鍛造裂紋成因分析

1、鍛造裂紋 裂紋是鍛壓生產(chǎn)中常見的主要缺陷之一， 通常是先形成微觀裂紋， 再擴展成宏觀 裂紋。鍛造工藝過程（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)變不同時進行而產(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)生和擴展的外部條件；金屬的組織結(jié) 構(gòu)是裂紋產(chǎn)生和擴展的內(nèi)部依據(jù)。 前者是通過對金屬組織及對微觀機制的影響而 對裂紋的發(fā)生和擴展發(fā)生作用的。 全面分析裂紋的成因應(yīng)當綜合地進行力學(xué)和組 織的分析。（一）形成

2、裂紋的力學(xué)分析 在外力作用下物體內(nèi)各點處于一定應(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。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（與剪應(yīng)力T之比值。也與材料所能承受的極限變形程度 ma及 丫 ma有關(guān)。例如，對于塑性材 料的扭轉(zhuǎn)，由于最大正應(yīng)力與切應(yīng)力之比（7 / t是剪斷破壞；對于低塑性材料， 由于不能承受大的拉應(yīng)變，扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生 45方向開裂。由于斷面形狀突然變化或 試件上有尖銳缺口，將引起應(yīng)力集中，應(yīng)力的比值7 /有很大變化，例如帶缺口試件

3、拉伸 7 / t ，=4這時多發(fā)生正斷。下面分析不同外力引起開裂的情況。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、沖頭擴孔、扭轉(zhuǎn)、拉拔、拉伸、脹形和內(nèi)翻邊等，現(xiàn)結(jié)合幾個工 序說明如下。彎曲件在校正工序中（見圖 3-34）由于一側(cè)受拉應(yīng)力常易引起開裂。例如某廠 鍛高速鋼拉刀時，工具的斷面是邊長相差較大的矩形， 沿窄邊壓縮時易產(chǎn)生彎曲， 當彎曲比較嚴重，隨后校正時常常開裂。鐓粗時軸向雖受壓應(yīng)力， 但與軸線成 45方向有最大剪應(yīng)力。 低塑性材料鐓粗時 常易產(chǎn)生近 45方向的斜裂（見圖片 8-355）。塑性好的材料鐓粗時則產(chǎn)生縱裂，

4、 這主要是附加應(yīng)力引起的。工件的幾何形狀對應(yīng)力分布有明顯影響。例如，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 時也有類似的情況，只是應(yīng)力的符號相反。工件在冷卻過程中所形成的熱應(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）時才開始出現(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)力在每一瞬時相互疊加作用的結(jié)果。 對于無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的鍛件， 在鍛后空冷或其它緩慢的冷卻過程中， 熱應(yīng)力通常 并不引起嚴重后果。雖然

5、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，不致引起開裂；冷卻后期溫差不太大，且表層受壓應(yīng) 力，所以也不引起開裂。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，甚至水淬時也不產(chǎn)生裂紋。組織應(yīng)力在較低溫度下才開始發(fā)生， 這時材料塑性較低， 這是造成冷卻時開裂的 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有氧化脫碳現(xiàn)象也證 明了這一點。 對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行 酸洗，否則在腐蝕時易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂。W18Cr4V鋼鍛件一側(cè)因鍛后激冷形成的裂紋 加熱時溫度分布及其變化情況與冷卻

6、時正相反， 升溫過程中表層溫度超過心部溫 度，并且導(dǎo)熱性越差，斷面越大，溫差也越大。對于熱應(yīng)力，這時表層受壓內(nèi)層受拉，在受拉應(yīng)力區(qū)由于溫度低，塑性差有可 能形成開裂。在加熱初期金屬尚處于彈性狀態(tài)的時候， 在加熱速度不變的條件下， 根據(jù)計算，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，加熱時坯料一般是橫向開裂。加熱過程中由于相變不同時進行也有組織應(yīng)力發(fā)生，但這時由于溫度較高，材 料塑性較好，其危險程度遠較冷錠快速加熱時為小。（二）形成裂紋的組織分析 對裂紋的成因進行組織分析，有助于了解形成裂紋的內(nèi)在原因，也是進行裂紋 鑒別的客觀依據(jù)。從大量的鍛件裂紋實例分析和重復(fù)試驗中

7、可以觀察到，金屬材料的組織和性能 是否均勻，對裂紋有重要影響。1. 對組織和性能比較均勻的材料 鍛造過程中，首先在應(yīng)力最大，先滿足塑性條件的地方發(fā)生塑性變形。在變形過程中位錯沿滑移面運動， 遇著障礙物， 便會堆塞， 并產(chǎn)生足夠大的應(yīng)力而產(chǎn)生 裂紋，或由于位錯的交互作用形成空穴、微裂，并進一步發(fā)展成宏觀的裂紋。這 主要產(chǎn)生在變形溫度較低（低于再結(jié)晶溫度） ，或變形程度過大、變形速度過快 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 形時產(chǎn)生的穿晶裂紋。 但是由于高溫下原子具有較高的擴散速度， 有利于位元錯 的攀移，加速了恢復(fù)和再結(jié)晶，使變形過程中已經(jīng)產(chǎn)生的微裂紋比較容易

8、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)展為宏觀的裂紋。2. 對組織和性能不均勻的材料 對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。這是因為鍛造變形通常是在金屬的等強溫度以上進行的。 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 的低熔點物質(zhì)發(fā)生熔化， 嚴重降低材料的塑性； 同時，在高溫下周圍介質(zhì)中的某 些元素（硫、銅等）沿晶界向金屬內(nèi)擴散，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

9、鍛造變形時裂紋主要沿晶界或 相界發(fā)生和發(fā)展。下面對組織和性能不均的材料，具體分析金屬組織對鍛造裂紋發(fā)生和發(fā)展的影 響。（ 1 ）微觀裂紋的產(chǎn)生 鍛造過程中金屬組織狀況對微觀裂紋的產(chǎn)生主要有下列三種情況。 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)力集中處較早達到金屬的屈服點， 引起 塑性變形，當變形量超過材料的極限變形程度和應(yīng)力超過材料的極限強度時便產(chǎn)生微觀裂紋。圖片3-19為MB15鎂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

10、強度低和塑性差。 第二相及夾雜物本身強度低， 塑性 差，受外力或微量變形時即產(chǎn)生開裂。具體的有下列一些情況： 晶界為低熔點物質(zhì)。鍛造過程中常見的銅脆、紅脆和錫脆等皆是由于在晶界 的剪切和遷移中微觀裂紋首先于晶界處的低熔點物質(zhì)本身中發(fā)生而后發(fā)展的。 實 例11、圖片8-58為裂紋沿滲銅晶界開裂的情況，實例 19、圖片8-93為裂紋沿滲硫 處開裂的情況。坯料過燒時時，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。當晶界剪切和滑移時，上述物質(zhì)有不 同程度的破碎， 當晶界物質(zhì)的破碎得不到及時修復(fù)時，

11、 微觀裂紋便在此處發(fā)生和 發(fā)展。實例64、圖片8-299為LDII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3-29為MB5鎂合金杠桿模鍛件中沿（Mg4A13）脆性相開裂的情況。 第二相為強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 中的鐵素體屬于此種情況。由于鐵素體的 c小，壓力加工變形時，首先是鐵素體 局部變形， 當超過極限應(yīng)變時， 便形成微觀裂紋， 當鐵素體呈網(wǎng)狀分布于晶界時 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， 兩

12、相具有不同的變形抗力， 由于熱鍛時兩者的 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)生微觀裂紋而 后擴展（圖片8-249）。又例如MnS和Fe（ a具有不同的熱膨脹系數(shù)，因而 MnS與Fe（a交界處的結(jié)合力較弱，裂紋常沿交界處發(fā)生。（2）微觀裂紋的擴展 斷裂過程是沿著能量降低的方向，遵循阻力最小的途徑進行的。裂紋擴展的阻力由裂紋前緣金屬的性能和微觀的斷裂機制來決定。 應(yīng)力狀態(tài)、 溫度、應(yīng)變速度 及介質(zhì)對裂紋擴展的阻力有一定影響。 它們是通過對性能和斷裂機制的影響來影 響裂紋擴展阻力的。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，則裂紋擴展的阻力愈大。韌性是斷裂過程

13、所需能量 的參量，而這種能量取決于材料的強度和塑性， 它是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。 在保證一定強度的前提下提高塑性， 對提高韌性和裂紋擴展的阻力具有重要的影 響。因此，熱鍛過程中，在均勻受力的情況下，裂紋主要沿著強度低和塑性差的 “弱 區(qū)”（晶界和結(jié)合力弱的相接口等）擴展。 “弱區(qū) ”的性能主要取決于第二相及夾 雜物的性能、形狀和分布特點。 “弱區(qū)”的強度愈低，塑性愈差，則擴展的速度愈 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裂。（3）宏觀裂紋的擴展 上面所論述的是微觀裂紋的擴展途徑，而鍛件上宏觀裂紋的實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

14、勢（方向）是由受力情況決定 的。例如當二相呈細小均勻分布時， 宏觀裂紋的擴展方向往往與正應(yīng)力的垂直方 向或切應(yīng)力的方向一致。 當夾雜物集中在金屬的某些地區(qū)并呈條帶狀分布時， 條 帶方向便是裂紋擴展阻力最小的方向。 例如在鐓粗變形時常?？梢杂^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）鍛造裂紋的鑒別與防止產(chǎn)生裂紋的主要對策1.鍛造裂紋的鑒別 鑒別裂紋形成的原因，應(yīng)首先了解工藝過程，以便找出裂紋形成的客觀條件， 其次應(yīng)當觀察裂紋本身的狀態(tài)， 然后再進行必要的有針對性的顯微組織分析， 微 區(qū)成分分析。舉例如下：對于產(chǎn)生龜裂的鍛件，粗略分析可能是：由于過燒；由于易溶金屬滲入基 體

15、金屬（如銅滲人鋼中）；應(yīng)力腐蝕裂紋；鍛件表面嚴重脫碳。這可以從工 藝過程調(diào)查和組織分析中進一步判別。 例如在加熱鋼以后加熱鋼料或兩者混合加 熱或鋼中含銅量過高時，則有可能是銅脆。從顯微組織上看，銅脆開裂在晶界， 除了能找到裂紋外，還能找到亮的銅網(wǎng)，而在單純過燒的晶界只能找到氧化物。 應(yīng)力腐蝕開裂是在酸洗后出現(xiàn)， 在高倍觀察時， 裂紋的擴展呈樹枝狀形態(tài)。 鍛件 嚴重脫碳時，在試片上可以觀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 織來區(qū)分。 一般裂紋與流線成一定交角， 而折疊附近的流線與折疊方向平行， 而 且對于中、高碳鋼來說，折疊表面有氧化脫碳現(xiàn)

16、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， 裂紋附近有嚴重的氧化脫碳， 冷卻裂紋則無此現(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，在裂紋的周圍有滑移帶等冷變形痕跡。2. 防止裂紋產(chǎn)生的對策（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)的影響在有些文獻中用靜水 壓力來衡量，當溫度和應(yīng)變速度一定時，由拉應(yīng)力引起開裂的條件為c 脅 a-bp+c 由切應(yīng)力引起開裂的條件為

17、CTA-Bp+ C 式中P靜水壓力，即三個主應(yīng)力的平均值，拉為正，壓為負；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)力不僅不會使裂紋擴展，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)值來防止開裂。擠壓和拔長時減少附加拉應(yīng) 力，是防止開裂的非常有效措施（例如靜液擠壓） 。（ 2）嚴格控制變形溫度 變形溫度對材料的塑性有重要影響，溫度低，冷變形硬化嚴重，塑性下降；溫 度過高，易過熱、 過燒。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200C以后才增加新的滑移面，因此，應(yīng)當保證在變形 過程中，能夠充分地進行再結(jié)晶，并盡可能在單相的狀態(tài)下變形。 “（ 3）采用合適的應(yīng)變速度應(yīng)變速度對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MB5鎂合金在錘上熱鍛易裂，而在水壓機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