冷壓縮變形對45鋼組織性能影響的研究

周 原

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

冷壓縮變形對45鋼組織性能影響的研究

周 原

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

冷壓縮變形對材料組織性能有著較大的影響，而材料的性能對工業制成品的最終質量有著較大的影響。通過對45鋼試樣進行試驗，經冷壓縮變形，使45鋼的晶粒度得到了細化，從而其強度得到了提高。

冷壓縮45鋼晶粒度強度

1 前言

金屬的冷變形加工在現代工業中有著廣泛的應用。金屬的冷變形取決于金屬的可鍛性，所以研究金屬的可鍛性有著重要的意義。金屬的可鍛性常用塑性和變形抗力來綜合衡量。塑性越大，變形抗力越小，可鍛性越好；反之，則可鍛性越差。影響金屬可鍛性的因素有化學成分、組織、變形溫度、變形速度和應力狀態。

45鋼有著廣泛的應用，所以本文采用的45鋼作為研究對象，在不同冷變形條件（變形量、變形次數、變形速率）下，進行單向壓縮試驗，并分析、研究其顯微組織（晶粒度）及性能（硬度）方面的變化情況。對試驗數據和結果進行分析，試圖找出冷變形因素與晶粒度和硬度之間的初步規律和變化趨勢，主要有以下3個方面，并對變形不均勻性進行驗證。

（1）變形量對組織和性能的影響：通過分析試驗數據，描繪45鋼變形量-晶粒度、變形量-硬度之間的關系；

（2）變形速率對組織和性能的影響：通過分析試驗數據，描繪45鋼的變形速率-晶粒度、變形速率-硬度之間的關系；

（3）變形次數對組織和性能的影響：通過分析試驗數據，描繪45鋼的變形次數-晶粒度、變形次數-硬度之間的關系。

2 試驗方案和方法

2.1 試樣材料

試樣為由45熱軋狀態圓鋼鋸成的圓柱體試樣。具體參數如下：

（1）化學成分：見表1[1]；

（2）尺寸：試樣高度均為15±0.5 mm，試樣直徑為12mm。

（3）原始參數：原始硬度為208±20HV，平均晶粒尺寸為15 μm。

實驗發現，45鋼的實際變形量達不到60%。經過初始實驗測定，45鋼試樣的最大壓縮率約為50%。因此，所有試樣的最終壓縮比都定為50%，且在壓縮過程中，由于壓縮速度沒有按慢、中、快依次對試樣進行壓縮，壓縮速率速度分別為0.5 1/s、1.0 1/s和2.0 1/s。所以實際變形方案如表2所示。

表1 45鋼化學成分（質量分數）（%）

表2 45鋼實際變形方案

2.2 試樣制備過程

試樣具體處理過程：試樣冷變形完后，按軸向方向在砂輪機上進行粗磨，以打磨掉試樣的1/3為基準，這樣可以較完整地看到各變形區域的晶粒變化；砂輪打磨完成后，在金相預磨機上進行磨平；接下來的工序是拋光，拋光主要是在雙頭拋光機上進行。參見圖1。

圖1 試樣制備流程

3 實驗結果和分析

3.1 變形量對性能和組織的影響關系

為了比較不同變形量對調質鋼組織和性能的影響，選取了3組變形次數都為一次的試樣的實驗數據進行比較。

表2-3 45鋼變形量對性能和組織影響關系

圖2反映了45鋼在一次變形后，不同變形量與硬度的對應關系。可以看出在變形量增大的情況下，試樣硬度隨之升高。這是由于隨著冷變形量的增大，金屬內部的位錯密度迅速提高。在變形量大而且層錯能較高的金屬中，位錯的分布是很不均勻的。紛亂的位錯糾結起來，形成位錯纏結的高位錯密度區，這種結構稱為胞狀亞結構[2]。隨著變形量的增大，胞的數量增多，尺寸減小，而壁的位錯變得更加稠密，胞間的取向差也逐漸增加。經過強烈的冷變形，胞的外形也沿著最大主變形方向被拉長，形成大量的排列很密的長條狀的“形變胞”[2]。亞結構對金屬的加工硬化起重要作用，由于各晶塊的方位不同，其邊界又為大量位錯纏結，對晶內的進一步滑移起阻礙作用[3]。因此，亞結構可提高金屬和合金的強度。利用亞晶來強化金屬材料是強化措施之一[4]。所以，當變形量增加，試樣中的位錯密度提高，亞晶間的取向差增加，使試樣的硬度值上升。

圖2 45鋼變形量與硬度關系

圖3 反映了45鋼在一次變形后，不同變形量與晶粒大小的對應關系。為了更準確地表示晶粒大小，這里采用晶粒平均直徑來表示晶粒的大小。從圖上可以看出，隨著變形量的增加，晶粒的尺寸變小，但50%變形量相對于25%的變形量的試樣的晶粒尺寸并沒有明顯變化，這是因為通常在10%左右的變形時，就很明顯地形成了胞狀亞結構，當變形量不太大時，隨著變形量的增大，胞的數量增多，尺寸減小，而壁的位錯變得更加稠密，胞間的取向差也逐漸增加。但經強烈的冷變形，胞的外形也沿著最大主變形方向被拉長，形成大量的排列很密的長條狀的“形變胞”，而胞的數量并不明顯增加。所以在小變形的情況下，隨著變形量的增加，晶粒數量的增加和晶粒尺寸的減小都比較顯著；而在大變形量的情況下，晶粒拉長，但晶粒數量未明顯增加。

圖3 45鋼變形量與晶粒平均直徑關系

圖4 至圖6為3種不同變形量的金相組織圖。圖6為12.3%變形量的T5試樣，可見試樣的晶粒形狀分布比較均勻，軸向和徑向晶粒個數差別不大。圖5為21.6%變形量的T21試樣，相比T5試樣，T21試樣的晶粒數量增加，晶粒尺寸減小，而且晶粒形狀也較不均勻。圖5為48.4%變形量的TA試樣，TA試樣的晶粒數量相對于T21試樣并沒有增加，而晶粒形狀更不均勻，很明顯被拉長了，這是壓縮變形過程中，晶粒在主應力的作用下，沿徑向拉長。

圖4 TA試樣

圖5 T21試樣

圖6 T5試樣

通過對金相組織圖的觀察，驗證了在小變形的情況下，隨著變形量的增加，晶粒數量增加，晶粒尺寸減小；而在大變形量的情況下，晶粒拉長，但晶粒數量未明顯增加。

3.2 變形速率和變形次數對性能和組織的影響

挑選未經過中間退火的9個試樣，并通過不同變形速率和變形次數達到最大變形量的試樣進行比較，參見表3。

表3 變形速率和變形次數的影響

圖7是45鋼變形速率、變形次數與硬度之間的關系曲線。圖中的3根曲線分別代表了經過1、2、3次變形后達到50%左右總變形量的曲線。圖中的橫坐標表示試樣的平均變形速率。原本希望通過這張曲線圖得出有關變形速率、變形次數對硬度影響的定性或定量關系，但是從該曲線圖并沒有得出相關結論。

首先是變形速率方面，先前的研究表明，變形速率的提高增加了金屬內部的形變功，導致硬度上升，但是圖中硬度并不與變形速率成正比。經過綜合原因的分析，認為是以下幾點因素造成的：

圖7 45鋼變形速率、變形次數與硬度關系

1）從圖中可以看出，試樣的最大變形速率并沒有超過0.50 mm/s，也就是并不是我們實驗所預期的大變形速率，所有試樣雖然變形速率不同，但是并不能很明顯地分成快、中、慢3個速度來研究，最終導致變形速率對硬度的影響不明顯。

2）由于試樣在處理過程中分成3批，每1批的試樣從變形到硬度測試的間隔時間不相同，有的試樣發生了類似時效的變化，使硬度降低，并且在試樣處理完后到下一次變形之間又間隔了一段時間，這段時間內材料同樣發生了變化。最明顯的是1次變形試樣在變形過后由于沒有及時處理，在放置了一段時間后才進行測試。

3）由于個別變形試樣有開裂現象，導致應力釋放，使試樣的硬度下降。

4）人為操作影響，由于試樣整體硬度差別并不十分明顯，在處理過程中，如試樣打磨的深度，硬度測試時的位置，都會影響數據的準確性。試樣可以比對數量也偏少，導致人為操作上的誤差更明顯。

圖8是45鋼變形速率、變形次數與晶粒平均直徑之間的關系曲線。變形速率方面，隨著變形速率的增大，晶粒平均直徑減小，這是符合我們所要研究的規律。但變形次數方面，圖中并沒有很好地表現出一定的規律性。

為了更好地探索變形速度與硬度的關系，重新選擇了一組13%左右變形后的45鋼試樣，具體數據如表4所示。

圖9可以看出，隨著變形時間的縮短，載荷增加，說明變形速率越快，則壓縮機需要提供的壓力越大。這從一個側面說明了在變形速率增快的情況下，試樣的變形抗力越大，則加工硬化的程度越高，試樣的硬度越高。

圖8 45鋼變形速率和變形次數與晶粒平均直徑關系

表4 45鋼經13%變形后的數據

圖9 45鋼13%變形后變形時間和載荷關系

研究表明，經過多次變形達到一個總變形量為一個定值時，試樣的硬度也會有大幅度的提高。這點從表中我們可以得到，雖然試樣T4的硬度相對較低，但總的來說其他試樣的硬度都可以達到275 HV以上，說明試樣在經過多次變形以后也可以達到一次變形的強化效果。但另一方面，經過多次變形以后的硬度雖可以達到預期效果，但是不應該超過一次變形所產生的強化效果。因為多次變形試樣應力釋放的機會大于一次變形的試樣，所以在總變形量相同的情況下，一次變形后的硬度因大于多次變形。若實驗結果是存在誤差的，則產生的原因與變形速率結果誤差產生原因的2）、3）和4）相同。

圖10至圖12為變形次數同為1次，變形速率不同的試樣的一組金相照片，可以看出變形速率比較快的TB試樣的晶粒確實比較細小，這符合我們上面說敘述的內容。

圖10 TB試樣

圖11 TC試樣

圖12 T9試樣

4 結論

（1）通過冷壓縮變形，45鋼試樣硬度有了20%~39%的提高，晶粒尺寸減小了20%~40%，達到了強化的目的。

（2）隨著變形量的增加，45鋼試樣的硬度也同時增加，晶粒尺寸減小，但當變形量超過25%左右后晶粒尺寸減小不明顯。

（3）利用變形速度和載荷的變化規律驗證了變形速率越大，試樣硬度提高得越快。

（4）試樣變形后分為3個區域，3個區域的硬度分別為Ⅱ區（中心）最大，Ⅲ區（鼓狀邊緣區）其次，Ⅰ區（上下端面）最小。

1 GB/T 699-1999.優質碳素結構鋼[S].北京：中國標準出處社，2000.

2胡賡祥，蔡旬，戎詠華.材料科學基礎[M].上海：上海交通大學出版社，2006.

3邱成軍，王元化，王義杰.材料物理性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

4吳承建，陳國良，強文江.金屬材料學[M].北京：冶金工業出版社，2000.

Research on Influence of Cold Compression Deformation on 45 Steel

Zhou Yuan
(Shanghai Diesel Engine Company Limited,Shanghai 200438,China)

Cold compression deformation has tremendous influence on material property, while material property has significant effect on quality of industrial product.A test is carried out to 45 steel.By applying cold compression deformation to a 45 steel sample,the grain size of the sample is refined,thus the strength of the sample being enhanced.

cold compression,45 steel,crystal grain,intensity

來稿日期：2008-12-20

周原（1984－），男，助理工程師，主要研究方向為金屬材料加工工藝。