鍛造裂紋成因分析

1、鍛造裂紋裂紋是鍛壓生產(chǎn)中常見(jiàn)的主要缺陷之一，通常是先形成微觀(guān)裂紋，再擴(kuò)展成宏觀(guān)裂紋。鍛造工藝過(guò)程 （包括加熱和冷卻）中裂紋的產(chǎn)生與受力情況、變形金屬的組織結(jié)構(gòu)、變形溫度和變形速度等有關(guān)。鍛造 工藝過(guò)程中除了工具給予工件的作用力之外，還有由于變形不均勻和變形速度不同引起的附加應(yīng)力、由溫 度不均勻引起的熱應(yīng)力和由組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)進(jìn)行而產(chǎn)生的組織應(yīng)力。應(yīng)力狀態(tài)、變形溫度和變形速度是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的外部條件；金屬的組織結(jié)構(gòu)是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的 內(nèi)部依據(jù)。前者是通過(guò)對(duì)金屬組織及對(duì)微觀(guān)機(jī)制的影響而對(duì)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展發(fā)生作用的。全面分析裂紋 的成因應(yīng)當(dāng)綜合地進(jìn)行力學(xué)和組織的分析。（一）形成裂紋的力學(xué)分析 在外力

2、作用下物體內(nèi)各點(diǎn)處于一定應(yīng)力狀態(tài)，在不同的方位將作用不同的正應(yīng)力及切應(yīng)力。裂紋的形式一 般有兩種：一是切斷，斷裂面是平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變；另一種是正斷，斷裂面垂直于最大正應(yīng) 力或正應(yīng)變方向。點(diǎn)剪應(yīng)力之比值。也與材料所能承受由于最大正應(yīng)力與切應(yīng)力之比”提剪斷45°方向開(kāi)裂。由于斷面形狀突然變化或至于材料產(chǎn)生何種破壞形式，主要取決于應(yīng)力狀態(tài)，即正應(yīng)力的極限變形程度emaXYmaX關(guān)。例如，對(duì)于塑性材料的扭轉(zhuǎn), 破壞；對(duì)于低塑性材料，由于不能承受大的拉應(yīng)變，扭轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生試件上有尖銳缺口，將引起應(yīng)力集中，應(yīng)力的比值b盾很大變化，例如帶缺口試件拉伸尸退時(shí)多發(fā)生正斷。下面分析不同外力引起開(kāi)

3、裂的情況。1 .由外力直接引起的裂紋壓力加工生產(chǎn)中，在下列一些情況，由外力作用可能引起裂紋：彎曲和校直、脆性材料鐓粗、沖頭擴(kuò)孔、扭轉(zhuǎn)、拉拔、拉伸、脹形和內(nèi)翻邊等，現(xiàn)結(jié)合幾個(gè)工序說(shuō)明如下。彎曲件在校正工序中（見(jiàn)圖3-34）由于一側(cè)受拉應(yīng)力常易引起開(kāi)裂。例如某廠(chǎng)鍛高速鋼拉刀時(shí)，工具的斷面是邊長(zhǎng)相差較大的矩形，沿窄邊壓縮時(shí)易產(chǎn)生彎曲，當(dāng)彎曲比較嚴(yán)重，隨后校正時(shí)常常開(kāi)裂。鐓粗時(shí)軸向雖受壓應(yīng)力，但與軸線(xiàn)成45°方向有最大剪應(yīng)力。低塑性材料鐓粗時(shí)常易產(chǎn)生近45°方向的斜裂（見(jiàn)圖片8-355） 。塑性好的材料鐓粗時(shí)則產(chǎn)生縱裂，這主要是附加應(yīng)力引起的。工件的幾何形狀對(duì)應(yīng)力分布有明顯影響。例

4、如，拉伸試棒在縮頸形成前各處可以視為受均勻的單向拉應(yīng)力，一旦形成縮頸后，縮頸表面就受三向拉應(yīng)力；鐓粗時(shí)也有類(lèi)似的情況，只是應(yīng)力的符號(hào)相反。工件在冷卻過(guò)程中所形成的熱應(yīng)力及組織應(yīng)力在不斷變化，其分布方向恰好相反，但從數(shù)量上并不能 正好抵消；熱應(yīng)力早在高溫冷卻初期即產(chǎn)生，而淬火組織應(yīng)力則在較低的溫度（Ms以下）時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)；冷至室溫后的最終殘余內(nèi)應(yīng)力，其大小與分布情況取決于熱應(yīng)力與組織應(yīng)力在每一瞬時(shí)相互疊加作用的結(jié) 果。對(duì)于無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的鍛件，在鍛后空冷或其它緩慢的冷卻過(guò)程中，熱應(yīng)力通常并不引起嚴(yán)重后果。雖然冷卻初期溫差較大，表層為拉應(yīng)力（中心部分受壓應(yīng)力），但因溫度較高，塑性較好，不致引起開(kāi)裂

5、；冷卻后期溫差不太大，且表層受壓應(yīng)力，所以也不引起開(kāi)裂。奧氏體（如、50Mn18Cr4WN的任何大斷面鍛件都可以直接空冷而不需緩冷，甚至水淬時(shí)也不產(chǎn)生裂紋。組織應(yīng)力在較低溫度下才開(kāi)始發(fā)生，這時(shí)材料塑性較低，這是造成冷卻時(shí)開(kāi)裂的主要原因。高速鋼冷卻裂紋及馬氏體不銹鋼冷卻裂紋附近沒(méi)有氧化脫碳現(xiàn)象也證明了這一點(diǎn)。對(duì)于馬氏體不銹鋼即使采取一些緩冷措施，仍必須退火后才能進(jìn)行酸洗，否則在腐蝕時(shí)易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。W18Cr4V鍛件一側(cè)因鍛后激冷形成的裂紋。加熱時(shí)溫度分布及其變化情況與冷卻時(shí)正相反，升溫過(guò)程中表層溫度超過(guò)心部溫度，并且導(dǎo)熱性越差，斷面越大，溫差也越大。對(duì)于熱應(yīng)力，這時(shí)表層受壓內(nèi)層受拉，在受拉

6、應(yīng)力區(qū)由于溫度低，塑性差有可能形成開(kāi)裂。在加熱初期金屬尚處于彈性狀態(tài)的時(shí)候，在加熱速度不變的條件下，根據(jù)計(jì)算，在圓柱體坯料軸心區(qū)沿軸向的拉應(yīng)力是沿徑向和切向拉應(yīng)力值的兩倍。因此，加熱時(shí)坯料一般是橫向開(kāi)裂。加熱過(guò)程中由于相變不同時(shí)進(jìn)行也有組織應(yīng)力發(fā)生，但這時(shí)由于溫度較高，材料塑性較好，其危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)較冷錠快速加熱時(shí)為小。（二）形成裂紋的組織分析對(duì)裂紋的成因進(jìn)行組織分析，有助于了解形成裂紋的內(nèi)在原因，也是進(jìn)行裂紋鑒別的客觀(guān)依據(jù)。從大量的鍛件裂紋實(shí)例分析和重復(fù)試驗(yàn)中可以觀(guān)察到，金屬材料的組織和性能是否均勻，對(duì)裂紋有重要影響。2 .對(duì)組織和性能比較均勻的材料鍛造過(guò)程中，首先在應(yīng)力最大，先滿(mǎn)足塑性條件的地

7、方發(fā)生塑性變形。在變形過(guò)程中位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)，遇著障礙物，便會(huì)堆塞，并產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，或由于位錯(cuò)的交互作用形成空穴、微裂，并進(jìn)一步發(fā)展成宏觀(guān)的裂紋。這主要產(chǎn)生在變形溫度較低（低于再結(jié)晶溫度），或變形程度過(guò)大、變形速度過(guò)快的情況。這種裂紋常常是穿晶或穿晶和沿晶混合的鎂合金在低于再結(jié)晶溫度下變形時(shí)產(chǎn)生的穿晶裂紋。但是由于高溫下原子具有較高的擴(kuò)散速度，有利于位元錯(cuò)的攀移，加速了恢復(fù)和再結(jié)晶，使變形過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生的微裂紋比較容易修復(fù)，在變形溫度適宜、變形速度較慢的情況下，可以不發(fā)展為宏觀(guān)的裂紋。3 .對(duì)組織和性能不均勻的材料對(duì)組織和性能不均勻的材料，裂紋通常在晶界和某些相接口發(fā)生。這是因?yàn)?/p>

8、鍛造變形通常是在金屬的等強(qiáng)溫度以上進(jìn)行的。晶界的變形較大，而金屬的晶界往往是冶金缺陷、第二相和非金屬夾雜比較集中的地方。在高溫下某些材料晶界上的低熔點(diǎn)物質(zhì)發(fā)生熔化，嚴(yán)重降低材料的塑性；同時(shí)，在高溫下周?chē)橘|(zhì)中的某些元素（硫、銅等）沿晶界向金屬內(nèi)擴(kuò)散，引起晶界上第二相的非正常出現(xiàn)和晶界的弱化；另外，基體金屬與某些相的接口由于兩相在力學(xué)性能和理化性能上的差異結(jié)合力較弱。鍛造所用的原材料通常是不均勻的。因此，高溫鍛造變形時(shí)裂紋主要沿晶界或相界發(fā)生和發(fā)展。下面對(duì)組織和性能不均的材料，具體分析金屬組織對(duì)鍛造裂紋發(fā)生和發(fā)展的影響。（ 1）微觀(guān)裂紋的產(chǎn)生鍛造過(guò)程中金屬組織狀況對(duì)微觀(guān)裂紋的產(chǎn)生主要有下列三種情

9、況。1）冶金和組織缺陷處應(yīng)力集中。在原材料的冶金和組織缺陷處，如疏松、夾雜物等的尖角處，在外力作用下發(fā)生應(yīng)力集中；在第二相和基體相交界處，特別是第二相的尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中處較早達(dá)到金屬的屈服點(diǎn)，引起塑性變形，當(dāng)變形量超過(guò)材料的極限變形程度和應(yīng)力超過(guò)材料的極限強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生微觀(guān)裂紋。圖片 3-1曲MB1聯(lián)合金在缺陷尾端由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋。2）第二相及夾雜物本身的強(qiáng)度低和塑性差。第二相及夾雜物本身強(qiáng)度低，塑性差，受外力或微量變形時(shí)即產(chǎn)生開(kāi)裂。具體的有下列一些情況： 晶界為低熔點(diǎn)物質(zhì)。鍛造過(guò)程中常見(jiàn)的銅脆、紅脆和錫脆等皆是由于在晶界的剪切和遷移中微觀(guān)裂紋首先于晶界處的低熔點(diǎn)物質(zhì)本身

10、中發(fā)生而后發(fā)展的。實(shí)例11、 圖片8-58為裂紋沿滲銅晶界開(kāi)裂的情況，實(shí)例 19、圖片8-93為裂紋沿滲硫處開(kāi)裂的情況。坯料過(guò)燒時(shí)時(shí)，晶界發(fā)生氧化和熔化，裂紋沿晶界發(fā)展 晶界存在脆性的第二相或非全屬的夾雜物。脆性物質(zhì)包括：碳化物、氮化物、氧化物、硅酸鹽、硼化物及金屬間化合物。當(dāng)晶界剪切和滑移時(shí)，上述物質(zhì)有不同程度的破碎，當(dāng)晶界物質(zhì)的破碎得不到及時(shí)修復(fù)時(shí)，微觀(guān)裂紋便在此處發(fā)生和發(fā)展。實(shí)例64、圖片8-29刻LDl鋁合金活塞模鍛件中裂紋沿脆性的鐵相發(fā)生的情況。圖片 3-2曲 MB嗾合金杠桿模鍛件中沿（Mg4A13脆性相開(kāi)裂的情況。 第二相為強(qiáng)度低于基體的韌性相。亞共析鋼、奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼

11、中的鐵素體屬于此種情況。由于鐵素體的（T小，壓力加工變形時(shí)，首先是鐵素體局部變形，當(dāng)超過(guò)極限應(yīng)變時(shí)，便形成微觀(guān)裂紋，當(dāng)鐵素體呈網(wǎng)狀分布于晶界時(shí)危害更大。3）第二相及非金屬夾雜與基體之間在力學(xué)性能和理化性能上有差異。在此種情況下，微觀(guān)裂紋往往產(chǎn)生在它們交界處，這是他們之間結(jié)合力較弱的緣故。例如奧氏體不銹鋼中存在鐵素體相時(shí)，兩相具有不同的變形抗力，由于熱鍛時(shí)兩者的變形程度不同產(chǎn)生了附加應(yīng)力，常常在奧氏體與鐵素體的交界處產(chǎn)生微觀(guān)裂紋而后擴(kuò)展（圖片8-249）。又例如Mn舜口 Fe（現(xiàn)有不同的熱膨脹系數(shù)，因而 MnSW Fe （ “）交界處的結(jié)合力較弱，裂紋常沿交界處發(fā)生。（ 2）微觀(guān)裂紋的擴(kuò)展斷裂過(guò)

12、程是沿著能量降低的方向，遵循阻力最小的途徑進(jìn)行的。裂紋擴(kuò)展的阻力由裂紋前緣金屬的性能和微觀(guān)的斷裂機(jī)制來(lái)決定。應(yīng)力狀態(tài)、溫度、應(yīng)變速度及介質(zhì)對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力有一定影響。它們是通過(guò)對(duì)性能和斷裂機(jī)制的影響來(lái)影響裂紋擴(kuò)展阻力的。本節(jié)側(cè)重研究性能（組織）的影響。裂紋前緣金屬的韌性愈好，則裂紋擴(kuò)展的阻力愈大。韌性是斷裂過(guò)程所需能量的參量，而這種能量取決于材料的強(qiáng)度和塑性，它是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。在保證一定強(qiáng)度的前提下提高塑性，對(duì)提高韌性和裂紋擴(kuò)展的阻力具有重要的影響。因此，熱鍛過(guò)程中，在均勻受力的情況下，裂紋主要沿著強(qiáng)度低和塑性差的“弱區(qū) ”（晶界和結(jié)合力弱的相接口等）擴(kuò)展?！叭鯀^(qū) ”的性能主要取決

13、于第二相及夾雜物的性能、形狀和分布特點(diǎn)。 “弱區(qū) ”的強(qiáng)度愈低，塑性愈差，則擴(kuò)展的速度愈快。在具有纖維組織或帶狀組織的鍛坯中，裂紋較易沿纖維方向或帶的方向開(kāi)裂。（ 3）宏觀(guān)裂紋的擴(kuò)展上面所論述的是微觀(guān)裂紋的擴(kuò)展途徑，而鍛件上宏觀(guān)裂紋的實(shí)際走向是由受力情況和材料的組織情況二者決定的。而且，總的趨勢(shì)（方向）是由受力情況決定的。例如當(dāng)二相呈細(xì)小均勻分布時(shí)，宏觀(guān)裂紋的擴(kuò)展方向往往與正應(yīng)力的垂直方向或切應(yīng)力的方向一致。當(dāng)夾雜物集中在金屬的某些地區(qū)并呈條帶狀分布時(shí)，條帶方向便是裂紋擴(kuò)展阻力最小的方向。例如在鐓粗變形時(shí)常常可以觀(guān)察到與主拉應(yīng)力的垂直方向及最大剪應(yīng)力方向不完全一致的情況。（三）鍛造裂紋的鑒別與

14、防止產(chǎn)生裂紋的主要對(duì)策1 .鍛造裂紋的鑒別鑒別裂紋形成的原因，應(yīng)首先了解工藝過(guò)程，以便找出裂紋形成的客觀(guān)條件，其次應(yīng)當(dāng)觀(guān)察裂紋本身的狀態(tài)，然后再進(jìn)行必要的有針對(duì)性的顯微組織分析，微區(qū)成分分析。舉例如下：對(duì)于產(chǎn)生龜裂的鍛件，粗略分析可能是： 由于過(guò)燒； 由于易溶金屬滲入基體金屬（如銅滲人鋼中）；應(yīng)力腐蝕裂紋； 鍛件表面嚴(yán)重脫碳。這可以從工藝過(guò)程調(diào)查和組織分析中進(jìn)一步判別。例如在加熱鋼以后加熱鋼料或兩者混合加熱或鋼中含銅量過(guò)高時(shí)，則有可能是銅脆。從顯微組織上看，銅脆開(kāi)裂在晶界，除了能找到裂紋外，還能找到亮的銅網(wǎng)，而在單純過(guò)燒的晶界只能找到氧化物。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是在酸洗后出現(xiàn)，在高倍觀(guān)察時(shí)，裂紋的擴(kuò)展

15、呈樹(shù)枝狀形態(tài)。鍛件嚴(yán)重脫碳時(shí)，在試片上可以觀(guān)察到一層較厚的脫碳層。裂紋與折疊的鑒別，不僅可以從受力及變形的條件考察，亦可以低倍和高倍組織來(lái)區(qū)分。一般裂紋與流線(xiàn)成一定交角，而折疊附近的流線(xiàn)與折疊方向平行，而且對(duì)于中、高碳鋼來(lái)說(shuō)，折疊表面有氧化脫碳現(xiàn)象。折疊的尾部一般呈圓角，而裂紋通常是尖的。具有裂紋的鍛件經(jīng)加熱后，裂紋附近有嚴(yán)重的氧化脫碳，冷卻裂紋則無(wú)此現(xiàn)象。由縮管殘余引起的裂紋通常是粗大而不規(guī)則的。由冷校正及冷切邊引起的裂紋，在裂紋的周?chē)谢茙У壤渥冃魏圹E。2 .防止裂紋產(chǎn)生的對(duì)策（ 1）提高靜水壓力的數(shù)值由前面分析可以看出，裂紋的產(chǎn)生與受力情況和材料的塑性有關(guān)，塑性是材料的一種狀態(tài)，它不僅

16、取決于變形物體的組織結(jié)構(gòu)，而且還取決于變形的外部條件（包括應(yīng)力狀態(tài)、變形溫度和變形速度）。應(yīng)力狀態(tài)的影響在有些文獻(xiàn)中用靜水壓力來(lái)衡量，當(dāng)溫度和應(yīng)變速度一定時(shí)，由拉應(yīng)力引起開(kāi)裂的條件為 ca-bp+ce由切應(yīng)力引起開(kāi)裂的條件為CgA-Bp+ C £式中P 靜水壓力，即三個(gè)主應(yīng)力的平均值，拉為正，壓為負(fù)；等效應(yīng)變，代表加工硬化；la、 b、 c、 A、 B、 C 系數(shù)。三向等壓應(yīng)力不僅不會(huì)使裂紋擴(kuò)展，既使變形中存在微小的未被氧化的裂紋，在高的三向壓應(yīng)力作用下，也是可以鍛合的。對(duì)于低塑性材料采用反推力擠壓及帶套激粗都是用增加靜水壓力的數(shù)值來(lái)防止開(kāi)裂。擠壓和拔長(zhǎng)時(shí)減少附加拉應(yīng)力，是防止開(kāi)裂的非常有效措施（例如靜液擠壓）。（ 2）嚴(yán)格控制變形溫度變形溫度對(duì)材料的塑性有重要影響，溫度低，冷變形硬化嚴(yán)重，塑性下降；溫度過(guò)高，易過(guò)熱、過(guò)燒。鎂合金等密排六方晶格的金屬材料在常溫下僅有一組滑移面（即基面）， 溫度超過(guò)200 以后才增加新的滑移面，因此，應(yīng)當(dāng)保證在變形過(guò)程中，能夠充分地進(jìn)行再結(jié)晶，并盡可能在單相的狀態(tài)下變形?！埃?3）采用合適的應(yīng)變速度應(yīng)變速度對(duì)于低塑性材料有很大的影響，應(yīng)根據(jù)具體材料選用合適的鍛造設(shè)備。例如，某廠(chǎng)MB51合金在 錘上熱鍛易裂，而在水壓機(jī)上用同樣溫度鍛壓則不產(chǎn)生鍛裂。其原因是鎂合金再結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行緩慢，高