加工硬化的定義及其對工件的影響

很多接觸機(jī)械加工不久的朋友經(jīng)常聽到“加工硬化”這個(gè)詞，卻摸不清它到底是什么，其實(shí)它離我們并不遠(yuǎn)——反復(fù)彎折鐵絲，彎折位置會(huì)變硬變脆，這個(gè)生活里常見的現(xiàn)象，本質(zhì)就是金屬的加工硬化。那么加工硬化到底是什么？對工件又有哪些影響呢？

從機(jī)械加工的定義來說，加工硬化也叫冷作硬化，指的是金屬工件在冷加工過程中，表層金屬受到切削力作用產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形，內(nèi)部晶粒被拉長、扭曲甚至破碎纖維化，最終讓工件表層的強(qiáng)度和硬度升高、塑性降低的現(xiàn)象。這種性能變化不是往材料里添加了其他物質(zhì)，是金屬本身內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的改變，幾乎所有金屬冷加工過程都會(huì)不同程度出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。

加工硬化對工件的影響不能一概而論，它其實(shí)是一把“雙刃劍”，用對了能提升工件性能，控制不好則會(huì)帶來很多問題。

好的方面來說，很多工件正是利用加工硬化來提升使用性能。最典型的就是工程機(jī)械常用的高錳鋼，加工前它的硬度只有180 ~ 220HBW，塑性和韌性很好，做成挖掘機(jī)鏟斗、破碎機(jī)襯板后，在工作中承受沖擊、壓應(yīng)力的時(shí)候會(huì)迅速發(fā)生加工硬化，表層硬度能飆升到450 ~ 550HBW，耐磨性一下子提升十幾倍，使用壽命比普通碳鋼長得多。而工業(yè)中常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲，也是靠加工硬化來提高強(qiáng)度，原本強(qiáng)度不夠的軟鋼材，經(jīng)過冷加工硬化后就能滿足很多結(jié)構(gòu)件的載荷要求，還能降低材料成本。

但在多數(shù)切削加工場景中，不受控的加工硬化會(huì)帶來很多負(fù)面影響。比如剛才提到的高錳鋼，正是因?yàn)榧庸r(shí)極易產(chǎn)生加工硬化，切削過程中刀具剛切完，工件新暴露的表面就立刻變硬，不僅切削力猛增，還會(huì)急劇加速刀具磨損，讓加工難度和成本大幅上升。其次，加工硬化后的表層塑性下降、變脆，還往往伴隨殘余應(yīng)力，會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，長期承受交變載荷的零件容易在硬化層產(chǎn)生裂紋，大大縮短使用壽命。如果零件后續(xù)還要繼續(xù)加工，硬化的表層會(huì)加速下一道工序的刀具磨損，還可能導(dǎo)致加工尺寸精度不穩(wěn)定。此外，嚴(yán)重的加工硬化帶來的殘余應(yīng)力，還會(huì)讓零件在后續(xù)存放、使用過程中慢慢發(fā)生變形，影響零件的精度穩(wěn)定性。

在實(shí)際生產(chǎn)中，工人會(huì)根據(jù)需求調(diào)整加工參數(shù)、刀具參數(shù)來控制加工硬化的程度：需要硬化就創(chuàng)造條件強(qiáng)化它，不需要就調(diào)整切削溫度、刀具角度降低塑性變形，弱化加工硬化。合理把控加工硬化，才能讓它更好地為加工和零件性能服務(wù)。