材料課件塑性加工工程學(xué)4

塑性加工工程學(xué)

——鍛件質(zhì)量控制理論主講曹建剛第三章鍛件成形質(zhì)量控制理論第一節(jié)概述經(jīng)塑性成形后的坯料或零件，其質(zhì)量（包括外形質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量）對(duì)零件的使用壽命有極大影響。例如，國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、渦輪葉片、壓氣機(jī)葉片的炸裂和折斷事故，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和高速柴油機(jī)連桿在運(yùn)行中的折斷事故等，都與其鍛件的內(nèi)部質(zhì)量有極為密切的關(guān)系。又如，鍛件質(zhì)量?jī)?yōu)良的Cr12鋼冷沖?？蓻_壓300萬次以上，而質(zhì)量低劣的同樣模具壽命卻不足5萬次。塑性成形件的外形質(zhì)量比較直觀，而內(nèi)部質(zhì)量（組織、性能、微裂紋、空洞等）問題必須借助于一些專門的試驗(yàn)方法才能分析清楚。塑性成形件的質(zhì)量除與塑性成形工藝和熱處理工藝規(guī)范有關(guān)外，還與原材料的質(zhì)量有密切關(guān)系。對(duì)于塑性成形件，除了必須保證所要求的形狀和尺寸外，還必須滿足零件在使用過程中所提出的各種性能要求：如強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能等，對(duì)在高溫下工作的零件，還要求有高溫瞬時(shí)拉伸性能、持久性能、抗蠕變性能和熱疲勞性能等。塑性成形件的性能又取決于組織。不同材料或同一種材料的不同狀態(tài)，其組織都是不同的，性能也是不同的。金屬的組織與材料的化學(xué)成分、冶煉方法、塑性成形工藝及熱處理工藝規(guī)范等因素有關(guān)。塑性成形工藝規(guī)范對(duì)塑性成形件的組織有重要的影響，尤其對(duì)那些在加熱和冷卻過程中沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的材料。如奧氏體和鐵素體耐熱不銹鋼、高溫合金、鋁合金和鎂合金等，主要依靠在塑性成形過程中，正確控制熱力學(xué)工藝參數(shù)來改善塑性成形件的組織和提高其性能。

一、原材料及塑性成形過程申常見的缺陷類型1、原材料中常見的缺陷主要有：毛細(xì)裂紋、結(jié)疤、折疊、非金屬夾雜、碳化物編析、非金屬夾雜物、白點(diǎn)、縮孔等；2、加熱不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：過熱、過燒、加熱裂紋、銅脆、脫碳、增碳等；3、成形工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：大晶粒、晶粒不均勻、裂紋（十字裂紋、表面龜裂、飛邊裂紋、分模面裂紋、孔邊龜裂等）、鍛造折疊、穿流、帶狀組織等；4、鍛后冷卻不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：冷卻裂紋、網(wǎng)狀碳化物等；5、鍛后熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷主要有：硬度過高或過低、硬度不均等。二、塑性成形件質(zhì)量分析的一般過程及分析方法1．塑性成形件質(zhì)量分析的一般過程塑性成形件的質(zhì)量問題可能發(fā)生在塑性成形生產(chǎn)過程中，但在熱處理、機(jī)械加工過程中或使用過程中才反應(yīng)出來?？赡苁怯捎谀骋簧a(chǎn)環(huán)節(jié)的疏忽或工藝不當(dāng)而引起?？赡苁怯捎谠O(shè)計(jì)和選材不當(dāng)而造成。對(duì)于由塑性成形件制成的零件在使用過程中所產(chǎn)生的缺陷和損壞需要查明是否由塑性成形件本身質(zhì)量問題引起還需要弄清楚零件的使用受力條件、工作部位與環(huán)境以及使用維護(hù)是否得當(dāng)?shù)惹闆r。在排除了零件設(shè)計(jì)、選材、熱處理、機(jī)加工及使用等方面的因素之后，才能集中力量從塑性成形件本身質(zhì)量上尋找缺陷和損壞的產(chǎn)生原因。塑性成形件中缺陷的形成原因也是多方面的，依據(jù)缺陷的宏觀與微觀特征來判斷是純屬塑性成形工藝因素引起還是與原材料質(zhì)量有關(guān)，是制定的工藝規(guī)程不合理還是執(zhí)行工藝不當(dāng)所致，確切的結(jié)論只有在經(jīng)過細(xì)致的試驗(yàn)分析后才能作出。

關(guān)于塑性成形件的缺陷表現(xiàn)在成形件外觀方面，如外部裂紋、折疊、折皺、未充滿或缺肉、壓坑等；表現(xiàn)在塑性成形件內(nèi)部，如各種低倍組織缺陷（裂紋、發(fā)紋、疏松、粗晶、表層脫碳、非金屬夾雜、白點(diǎn)、偏析、樹枝狀結(jié)晶、縮孔、流線紊亂、有色金屬的穿流、粗晶環(huán)、氧化膜等）；反映在微觀組織方面，如第二相的析出等；反映在成形件的性能方面，如室溫強(qiáng)度或塑性、韌性、疲勞性能等不合格，瞬時(shí)強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和持久塑性、蠕變強(qiáng)度等高溫性能不符合使用要求。無論是表現(xiàn)在塑性成形件外部的，或是表現(xiàn)在內(nèi)部和性能方面的質(zhì)量問題，它們之間在大多數(shù)情況下是互為影響的，往往是互相聯(lián)系、伴隨產(chǎn)生并惡性循環(huán)。例如，過熱或過燒通常會(huì)造成晶粒粗大、鍛造裂紋、表層脫碳以及塑性、韌性等力學(xué)性能降低等質(zhì)量問題；材質(zhì)內(nèi)部有夾雜則可能引起內(nèi)部裂紋，內(nèi)裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)大與發(fā)展就可能暴露為成形件表面裂紋。所以，在對(duì)塑性成形件質(zhì)量分析時(shí)，必須認(rèn)真地觀察和分析缺陷的形態(tài)和特征，查明質(zhì)量問題的真實(shí)原因。對(duì)塑性成形件進(jìn)行質(zhì)量分析的一般過程是：

（l）調(diào)查原始情況

調(diào)查原始情況應(yīng)包括：原材料、塑性成形工藝及熱處理工藝情況。在原材料方面，要弄清楚塑性成形件材料牌號(hào)、化學(xué)成分、材料規(guī)格和原材料質(zhì)量保證單上所載明的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，必要時(shí)還要弄清原材料的冶煉、加工工藝情況；在塑性成形工藝和熱處理工藝方面，要調(diào)查工藝規(guī)程的制定是否合理、加熱設(shè)備及加熱工藝是否正常、塑性成形操作是否得當(dāng)?shù)取＃?）弄清質(zhì)量問題主要是查明塑性成形件缺陷部位、缺陷處的宏觀特征，初步確定是原材料質(zhì)量問題所起的缺陷還是塑性成形工藝或熱處理工藝本身造成的缺陷。

（3）試驗(yàn)研究分析是確定塑性成形件缺陷原因的主要試驗(yàn)階段對(duì)有缺陷的成形件進(jìn)行取樣分析，確定其宏觀與微觀組織特征必要時(shí)還需作工藝參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，研究和分析產(chǎn)生缺陷的原因。

（4）提出解決措施在明確成形件中產(chǎn)生缺陷原因的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出預(yù)防措施及解決辦法。2．．塑塑性性成成形形件件質(zhì)質(zhì)量量分分析析的的方方法法塑性性成成形形件件表表面面的的質(zhì)質(zhì)量量問問題題一一般般都都與與加加熱熱和和變變形形有有關(guān)關(guān)，，如如表表面面缺缺陷陷————裂裂紋紋、、折折疊疊等等，，都都有有氧氧化化皮皮存存在在，，而而其其內(nèi)內(nèi)部部的的缺缺陷陷及及性性能能不不合合格格，，皆皆與與塑塑性性成成形形過過程程中中的的熱熱力力學(xué)學(xué)因因素素有有關(guān)關(guān)。。分析析方方法法：：低倍倍組組織織試試驗(yàn)驗(yàn)金相相試試驗(yàn)驗(yàn)金屬屬變變形形流流動(dòng)動(dòng)分分析析試試驗(yàn)驗(yàn)。。破壞壞性性試試驗(yàn)驗(yàn)，，將將待待分分析析的的缺缺陷陷成成形形件件進(jìn)進(jìn)行行解解剖剖，，從從缺缺陷陷處處取取樣樣分分析析。。低倍倍組組織織試試驗(yàn)驗(yàn)可以以暴暴露露成成形形件件的的宏宏觀觀缺缺陷陷，，這這類類試試驗(yàn)驗(yàn)包包括括硫硫印印試試驗(yàn)驗(yàn)、、熱熱蝕蝕和和冷冷蝕蝕酸酸浸浸試試驗(yàn)驗(yàn)、、斷斷口口試試驗(yàn)驗(yàn)等等。。高倍倍組組織織對(duì)于于研研究究和和分分析析缺缺陷陷的的微微觀觀特特征征、、形形成成機(jī)機(jī)理理有有重重要要意意義義。。金屬屬變變形形流流動(dòng)動(dòng)分分析析試試驗(yàn)驗(yàn)對(duì)分分析析裂裂紋紋、、折折疊疊和和粗粗晶晶的的形形成成、、流流線線的的分分布布和和穿穿流流等等有有特特殊殊意意義義。。在對(duì)對(duì)塑塑性性成成形形件件質(zhì)質(zhì)量量分分析析時(shí)時(shí)，，往往往往是是將將低低倍倍組組織織試試驗(yàn)驗(yàn)、、金金相相試試驗(yàn)驗(yàn)及及金金屬屬變變形形流流動(dòng)動(dòng)分分析析試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)合合起起來來同同時(shí)時(shí)進(jìn)進(jìn)行行，，這這樣樣才才有有可可能能對(duì)對(duì)缺缺陷陷的的性性質(zhì)質(zhì)與與形形成成原原因因有有一一個(gè)個(gè)比比較較完完整整的的認(rèn)認(rèn)識(shí)識(shí)。。深入入一一步步研研究究缺缺陷陷性性質(zhì)質(zhì)和和形形成成機(jī)機(jī)理理的的方方法法，，可可以以借借助助透透射射型型或或掃掃描描型型電電子子顯顯微微鏡鏡以以及及電電子子探探針針。。在化化學(xué)學(xué)成成分分析析方方面面，，可可借借助助新新近近出出現(xiàn)現(xiàn)的的電電子子計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控控制制的的直直接接讀讀數(shù)數(shù)的的放放射射攝攝譜譜儀儀，，配配有有計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)、、自自動(dòng)動(dòng)打打字字機(jī)機(jī)和和電電視視顯顯示示的的X射射線線熒熒光光光光譜譜儀儀以以及及其其他他新新的的檢檢測(cè)測(cè)方方法法和和儀儀器器設(shè)設(shè)備備。。這這些些先先進(jìn)進(jìn)檢檢測(cè)測(cè)儀儀器器和和設(shè)設(shè)備備的的出出現(xiàn)現(xiàn)，，體體現(xiàn)現(xiàn)了了質(zhì)質(zhì)量量分分析析方方法法向向快快速速、、精精確確和和高高效效率率發(fā)發(fā)展展的的特特點(diǎn)點(diǎn)。。對(duì)于某些些重要的的大型鍛鍛件和軍軍工用大大型鍛件件，破壞壞性試驗(yàn)驗(yàn)和常規(guī)規(guī)的檢驗(yàn)驗(yàn)分析技技術(shù)已不不能適應(yīng)應(yīng)技術(shù)發(fā)發(fā)展的需需要，必必須采用用特殊的的非破壞壞性試驗(yàn)驗(yàn)方法：：常用的無無損探傷傷方法主主要有超超聲波探探傷、超超聲波探探傷應(yīng)用用最廣泛泛，它用用于檢驗(yàn)驗(yàn)鍛件內(nèi)內(nèi)部缺陷陷。滲透探傷傷：（著著色和熒熒光）用用于檢查查鍛件表表面缺陷陷。磁力探傷傷。（著著色和熒熒光）用用于檢查查鍛件表表面缺陷陷。塑性成成形件件質(zhì)量量分析析方法法的特特點(diǎn)是是：廣泛采采用各各種先先進(jìn)的的試驗(yàn)驗(yàn)技術(shù)術(shù)與試試驗(yàn)方方法。。要準(zhǔn)確確地分分析成成形件件質(zhì)量量問題題，有有賴于于正確確的試試驗(yàn)方方法和和檢測(cè)測(cè)技術(shù)術(shù)，同同時(shí)要要善于于對(duì)試試驗(yàn)結(jié)結(jié)果進(jìn)進(jìn)行科科學(xué)的的分析析與判判斷。。破壞性性試驗(yàn)驗(yàn)是成成形件件質(zhì)量量分析析的主主要方方法。。無損探探傷這這種非非破壞壞性試試驗(yàn)技技術(shù)已已日益益顯示示出它它的優(yōu)優(yōu)越性性，并并將在在塑性性成形形件質(zhì)質(zhì)量檢檢驗(yàn)與與分析析中占占據(jù)應(yīng)應(yīng)有的的地位位。第二節(jié)節(jié)塑塑性成成形件件中的的空洞洞和裂裂紋一、塑塑性成成形件件中的的空洞洞在金屬屬材料料中，，一般般都存存在各各種各各樣的的缺陷陷，如如疏松松、縮縮孔、、偏析析、第第二相相和夾夾雜物物質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)、雜雜質(zhì)等等，這這些缺缺陷，，特別別是夾夾雜物物或雜雜質(zhì)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)一一般都都處于于晶界界處。。帶有這這些缺缺陷的的材料料，在在塑性性成形形中，，當(dāng)施施加的的外載載荷達(dá)達(dá)到一一定程程度時(shí)時(shí)，在在應(yīng)力力應(yīng)變變場(chǎng)中中，有有夾雜雜物或或第二二相質(zhì)質(zhì)點(diǎn)等等缺陷陷的晶晶界處處，由由于位位錯(cuò)塞塞積或或缺陷陷本身身的分分裂而而形成成微觀觀空洞洞。這些空空洞隨隨外載載荷的的增加加而長(zhǎng)長(zhǎng)大、、聚集集，最最后形形成裂裂紋或或與主主裂紋紋連接接，從從而導(dǎo)導(dǎo)致成成形件件破壞壞。鋼中MnS夾雜雜物界界面強(qiáng)強(qiáng)度往往往很很低，，很容容易在在界面面處分分離而而形成成空洞洞。比較脆脆的夾夾雜物物，如如硅酸酸鹽類類夾雜雜物，，其本本身在在外載載荷作作用下下破裂裂而形形成空空洞。。第二相相質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)與基基體的的膨脹脹系數(shù)數(shù)不同同時(shí)，，在冷冷卻過過程中中，由由于冷冷縮的的差異異，有有可能能在其其界面面處形形成殘殘余應(yīng)應(yīng)力，，這樣樣將更更促進(jìn)進(jìn)界面面處空空洞的的形成成。因此，，空洞洞是塑塑性成成形過過程中中普遍遍存在在的組組織變變化。。塑性性成形形過程程中，，在一一定的的外界界條件件下，，就會(huì)會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)空洞洞的形形核、、長(zhǎng)大大，繼繼而發(fā)發(fā)生空空洞的的聚合合或連連接，，形成成裂紋紋。當(dāng)一定定程度度的空空洞并并呈細(xì)細(xì)小而而分散散狀獨(dú)獨(dú)立存存在時(shí)時(shí)，對(duì)對(duì)晶界界滑動(dòng)動(dòng)是有有利的的，因因?yàn)楫?dāng)當(dāng)晶界界滑動(dòng)動(dòng)到三三角晶晶界處處難于于繼續(xù)續(xù)進(jìn)行行滑動(dòng)動(dòng)時(shí)，，可借借助空空洞來來松弛弛并增增高塑塑性。。但如果果材料料內(nèi)部部的空空洞很很多，，或尺尺寸較較大，，就會(huì)會(huì)存在在大量量的或或較強(qiáng)強(qiáng)的應(yīng)應(yīng)力集集中區(qū)區(qū)。由由于這這些應(yīng)應(yīng)力集集中得得不到到及時(shí)時(shí)的松松弛，，就必必然導(dǎo)導(dǎo)致應(yīng)應(yīng)力松松弛的的能力力降低低，””從而而大大大限制制了材材料變變形的的能力力。另一方方面，，如果果成形形后的的材料料內(nèi)部部存在在大量量空洞洞，特特別是是較大大的V形空空洞，，就會(huì)會(huì)嚴(yán)重重地降降低材材料的的強(qiáng)度度和塑塑性，，特別別是斷斷裂韌韌性，，這就就會(huì)給給成形形零件件特別別是那那些受受力構(gòu)構(gòu)件的的使用用可靠靠性帶帶來巨巨大的的威脅脅。按空洞洞的形形狀，，空洞洞大致致可分分為兩兩類：：一類為為產(chǎn)生生于三三晶粒粒交界界處的的楔形形空洞洞，或或稱V形空空洞，，這類類空洞洞是由由應(yīng)力力集中中產(chǎn)生生的；；另一類類為沿沿晶界界，特特別是是相界界產(chǎn)生生的圓圓形空空洞或或稱O形空空洞，，它們們的形形狀多多半接接近圓圓或橢橢圓。。出現(xiàn)現(xiàn)O形形空洞洞的晶晶界或或相界界多半半與拉拉應(yīng)力力垂直直。在帶坎的晶晶界上也會(huì)會(huì)出現(xiàn)O形形空洞。O形空洞可可以看作是是過飽和空空位向晶界界（或相界界）匯流、、聚集（沉沉淀）而形形成的。一般說來，，在高應(yīng)力力下易出現(xiàn)現(xiàn)V形空洞洞，低應(yīng)力力下易出現(xiàn)現(xiàn)O形空洞洞。從能量的觀觀點(diǎn)看，這這是因?yàn)樵谠谙嗤捏w體積下V形形空洞的表表面積比O形的大，，因而形成成能量（與與表面積成成正比）也也大，需要要較大的應(yīng)應(yīng)力。V形空洞一一旦形成后后，由于其其能量比O形（在相相同體積下下）高，因因而它力圖圖釋放一部部分能量而而轉(zhuǎn)變?yōu)镺形，這一一轉(zhuǎn)變是在在高溫下通通過擴(kuò)散過過程來完成成的。試驗(yàn)表明，，壓應(yīng)力和和拉應(yīng)力同同樣可以產(chǎn)產(chǎn)生空洞，，切應(yīng)力比比拉應(yīng)力更更起作用。。一般來說，，在壓應(yīng)力力作用下產(chǎn)產(chǎn)生空洞比比在拉應(yīng)力力作用時(shí)要要困難，特特別是在高高的球張量量壓應(yīng)力下下變形材料料內(nèi)部不易易出現(xiàn)空洞洞。相反，在高高的球張量量壓應(yīng)力下下，使原有有的空洞有有可能被壓壓合。二、塑性成成形件中的的裂紋塑性成形過過程中能產(chǎn)產(chǎn)生裂紋在塑性成形形前（如下下料、加熱熱）及塑性性成形后（（如冷卻、、切邊。校校正）都有有可能產(chǎn)生生裂紋。在不同的工工序中所產(chǎn)產(chǎn)生裂紋的的具體原因因及相應(yīng)的的裂紋形態(tài)態(tài)也是不同同的。先形成微觀觀裂紋，然然后擴(kuò)大成成宏觀裂紋紋。在塑性成形形中產(chǎn)生裂裂紋基本上上有兩個(gè)方方面一是由于原原材料中的的缺陷，如如各種冶金金缺陷、夾夾雜物等；；二是屬于塑塑性成形本本身的原因因，如加熱熱不當(dāng)、變變形不當(dāng)或或冷卻不當(dāng)當(dāng)?shù)?。上述兩方面面原因又可可歸結(jié)為力力學(xué)因素和和組織因素素。（一）塑性性成形件中中產(chǎn)生裂紋紋的原因分分析l、形成裂裂紋的力學(xué)學(xué)分析經(jīng)研究認(rèn)為為，對(duì)于一一定的材料料，宏觀破破壞（產(chǎn)生生裂紋而斷斷裂）的條條件一般由由下式給定定：式中σij——應(yīng)力狀狀態(tài)；dε——應(yīng)應(yīng)變的積累累；ε——變形形速度；T——溫溫度；σσ——拉斷極極限應(yīng)力；；τσ——切斷極極限應(yīng)力。。能否產(chǎn)生裂裂紋，與應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)、、變形積累累、應(yīng)變速速度及溫度度等很多因因素有關(guān)。。其中應(yīng)力狀狀態(tài)主要反反映力學(xué)的的條件。物物體在外力力作用下，，其內(nèi)部各各點(diǎn)處于一一定的應(yīng)力力狀態(tài)，在在不同的方方位將作用用有不同的的正應(yīng)力及及切應(yīng)力。。材料斷裂（（產(chǎn)生裂紋紋）形式一一般有兩種種：一是切斷，，斷裂面是是平行于最最大切應(yīng)力力或最大切切應(yīng)變方向向；另一種是正正斷，斷裂裂面垂直于于最大正應(yīng)應(yīng)力或正應(yīng)應(yīng)變方向。。至于材料產(chǎn)產(chǎn)生何種破破壞形式，，主要取決決于應(yīng)力狀狀態(tài)，即正正應(yīng)力與切切應(yīng)力之比比值，也與與材料所能能承受的極極限變形程程度有關(guān)。。（l）由外外力直接引引起的裂紋紋在塑性成形形中，下列列一些情況況，由外力力作用可能能引起裂紋紋：彎曲和校直直、脆性材材料鐓粗、、沖頭擴(kuò)孔孔、扭轉(zhuǎn)、、拉延、拉拉伸、脹形形和內(nèi)翻邊邊等。彎曲件在校校正工序中中，由于一一側(cè)受拉應(yīng)應(yīng)力常易引引起開裂。。例如某廠廠鍛高速鋼鋼（W18CI4V）拉刀坯坯料時(shí)，坯坯料的斷面面是邊長(zhǎng)相相差較大的的矩形，沿沿窄邊壓縮縮時(shí)易產(chǎn)生生彎曲，當(dāng)當(dāng)彎曲比較較嚴(yán)重，隨隨后校正時(shí)時(shí)在凹的一一側(cè)受拉應(yīng)應(yīng)力而引起起縱向開裂裂。鐓粗時(shí)軸向向雖受壓應(yīng)應(yīng)力，但與與軸線成45°方向向有最大切切應(yīng)力。低低塑性材料料鐓粗時(shí)常常易產(chǎn)生近近45°方方向的斜裂裂。塑性好好的材料鐓鐓粗時(shí)則產(chǎn)產(chǎn)生縱裂，，這主要是是附加拉應(yīng)應(yīng)力引起的的。圓坯料在平平砧上用小小壓縮量滾滾圓時(shí)，會(huì)會(huì)在垂直打打擊的方向向形成拉應(yīng)應(yīng)力，而且且心部最大大。用滑移移線理論計(jì)計(jì)算也可得得出如此結(jié)結(jié)果。這種種拉應(yīng)力易易引起心部部金屬開裂裂。對(duì)于高的圓圓柱體，壓壓縮時(shí)雖然然同樣也有有難變形區(qū)區(qū)存在，但但緊接著該該區(qū)即有因因變形而形形成的雙鼓鼓，中部并并不受拉應(yīng)應(yīng)力，這說說明工件形形狀和尺寸寸的不同引引起了變形形分布的不不同，造成成有時(shí)易形形成裂紋，，有時(shí)又不不易形成裂裂紋。在平砧上拔拔長(zhǎng)矩形斷斷面坯料時(shí)時(shí)，如送進(jìn)進(jìn)量過大，，并在同一一處反復(fù)重重?fù)簦瑒t在在截面對(duì)角角線處產(chǎn)生生劇烈的切切應(yīng)變，即即在對(duì)角線線上產(chǎn)生很很大的交變變切應(yīng)力，，因而易形形成十字形形裂紋。（2）由附附加應(yīng)力及及殘余應(yīng)力力引起的裂裂紋當(dāng)附加應(yīng)力力超過該部部分材料強(qiáng)強(qiáng)度極限時(shí)時(shí)便引起裂裂紋。矩形形斷面坯料料拔長(zhǎng)時(shí)能能產(chǎn)生橫向向裂紋。這這種裂紋多多發(fā)生在送送進(jìn)量L相相對(duì)于還料料高度h較較小的情況況下（L＜＜0.5h）。擠壓棒材時(shí)時(shí)，由于受受?？谀Σ敛磷枇τ绊戫?，表層金金屬流得慢慢，中部金金屬流得快快，外表層層受拉，中中部金屬受受壓，在表表層易引起起橫裂。當(dāng)當(dāng)外力消除除后，附加加應(yīng)力仍以以殘余應(yīng)力力的形式留留在工件內(nèi)內(nèi)部，這是是產(chǎn)生延時(shí)時(shí)開裂的主主要原因。。（3）由溫溫度應(yīng)力（（熱應(yīng)力））及組織應(yīng)應(yīng)力引起的的裂紋當(dāng)加熱或冷冷卻時(shí)由于于坯料內(nèi)溫溫度不均勻勻造成熱漲漲或冷縮不不均勻而引引起的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力稱為溫溫度應(yīng)力，，也稱為熱熱應(yīng)力。總的規(guī)律是是在降溫較較快（或加加熱較慢））處受拉應(yīng)應(yīng)力，在降降溫較慢或或升溫較快快處受壓應(yīng)應(yīng)力。當(dāng)組織轉(zhuǎn)變變不同時(shí)發(fā)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)應(yīng)力稱為組組織應(yīng)力。?？偟囊?guī)律是是每一瞬間間進(jìn)行增加加比容的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變區(qū)受壓壓應(yīng)力，進(jìn)進(jìn)行減少比比容的轉(zhuǎn)變變區(qū)受拉應(yīng)應(yīng)力。2．形成裂裂紋的組織織分析塑性成形中中的裂紋一一般發(fā)生在在組織不均均勻或帶某某些缺陷的的材料中。。金屬的晶界界往往是缺缺陷比較集集中的地方方。塑性成形件件中的裂紋紋一般產(chǎn)生生于晶界或或相界處。。下面從三三個(gè)方面分分析塑性成成形件中產(chǎn)產(chǎn)生裂紋的的組織因素素。（l）材料料中由冶金金和組織缺缺陷處應(yīng)力力集中而產(chǎn)產(chǎn)生裂紋在原材料的的冶金和組組織缺陷處處，如縮孔孔、偏析、、疏松、夾夾雜物等的的尖角處，，在第二相相和基體相相的交界處處，特別是是第二相的的尖角處容容易產(chǎn)生應(yīng)應(yīng)力集中。。在應(yīng)力集集中處較早早達(dá)到金屬屬的屈服強(qiáng)強(qiáng)度，引起起塑性變形形，當(dāng)變形形量超過材材料的極限限變形程度度和應(yīng)力超超過材料的的極限強(qiáng)度度時(shí)便產(chǎn)生生微觀裂紋紋，進(jìn)而發(fā)發(fā)展成宏觀觀裂紋。（2）第二二相及夾雜雜物本身的的強(qiáng)度低和和塑性低而而產(chǎn)生裂紋紋1）晶界為為低熔點(diǎn)物物質(zhì)塑性成形過過程中常見見的銅脆、、熱脆和錫錫脆等皆是是由于在晶晶界的剪切切和遷移中中微觀裂紋紋首先于晶晶界處的低低熔點(diǎn)物質(zhì)質(zhì)本身中發(fā)發(fā)生、發(fā)展展而形成的的。2）晶界存存在脆性的的第二相或或非金屬夾夾雜物脆性物質(zhì)包包括：碳化化物、氧化化物、氮化化物。硅酸酸鹽、硼化化物及金屬屬間化合物物等。當(dāng)晶界剪切切和遷移時(shí)時(shí)，上述脆脆性物質(zhì)有有不同程度度的破碎，，當(dāng)晶界脆脆性物質(zhì)的的破碎得不不到及時(shí)修修復(fù)時(shí)，微微觀裂紋便便在此處發(fā)發(fā)生和發(fā)展展。3）第二相相為強(qiáng)度低低于基體的的韌性相亞共析鋼、、奧氏體不不銹鋼、馬馬氏體不銹銹鋼中的鐵鐵素體屬于于此種情況況。由于鐵素體體的強(qiáng)度小小，塑性變變形時(shí)，首首先是鐵素素體局部變變形，因而而由于變形形不均勻和和由此產(chǎn)生生的附加應(yīng)應(yīng)力，或鐵鐵素體變形形超過極限限變形時(shí)，，便在兩相相交界處開開裂。當(dāng)鐵鐵素體呈網(wǎng)網(wǎng)狀分布于于晶界時(shí)危危害更大。。（3）第二二相及非金金屬夾雜與與基體之間間在力學(xué)性性能和理化化性能上有有差異而產(chǎn)產(chǎn)生裂紋在這種情況況下，微觀觀裂紋往往往產(chǎn)生在它它們交界處處，這是它它們之間結(jié)結(jié)合力較弱弱的緣故。。例如，奧氏氏體不銹鋼鋼中存在鐵鐵素體相時(shí)時(shí)，兩相具具有不同的的變形抗力力，由于熱熱鍛時(shí)兩者者的變形程程度不同而而產(chǎn)生了附附加應(yīng)力，，故常易在在奧氏體與與鐵素體的的交界處產(chǎn)產(chǎn)生裂紋。。（二）塑性性成形件中中裂紋的鑒鑒別與防止止產(chǎn)生裂紋紋的原則措措施1．塑性成成形件中裂裂紋的鑒別別鑒別裂紋形形成的原因因，應(yīng)首先先了解工藝藝過程，以以便找出裂裂紋形成的的客觀條件件其次應(yīng)當(dāng)觀觀察裂紋本本身的狀態(tài)態(tài)然后再進(jìn)行行必要的有有針對(duì)性的的顯微組織織分析、微微區(qū)成分分分析。對(duì)于產(chǎn)生龜龜裂的鍛件件，粗略地地分析可能能是：1）由于過過燒；2）由于易易熔金屬滲滲入基體金金屬（如銅銅滲入鋼中中）；3）應(yīng)力腐腐蝕裂紋；；4）鍛件表表面嚴(yán)重脫脫碳。這可以從工工藝過程調(diào)調(diào)查和組織織分析中進(jìn)進(jìn)一步判別別例如在加熱熱銅以后加加熱鋼料或或兩者混合合加熱或鋼鋼中含銅量量過高時(shí)，，則有可能能是銅脆。。從顯微組組織上，銅銅脆開裂在在晶界，且且能找到亮亮的銅網(wǎng)。。在單純過燒燒引起的晶晶界裂紋，，在晶界處處只能找到到氧化物。。應(yīng)力腐蝕開開裂是在酸酸洗后出現(xiàn)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)擴(kuò)展呈樹技技狀形態(tài)。。裂紋與折疊疊的鑒別：：可以從受力力及變形的的條件考察察，亦可從從低倍和高高倍組織來來區(qū)分。一般裂紋與與流線成一一定交角，，而折疊附附近的流線線與折疊方方向平行。。折疊的尾部部一般呈圓圓角，而裂裂紋通常是是尖的。由縮孔殘余余引起的裂裂紋通常是是粗大而不不規(guī)則的。。2．防止產(chǎn)產(chǎn)生裂紋的的原則措施施裂紋的產(chǎn)生生與材料的的塑性和受受力情況有有關(guān)。為防防止裂紋的的產(chǎn)生，總總的原則從從提高變形形體的塑性性入手。防防止產(chǎn)生裂裂紋的原則則措施從下下列因素來來考慮：l）增加靜靜水壓力。。2）對(duì)選擇擇和控制合合適的變形形溫度和變變形速度。。3）采用中中間退火，，以便消除除變形過程程中產(chǎn)生的的硬化、變變形不均勻勻、殘余應(yīng)應(yīng)力等。4）提高原原材料的質(zhì)質(zhì)量。三、塑性成成形件中裂裂紋分析實(shí)實(shí)例由某鋼廠供供應(yīng)的GH36合金金餅坯，加加熱后模鍛鍛成渦輪盤盤鍛件。經(jīng)經(jīng)機(jī)械加工工和腐蝕后后，發(fā)現(xiàn)表表面有許多多細(xì)小裂紋紋。質(zhì)量分析：：經(jīng)放大70倍檢查查，裂紋短短粗曲折。。高倍觀察，，發(fā)現(xiàn)裂紋紋有大量呈呈塊狀或條條狀分布的的夾雜物，，其中有的的呈灰白色色。因此可可判斷這種種裂紋屬夾夾雜裂紋。。這種非金屬屬夾雜物是是合金冶煉煉時(shí)帶來的的，它經(jīng)變變形拉長(zhǎng)，，模鍛時(shí)在在拉應(yīng)力作作用下沿夾夾雜與金屬屬結(jié)合面形形成裂紋，，熱處理后后進(jìn)一步擴(kuò)擴(kuò)大。改進(jìn)措施：：加強(qiáng)對(duì)原原材料檢查查；對(duì)餅坯坯進(jìn)行超聲聲波探傷檢檢查；提高高冶金質(zhì)量量。第三節(jié)塑性性成形件中中的晶粒度度一、晶粒度度的概念晶粒度是表表示金屬材材料晶粒大大小的程度度，它是由由單位面積積內(nèi)所包含含晶粒個(gè)數(shù)數(shù)來衡量，，也可用晶晶粒平均直直徑大小來來表示。為了比較晶晶粒的大小小，對(duì)各種種材料都制制定了晶粒粒度標(biāo)準(zhǔn)。。例如對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)鋼而言言，冶金部部規(guī)定了八八級(jí)晶粒度度標(biāo)準(zhǔn)（YB27－－64），，一般認(rèn)為為l－4級(jí)級(jí)為粗晶粒粒，5－8級(jí)為細(xì)晶晶粒。鋼的晶粒度度有兩種概概念鋼的奧氏體體本質(zhì)晶粒粒度:是將鋼加熱熱到930T，保溫溫適當(dāng)時(shí)間間，冷卻后后在室溫下下放大100倍觀察察到的晶粒粒大小。鋼的奧氏體體實(shí)際晶粒粒度:是指鋼加熱熱到某一溫溫度下獲得得的奧氏體體晶粒大小小。二、晶粒大大小對(duì)力學(xué)學(xué)性能的影影響晶粒大小對(duì)對(duì)金屬材料料或零件的的力學(xué)性能能及理化性性能帶來很很大影響。。所以在生產(chǎn)產(chǎn)實(shí)踐中往往往制定合合理的工藝藝規(guī)程來控控制晶粒的的大小。一般情況下下，晶粒細(xì)細(xì)化可以提提高金屬材材料的屈服服強(qiáng)度（σσs）、疲勞強(qiáng)強(qiáng)度（σ-1）、塑性（（δ、ψ））和沖擊韌韌度（ak。）降低鋼鋼的脆性轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變溫度。。因?yàn)榫ЯＴ皆郊?xì)，不同同取向的晶晶粒越多，，變形能較較均勻地分分散到各個(gè)個(gè)晶粒，即即可提高變變形的均勻勻性，同時(shí)時(shí)，晶界總總長(zhǎng)度越長(zhǎng)長(zhǎng)，位錯(cuò)移移動(dòng)時(shí)阻力力越大，所所以能提高高強(qiáng)度、塑塑性和韌性性。鋼的室溫強(qiáng)強(qiáng)度與晶粒粒平均直徑徑平方根的的倒數(shù)成線線關(guān)系，其其數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式為：σ=σ0＋kd-1/2式中σ——鋼的強(qiáng)強(qiáng)度（MPa）；σ0——常數(shù)，，相當(dāng)于鋼鋼單晶時(shí)的的強(qiáng)度；K——系系數(shù)；d——晶粒粒的平均直直徑（mrn）。三、影響晶晶粒大小的的主要因素素金屬經(jīng)熱變變形并經(jīng)熱熱處理后的的晶粒度，，取決于加加工再結(jié)晶晶、聚集再再結(jié)晶和相相變重結(jié)晶晶等過程。。在加工再結(jié)結(jié)晶過程中中，影響晶晶粒大小的的主要因素素是再結(jié)晶晶溫度、再再結(jié)晶核心心的形成和和再結(jié)晶速速度；而在聚集再再結(jié)晶過程程中，主要要因素是聚聚集再結(jié)晶晶速度和晶晶間物質(zhì)的的組成，晶晶間物質(zhì)對(duì)對(duì)聚集再結(jié)結(jié)晶的進(jìn)行行起機(jī)械阻阻礙作用。。對(duì)于熱加工工過程來說說，變形溫溫度、變形形程度和機(jī)機(jī)械阻礙物物是影響形形核速度和和長(zhǎng)大速度度的三個(gè)基基本參數(shù)。。下面就討討論這三個(gè)個(gè)基本參數(shù)數(shù)對(duì)晶粒大大小的影響響。1．加熱溫溫度加熱溫度包包括塑性變變形前的加加熱溫度和和固溶處理理時(shí)的加熱熱溫度。從熱力學(xué)條條件來看，，在一定體體積的金屬屬中，晶粒粒愈粗，則則其總的晶晶界表面積積就愈小，，總的表面面能也就愈愈低。由于于晶粒粗化化可以減少少表面能，，使金屬處處于自由能能較低的穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)，，因此，晶晶粒長(zhǎng)大是是一種自發(fā)發(fā)的變化趨趨勢(shì)，即細(xì)細(xì)晶粒有自自發(fā)變?yōu)榇执志Я５内呞呄?。晶粒長(zhǎng)大主主要通過晶晶界遷移的的方式進(jìn)行行的，即大大晶粒并吞吞小晶粒。。要實(shí)現(xiàn)這這種變化過過程，需要要原子有強(qiáng)強(qiáng)大的擴(kuò)散散能力，以以完成晶粒粒長(zhǎng)大時(shí)晶晶界的遷移移運(yùn)動(dòng)。溫度對(duì)原子子的擴(kuò)散能能力有重要要的影響。。隨著加熱熱溫度升高高，原子（（特別是晶晶界的原子子）的移動(dòng)動(dòng)、擴(kuò)散能能力不斷增增加，晶粒粒之間并吞吞速度加劇劇，晶粒的的這種長(zhǎng)大大可以在很很短的時(shí)間間內(nèi)完成。。所以，晶晶粒隨著溫溫度升高而而長(zhǎng)大是一一種必然現(xiàn)現(xiàn)象。2．變形程程度金屬材料經(jīng)經(jīng)塑性變形形后，其內(nèi)內(nèi)部的晶粒粒受到不同同程度的變變形和破碎碎，隨著變變形程度的的增加，晶晶粒的變形形和破碎程程度也越嚴(yán)嚴(yán)重，最后后完全見不不到完整的的晶粒而成成為纖維狀狀組織。若將經(jīng)過不不同程度冷冷變形的金金屬，加熱熱到再結(jié)晶晶溫度以上上，讓其產(chǎn)產(chǎn)生再結(jié)晶晶，那么再再結(jié)晶后所所得到的晶晶粒大小與與變形程度度之間存在在一定的關(guān)關(guān)系。在一定溫度度下，熱變變形的晶粒粒大小與變變形程度之之間的關(guān)系系，隨著變變形程度從從小到大，，晶粒大小小有兩個(gè)峰峰值，即出出現(xiàn)兩個(gè)大大晶粒區(qū)。。第一個(gè)大大晶粒區(qū)，，叫做臨界界變形區(qū)。。在沒有同素素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變和有同素素異構(gòu)轉(zhuǎn)變變的合金中中，一般都都存在臨界界變形區(qū)。。在此臨界界變形范圍圍內(nèi)，合金金容易出現(xiàn)現(xiàn)粗晶。不不同材料，，出現(xiàn)臨界界變形區(qū)的的值大小也也不同。臨界變形區(qū)區(qū)是屬于一一種小變形形量范圍。。因?yàn)槠渥冏冃瘟啃?，，金屬?nèi)部部只是局部部地區(qū)受到到變形。再再結(jié)晶時(shí)這這些受到變變形的局部部地區(qū)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生再結(jié)晶晶核心，由由于產(chǎn)生的的核心數(shù)目目不多，這這些為數(shù)不不多的核心心已將不斷斷長(zhǎng)大直到到它們互相相接觸，結(jié)結(jié)果獲得了了粗大晶粒粒。當(dāng)變形量大大于臨界變變形程度時(shí)時(shí)，金屬內(nèi)內(nèi)部均產(chǎn)生生了較大的的塑性變形形，由于具具有了較高高的畸變能能，因而再再結(jié)晶時(shí)能能同時(shí)形成成較多的再再結(jié)晶核心心，這些核核心稍一長(zhǎng)長(zhǎng)大就相互互接觸了，，所以再結(jié)結(jié)晶后獲得得了細(xì)晶粒粒。當(dāng)變形量足足夠大時(shí)，，出現(xiàn)第二二個(gè)大晶粒粒區(qū)。該區(qū)區(qū)的粗大晶晶粒與臨界界變形時(shí)所所產(chǎn)生的大大晶粒不同同。一般認(rèn)認(rèn)為，該區(qū)區(qū)是在變形形時(shí)先形成成變形織構(gòu)構(gòu)，經(jīng)再結(jié)結(jié)晶后形成成了織構(gòu)大大晶粒所致致。關(guān)于第二峰峰值出現(xiàn)大大晶粒的原原因還可能能是：l）由于變變形程度大大（大于90％以上上），內(nèi)部部產(chǎn)生很大大熱效應(yīng)，，引起鍛件件實(shí)際變形形溫度大幅幅度升高；；2）由于變變形程度大大，使那些些沿晶界分分布的雜質(zhì)質(zhì)破碎并分分散，造成成變形的晶晶粒與晶粒粒之間局部部地區(qū)直接接接觸（與與織構(gòu)的區(qū)區(qū)別在于這這時(shí)互相接接觸的晶粒粒位向差可可以是比較較大的），，從而促使使形成大晶晶粒。3．機(jī)械阻阻礙物一般來說，，金屬的晶晶粒隨著溫溫度的升高高而不斷長(zhǎng)長(zhǎng)大。但有有時(shí)加熱到到較高溫度度時(shí)，晶粒粒仍很細(xì)小小，可以說說沒有長(zhǎng)大大。而當(dāng)溫溫度再升高高一些時(shí)，，晶粒突然然長(zhǎng)大。有有些材料隨隨加熱溫度度升高，晶晶粒分階段段突然長(zhǎng)大大，而不是是隨溫度升升高成直線線關(guān)系長(zhǎng)大大。這是由于金金屬材料中中存在機(jī)械械阻礙物，，對(duì)晶界有有針和作用用，阻止晶晶界遷移的的緣故。機(jī)械阻礙物物在鋼中可可以是：氧化物（如如AIO3等）氮化物（如如AlN、、TiN等等）碳化物（如如VC．．TiC等）在鋁合金中中可以是Mn、Ti、Fe等元素及及其化合物物。機(jī)械阻礙物物的存在形形式分兩類類：一類是鋼在在冶煉凝固固時(shí)從液相相中直接析析出的，顆顆粒比較大大，成偏析析或統(tǒng)計(jì)分分布；另一類是鋼鋼凝固后，，在繼續(xù)冷冷卻過程中中從奧氏體體晶粒內(nèi)析析出的，顆顆粒十分細(xì)細(xì)小，分布布在晶界上上。這二類物質(zhì)質(zhì)都起機(jī)械械阻礙作用用，但后一一類要比前前一類的阻阻礙作用大大得多。機(jī)械阻礙物物一旦溶入入晶內(nèi)時(shí)，，晶界上就就不存在機(jī)機(jī)械阻礙作作用了，晶晶粒便可立立即長(zhǎng)大到到與其所處處溫度對(duì)應(yīng)應(yīng)的尺寸大大小。由于這些機(jī)機(jī)械阻礙物物質(zhì)溶入奧奧氏體晶粒粒內(nèi)時(shí)的溫溫度有高有有低，存在在鋼內(nèi)的數(shù)數(shù)量有多有有少，種類類可能是這這一種或是是幾種同時(shí)時(shí)存在，這這樣使晶粒粒突然長(zhǎng)大大的溫度與與程度就有有所不同。。第二相圖溶溶體也可以以起機(jī)械阻阻礙作用，，阻止晶粒粒長(zhǎng)大。例例如，一些些鐵素體型型不銹鋼，，特別是高高鉻類型的的不銹鋼，，加入少量量鎳或錳，，能形成少少量奧氏體體涸溶體，，能使作為為基體的鐵鐵素體晶粒粒不易長(zhǎng)大大，從而提提高了材料料的韌性。。對(duì)晶粒度的的影響，除除以上三個(gè)個(gè)基本因素素外還有變形速速度、原始始晶粒度和和化學(xué)成分分等。四、細(xì)化晶晶粒的主要要途徑（l）在原原材料冶煉煉時(shí)加入一一些合金元元素（如鉭、鍺鍺、鑰、鎢鎢、釩、鈦鈦等）及最最終采用鋁鋁、鈦等作作脫氧劑它它們的細(xì)化化作用主要要在于：當(dāng)當(dāng)液態(tài)金屬屬凝固時(shí)，，那些高熔熔點(diǎn)化合物物起彌散的的結(jié)晶核心心作用，從從而保證獲獲得極細(xì)晶晶粒。此外外，這些化化合物同時(shí)時(shí)又都起到到機(jī)械阻礙礙作用，使使已形成的的細(xì)晶粒不不易長(zhǎng)大。。（2）采用用適當(dāng)?shù)淖冏冃纬潭群秃妥冃螠囟榷仍谠O(shè)計(jì)模具具和選擇坯坯料形狀、、尺寸時(shí)，，既要使變變形量大于于臨界變形形程度，又又要避免出出現(xiàn)因變形形程度過大大而引起的的激烈變形形區(qū)，并且且模鍛時(shí)應(yīng)應(yīng)采用良好好的潤(rùn)滑劑劑，以改善善金屬的流流動(dòng)條件，，獲得均勻勻變形。鍛鍛件的晶粒粒度主要取取決于終鍛鍛溫度下的的變形程度度。另外外，有些材材料變形后后晶粒尚未未來得及長(zhǎng)長(zhǎng)大時(shí)馬上上就快冷，，也可以得得到細(xì)晶粒粒。（3）采用用鍛后正火火（或退火火）等相變變重結(jié)晶的的方法必要時(shí)利用用奧氏體再再結(jié)晶規(guī)律律進(jìn)行高溫溫正火來細(xì)細(xì)化晶粒。。五、鍛件粗粗晶分析實(shí)實(shí)例坯料為4Cr14Nil4W2Mo4，φ60熱軋棒材材，經(jīng)鍛成成42mm方料后，，下料為42mmx42mmx75mm坯料料，在自由由鍛錘上鍛鍛成如圖所所示的排氣氣閥鍛件。。鍛造工藝為為：第一火火，將42mmx42mmx75mm坯料倒倒棱、摔頭頭部、摔桿桿；第二火火，胎模壓壓盤成形頭頭部。經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脖脖部出現(xiàn)低低倍粗晶，，經(jīng)高倍檢檢查，晶粒粒度為1級(jí)級(jí)而閥盤部部位為7級(jí)級(jí)細(xì)晶粒