冷压缩变形对45钢组织性能影响的研究

周 原

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

冷压缩变形对45钢组织性能影响的研究

周 原

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

冷压缩变形对材料组织性能有着较大的影响，而材料的性能对工业制成品的最终质量有着较大的影响。通过对45钢试样进行试验，经冷压缩变形，使45钢的晶粒度得到了细化，从而其强度得到了提高。

冷压缩45钢晶粒度强度

1 前言

金属的冷变形加工在现代工业中有着广泛的应用。金属的冷变形取决于金属的可锻性，所以研究金属的可锻性有着重要的意义。金属的可锻性常用塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越大，变形抗力越小，可锻性越好；反之，则可锻性越差。影响金属可锻性的因素有化学成分、组织、变形温度、变形速度和应力状态。

45钢有着广泛的应用，所以本文采用的45钢作为研究对象，在不同冷变形条件（变形量、变形次数、变形速率）下，进行单向压缩试验，并分析、研究其显微组织（晶粒度）及性能（硬度）方面的变化情况。对试验数据和结果进行分析，试图找出冷变形因素与晶粒度和硬度之间的初步规律和变化趋势，主要有以下3个方面，并对变形不均匀性进行验证。

（1）变形量对组织和性能的影响：通过分析试验数据，描绘45钢变形量-晶粒度、变形量-硬度之间的关系；

（2）变形速率对组织和性能的影响：通过分析试验数据，描绘45钢的变形速率-晶粒度、变形速率-硬度之间的关系；

（3）变形次数对组织和性能的影响：通过分析试验数据，描绘45钢的变形次数-晶粒度、变形次数-硬度之间的关系。

2 试验方案和方法

2.1 试样材料

试样为由45热轧状态圆钢锯成的圆柱体试样。具体参数如下：

（1）化学成分：见表1[1]；

（2）尺寸：试样高度均为15±0.5 mm，试样直径为12mm。

（3）原始参数：原始硬度为208±20HV，平均晶粒尺寸为15 μm。

实验发现，45钢的实际变形量达不到60%。经过初始实验测定，45钢试样的最大压缩率约为50%。因此，所有试样的最终压缩比都定为50%，且在压缩过程中，由于压缩速度没有按慢、中、快依次对试样进行压缩，压缩速率速度分别为0.5 1/s、1.0 1/s和2.0 1/s。所以实际变形方案如表2所示。

表1 45钢化学成分（质量分数）（%）

表2 45钢实际变形方案

2.2 试样制备过程

试样具体处理过程：试样冷变形完后，按轴向方向在砂轮机上进行粗磨，以打磨掉试样的1/3为基准，这样可以较完整地看到各变形区域的晶粒变化；砂轮打磨完成后，在金相预磨机上进行磨平；接下来的工序是抛光，抛光主要是在双头抛光机上进行。参见图1。

图1 试样制备流程

3 实验结果和分析

3.1 变形量对性能和组织的影响关系

为了比较不同变形量对调质钢组织和性能的影响，选取了3组变形次数都为一次的试样的实验数据进行比较。

表2-3 45钢变形量对性能和组织影响关系

图2反映了45钢在一次变形后，不同变形量与硬度的对应关系。可以看出在变形量增大的情况下，试样硬度随之升高。这是由于随着冷变形量的增大，金属内部的位错密度迅速提高。在变形量大而且层错能较高的金属中，位错的分布是很不均匀的。纷乱的位错纠结起来，形成位错缠结的高位错密度区，这种结构称为胞状亚结构[2]。随着变形量的增大，胞的数量增多，尺寸减小，而壁的位错变得更加稠密，胞间的取向差也逐渐增加。经过强烈的冷变形，胞的外形也沿着最大主变形方向被拉长，形成大量的排列很密的长条状的“形变胞”[2]。亚结构对金属的加工硬化起重要作用，由于各晶块的方位不同，其边界又为大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍作用[3]。因此，亚结构可提高金属和合金的强度。利用亚晶来强化金属材料是强化措施之一[4]。所以，当变形量增加，试样中的位错密度提高，亚晶间的取向差增加，使试样的硬度值上升。

图2 45钢变形量与硬度关系

图3 反映了45钢在一次变形后，不同变形量与晶粒大小的对应关系。为了更准确地表示晶粒大小，这里采用晶粒平均直径来表示晶粒的大小。从图上可以看出，随着变形量的增加，晶粒的尺寸变小，但50%变形量相对于25%的变形量的试样的晶粒尺寸并没有明显变化，这是因为通常在10%左右的变形时，就很明显地形成了胞状亚结构，当变形量不太大时，随着变形量的增大，胞的数量增多，尺寸减小，而壁的位错变得更加稠密，胞间的取向差也逐渐增加。但经强烈的冷变形，胞的外形也沿着最大主变形方向被拉长，形成大量的排列很密的长条状的“形变胞”，而胞的数量并不明显增加。所以在小变形的情况下，随着变形量的增加，晶粒数量的增加和晶粒尺寸的减小都比较显著；而在大变形量的情况下，晶粒拉长，但晶粒数量未明显增加。

图3 45钢变形量与晶粒平均直径关系

图4 至图6为3种不同变形量的金相组织图。图6为12.3%变形量的T5试样，可见试样的晶粒形状分布比较均匀，轴向和径向晶粒个数差别不大。图5为21.6%变形量的T21试样，相比T5试样，T21试样的晶粒数量增加，晶粒尺寸减小，而且晶粒形状也较不均匀。图5为48.4%变形量的TA试样，TA试样的晶粒数量相对于T21试样并没有增加，而晶粒形状更不均匀，很明显被拉长了，这是压缩变形过程中，晶粒在主应力的作用下，沿径向拉长。

图4 TA试样

图5 T21试样

图6 T5试样

通过对金相组织图的观察，验证了在小变形的情况下，随着变形量的增加，晶粒数量增加，晶粒尺寸减小；而在大变形量的情况下，晶粒拉长，但晶粒数量未明显增加。

3.2 变形速率和变形次数对性能和组织的影响

挑选未经过中间退火的9个试样，并通过不同变形速率和变形次数达到最大变形量的试样进行比较，参见表3。

表3 变形速率和变形次数的影响

图7是45钢变形速率、变形次数与硬度之间的关系曲线。图中的3根曲线分别代表了经过1、2、3次变形后达到50%左右总变形量的曲线。图中的横坐标表示试样的平均变形速率。原本希望通过这张曲线图得出有关变形速率、变形次数对硬度影响的定性或定量关系，但是从该曲线图并没有得出相关结论。

首先是变形速率方面，先前的研究表明，变形速率的提高增加了金属内部的形变功，导致硬度上升，但是图中硬度并不与变形速率成正比。经过综合原因的分析，认为是以下几点因素造成的：

图7 45钢变形速率、变形次数与硬度关系

1）从图中可以看出，试样的最大变形速率并没有超过0.50 mm/s，也就是并不是我们实验所预期的大变形速率，所有试样虽然变形速率不同，但是并不能很明显地分成快、中、慢3个速度来研究，最终导致变形速率对硬度的影响不明显。

2）由于试样在处理过程中分成3批，每1批的试样从变形到硬度测试的间隔时间不相同，有的试样发生了类似时效的变化，使硬度降低，并且在试样处理完后到下一次变形之间又间隔了一段时间，这段时间内材料同样发生了变化。最明显的是1次变形试样在变形过后由于没有及时处理，在放置了一段时间后才进行测试。

3）由于个别变形试样有开裂现象，导致应力释放，使试样的硬度下降。

4）人为操作影响，由于试样整体硬度差别并不十分明显，在处理过程中，如试样打磨的深度，硬度测试时的位置，都会影响数据的准确性。试样可以比对数量也偏少，导致人为操作上的误差更明显。

图8是45钢变形速率、变形次数与晶粒平均直径之间的关系曲线。变形速率方面，随着变形速率的增大，晶粒平均直径减小，这是符合我们所要研究的规律。但变形次数方面，图中并没有很好地表现出一定的规律性。

为了更好地探索变形速度与硬度的关系，重新选择了一组13%左右变形后的45钢试样，具体数据如表4所示。

图9可以看出，随着变形时间的缩短，载荷增加，说明变形速率越快，则压缩机需要提供的压力越大。这从一个侧面说明了在变形速率增快的情况下，试样的变形抗力越大，则加工硬化的程度越高，试样的硬度越高。

图8 45钢变形速率和变形次数与晶粒平均直径关系

表4 45钢经13%变形后的数据

图9 45钢13%变形后变形时间和载荷关系

研究表明，经过多次变形达到一个总变形量为一个定值时，试样的硬度也会有大幅度的提高。这点从表中我们可以得到，虽然试样T4的硬度相对较低，但总的来说其他试样的硬度都可以达到275 HV以上，说明试样在经过多次变形以后也可以达到一次变形的强化效果。但另一方面，经过多次变形以后的硬度虽可以达到预期效果，但是不应该超过一次变形所产生的强化效果。因为多次变形试样应力释放的机会大于一次变形的试样，所以在总变形量相同的情况下，一次变形后的硬度因大于多次变形。若实验结果是存在误差的，则产生的原因与变形速率结果误差产生原因的2）、3）和4）相同。

图10至图12为变形次数同为1次，变形速率不同的试样的一组金相照片，可以看出变形速率比较快的TB试样的晶粒确实比较细小，这符合我们上面说叙述的内容。

图10 TB试样

图11 TC试样

图12 T9试样

4 结论

（1）通过冷压缩变形，45钢试样硬度有了20%~39%的提高，晶粒尺寸减小了20%~40%，达到了强化的目的。

（2）随着变形量的增加，45钢试样的硬度也同时增加，晶粒尺寸减小，但当变形量超过25%左右后晶粒尺寸减小不明显。

（3）利用变形速度和载荷的变化规律验证了变形速率越大，试样硬度提高得越快。

（4）试样变形后分为3个区域，3个区域的硬度分别为Ⅱ区（中心）最大，Ⅲ区（鼓状边缘区）其次，Ⅰ区（上下端面）最小。

1 GB/T 699-1999.优质碳素结构钢[S].北京：中国标准出处社，2000.

2胡赓祥，蔡旬，戎咏华.材料科学基础[M].上海：上海交通大学出版社，2006.

3邱成军，王元化，王义杰.材料物理性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

4吴承建，陈国良，强文江.金属材料学[M].北京：冶金工业出版社，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

来稿日期：2008-12-20

周原（1984－），男，助理工程师，主要研究方向为金属材料加工工艺。