题目

产生加工硬化的原因是什么?加工硬化在金属加工中有什么利弊?

题目解答

答案

①随着变形的增加,晶粒逐渐被拉长,直至破碎,这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒,变形愈大,晶粒破碎的程度愈大,这样使位错密度显著增加;同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。因此,随着变形量的增加,由于晶粒破碎和位错密度的增加,金属的塑性变形抗力将迅速增大,即强度和硬度显著提高,而塑性和韧性下降产生所谓“加工硬化”现象。②金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难,如钢板在冷轧过程中会越轧越硬,以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象,来提高金属强度和硬度,如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分,由于发生了加工硬化,不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分,这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。

解析

本题主要考查加工硬化的原因以及其在金属加工中的利弊相关知识。解题思路是先从金属变形过程中晶粒和位错的变化来分析加工硬化产生的原因，再从对金属进一步加工的影响以及可利用的方面来阐述其利弊。

加工硬化产生的原因

当金属发生塑性变形时，随着变形量的增加，晶粒会逐渐被拉长，直至破碎。原本完整的晶粒会破碎成许多细碎的亚晶粒，变形程度越大，晶粒破碎得就越厉害。
从位错的角度来看，晶粒的破碎和变形会使位错密度显著增加。同时，细碎的亚晶粒也会随着晶粒的拉长而被拉长。
根据材料力学原理，位错之间的相互作用会阻碍位错的运动，晶粒的破碎和位错密度的增加使得金属的塑性变形抗力迅速增大。用公式表示强度和硬度的变化，一般可以简单理解为强度$\sigma$和硬度$H$与位错密度$\rho$有如下关系（虽然实际关系较为复杂，但能体现大致趋势）：$\sigma = k_1\rho^n$，$H = k_2\rho^m$（其中$k_1$、$k_2$为常数，$n$、$m$为指数），随着位错密度$\rho$的增加，强度$\sigma$和硬度$H$显著提高。而塑性和韧性是材料在变形和断裂过程中吸收能量的能力，由于变形抗力增大，材料更容易发生脆性断裂，所以塑性和韧性下降，从而产生“加工硬化”现象。

加工硬化在金属加工中的利弊

弊端：金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难。例如在钢板冷轧过程中，随着轧制的进行，钢板的硬度不断增加，变形抗力增大，需要更大的轧制力才能继续轧制，最终可能会导致轧不动的情况，增加了加工成本和难度。
利处：人们可以利用加工硬化现象来提高金属的强度和硬度。比如冷拔高强度钢丝，在冷加工变形过程中，钢丝发生加工硬化，强度得到提高，从而满足一些对强度要求较高的使用场景。同时，加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因素。以冷拉钢丝为例，当钢丝拉过模孔时，拉过模孔的部分发生了加工硬化，其变形抗力增大，不再继续变形，这样变形就会转移到尚未拉过模孔的部分，使得钢丝可以继续通过模孔而成形。