赫许关系 4、硬化曲线 5、面心立方金属和体心立方金属的应变硬化特点 6、影响应变硬化的因素 7、加工硬化 优缺点 8、应用实例
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一一对比退火前后的抗拉强度关系，我们不难看 出，在冷拉之后钢材的抗拉强度有了显著的提高。 可以认为经过冷拉这种处理工艺，材料同样得到 了加工硬化。
304奥氏体不锈钢冷加工硬化及退火软化的研究
304奥氏体不锈钢冷加工硬化及退火软化的研究一、本文概述本文旨在深入研究304奥氏体不锈钢的冷加工硬化现象以及退火软化过程。
作为一种广泛应用的不锈钢材料，304奥氏体不锈钢因其良好的耐腐蚀性和成型性而备受青睐。
在实际生产过程中，冷加工过程往往会导致材料的硬化，影响产品的性能和使用寿命。
理解并掌握304奥氏体不锈钢的冷加工硬化规律及其退火软化机制，对于优化生产工艺、提高产品质量具有重要的理论和实践意义。
本文将首先介绍304奥氏体不锈钢的基本性能和冷加工硬化的基本原理。
随后，通过实验手段，探究不同冷加工条件下304奥氏体不锈钢的硬化程度，并分析硬化机制。
接着，研究退火处理对冷加工硬化后的304奥氏体不锈钢的软化效果，探讨退火温度、时间等参数对材料性能的影响。
结合实验结果和理论分析，提出优化304奥氏体不锈钢冷加工和退火处理工艺的建议，为实际生产提供指导。
本文的研究不仅有助于深入理解304奥氏体不锈钢的冷加工硬化和退火软化行为，也为其他类似材料的研究提供借鉴和参考。
同时，本文的研究成果将为提高304奥氏体不锈钢产品的质量和性能提供理论支持和实践指导，促进相关行业的可持续发展。
二、304奥氏体不锈钢的基本性质304奥氏体不锈钢是一种重要的不锈钢类型，因其优良的耐腐蚀性和加工性能而被广泛应用于各种工业领域。
其化学成分主要包括铁、铬、镍等元素，其中铬的含量至少为18，镍的含量至少为8，这使得304不锈钢具有优异的抗氧化和耐腐蚀性能，尤其是在温和至中等腐蚀环境下。
在微观结构上，304奥氏体不锈钢属于面心立方晶体结构，这使得它在常温下具有良好的塑性和韧性，易于进行各种冷加工操作。
当304不锈钢受到冷加工变形时，如轧制、拉伸等，其内部晶体会发生滑移和扭曲，导致晶体结构的改变和位错密度的增加，从而产生冷加工硬化现象。
这种硬化现象会显著提高材料的强度和硬度，但同时也会降低其塑性和韧性，影响材料的后续加工和使用性能。
为了消除冷加工硬化带来的不利影响，通常需要对304不锈钢进行退火处理。
加工硬化名词解释
加工硬化名词解释加工硬化是指通过机械或热处理技术，使材料的硬度和强度增加的现象。
加工硬化广泛应用于金属、合金和塑料等材料的加工过程中，能够提高材料的性能和使用寿命。
加工硬化的机制主要包括晶格畸变、物理微观结构和位错的生成、移动及堆积。
在材料加工过程中，由于外力作用或应变场的存在，材料的晶格结构会发生偏离原始位置的畸变，导致晶体内部产生应力和位错。
这些应力和位错会通过原子间的相互作用传递，从而影响晶体的力学性能。
在金属材料加工过程中，加工硬化通常通过冷加工来实现。
冷加工是指通过塑性变形来改变材料的形状和性能，这种变形过程通常在常温下进行。
冷加工可以通过多种方法实现，如锻造、深冲、滚轧、拉伸等。
在冷加工过程中，材料会遭受到局部变形和压应力的作用，从而使晶体结构中的晶界、晶体分界面和位错密度增加，晶体的塑性变形能力减弱，硬度和强度提高。
加工硬化对于材料的性能有多方面的影响。
首先，通过加工硬化可以提高材料的硬度和强度，增加材料的抵抗外载荷、磨损和切削的能力。
其次，加工硬化可以提高材料的耐蚀性能，减少在腐蚀介质中的金属离子溶出。
此外，加工硬化还可以改善材料的维氏硬度、韧性和疲劳寿命，使其具有更好的使用性能。
然而，加工硬化也会带来一些问题。
首先，过度的加工硬化可能导致材料的脆性增加，降低其抗冲击和断裂韧性。
其次，在加工硬化过程中，位错的累积和堆积可能会导致晶界的断裂和局部应力集中，进而引起材料的疲劳破坏和断裂。
另外，加工硬化还可能导致材料的形变困难和内应力的积累，影响材料的后续加工和使用。
总体而言，加工硬化是一种重要的材料加工技术，可以显著改善材料的硬度、强度和性能。
加工硬化的机制和效应对于材料科学和工程应用具有重要意义，也为材料的开发和设计提供了重要的理论和实验基础。
随着科学技术的不断进步，加工硬化技术也会不断发展，为材料加工和应用创造更多的可能性。
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金属材料的加工硬化原理
金属材料是现代工业中最常用的材料之一，因为金属材料具有
高强度、耐磨损、导电、导热等优异的物理化学特性。
然而，纯
金属的塑性、延展性等物理特性不足以满足现代工业对材料的需求。
为此，金属加工硬化技术成为了必不可少的材料处理方法，
它可以使得金属材料表面硬度提高，更加耐用。
1. 什么是金属材料的加工硬化
金属材料加工硬化是利用外部力量对金属材料进行变形处理，
增效材料的硬度和耐磨性。
该技术常应用于车床加工、冲压、拉伸、滚压等工艺中。
2. 加工硬化的原理
金属材料加工硬化的原理源于材料在加工过程中的塑性变形。
加工硬化的基本过程是：当材料受力变形后，内部原子之间的距
离发生了变化，原子充分之间的作用力增强，晶粒变得更加细小，这些变化使得金属材料表现出更高的硬度和强度。
3. 加工硬化的方法
冲压加工：冲压加工的原理就是通过模具将金属材料强制成形，以增加材料的硬度，提高其耐磨性。
常见的冲压加工方式有压铸、剪切、拉伸、展开等方法。
滚压加工：滚压加工是一种可以在材料表面产生加工硬化效果
的方法。
它通过滚动来产生塑性变形，以达到材料表面硬度增加
的目的。
滚压加工通常应用于金属管道制造。
淬火：淬火是指把金属材料在高温下快速冷却的方法，可以通
过改变淬火时的温度和冷却速度来改变材料的硬度和强度。
4. 加工硬化的应用
金属材料加工硬化技术在现代工业中应用广泛，特别是在高强度、高耐磨、高密度等工程领域中得到了广泛的应用。
比如汽车
制造、航空航天、核能领域。
5. 加工硬化的优缺点
加工硬化技术的优点是可以使得金属材料硬度增加、延展性减弱、耐磨型能更好、细晶粒化更好，从而更适合现代工业的需求。
然而，加工硬化技术并不是毫无缺点的，存在以下几个问题：- 可能会增加材料的疲劳断裂风险；
- 如果工艺不当，可能会导致材料发生开裂和变形等问题；
- 加工硬化后的材料难以修复和加工，因此制造费用较高。
综上，金属材料加工硬化是一种常用的金属处理技术，可以显
著提高材料的硬度和耐用性。
在肩负现代工业发展任务的背景下，加工硬化技术的重要性已得到了广泛关注和应用。