鍛造失效分析及修復(fù)

摘 要：鍛造是工業(yè)生產(chǎn)的重要一環(huán)，其鍛件質(zhì)量的好壞對(duì)于后續(xù)加工質(zhì)量有著直接的影響。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及工業(yè)需求的不斷加大，對(duì)于高質(zhì)量、低成本的鍛件的需求在不斷的增加，在對(duì)鋼錠的性能進(jìn)行分析并在此基礎(chǔ)上制定出合理的鍛造工藝以提高鍛件的質(zhì)量是現(xiàn)今乃至今后一段時(shí)間鍛造企業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。文章將在分析鍛造工藝分類的基礎(chǔ)上對(duì)鍛造過(guò)程中容易產(chǎn)生的失效模式進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：鍛造；工藝分類；失效分析；應(yīng)對(duì)措施

前言

鍛造是通過(guò)利用鍛壓機(jī)械來(lái)對(duì)鋼錠進(jìn)行擠壓等機(jī)械作用使其產(chǎn)生一定的塑形變形從而獲得所需要的金屬機(jī)械性能的一種加工工藝，其中大型鍛件在大型機(jī)械、航空、航天、航海等都有著重要的應(yīng)用。鍛件質(zhì)量的好壞對(duì)于鍛件的機(jī)械性能有著極為重要的影響，需要根據(jù)不同的鍛件的材料性能選擇合適的鍛造工藝，在確保鍛件質(zhì)量的同時(shí)降低鍛件的成本是鍛造企業(yè)的重要目標(biāo)。

1 鍛造的分類與應(yīng)用

鍛造主要是利用鍛壓機(jī)械對(duì)鋼錠等進(jìn)行擠壓以使其金屬性能得到加強(qiáng)并同時(shí)形成后續(xù)加工所需要的形狀和尺寸的一種加工工藝。鍛造是機(jī)械加工制造的基礎(chǔ)工序，其鍛造質(zhì)量的好壞對(duì)于機(jī)械加工后的工件的性能有著極為重要的影響。在對(duì)鋼錠的鍛造過(guò)程中可以有效的對(duì)鋼錠中的金屬鑄態(tài)疏松、焊合孔洞等予以消除，從而使得鍛造后的鍛件性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同材質(zhì)的鑄件。根據(jù)鍛造加工時(shí)的加工溫度的不同可以將鍛造分為冷鍛和熱鍛兩種不同的鍛造類型，其中冷鍛指的是對(duì)于鋼錠的加工處于室溫下進(jìn)行的，而熱鍛則指的是對(duì)加熱后的鋼錠進(jìn)行鍛造加工，加熱的溫度不超過(guò)鋼錠的再結(jié)晶溫度。根據(jù)鋼錠不同的成形方法可以將鍛造分為自由鍛、模鍛等多種不同的鍛造形式，其中，鋼料等在鍛壓時(shí)沒(méi)有其他外力限制的被稱為自由鍛，而其他的鍛造形式在鍛造的過(guò)程中會(huì)受到模具的限制，因此又多被稱為閉式鍛造。在鍛造的過(guò)程中主要使用過(guò)碳素鋼或是合金鋼作為主要的鍛材，此外可以使用鎂、鋁、銅、鈦等的合金來(lái)作為鍛造的材料。

在鍛造的過(guò)程中需要根據(jù)鍛材的力學(xué)性能以及需要得到的鍛件形狀等選擇合理的鍛造工藝。不同的鍛造方法有著不同的鍛造流程，在這些鍛造方法中以熱模鍛的工藝流程最長(zhǎng)也最為繁瑣。在鍛造的過(guò)程中，鋼錠等材料會(huì)產(chǎn)生明顯的塑形變性從而產(chǎn)生所需要的力學(xué)性能或是鋼材形狀。

2 鍛造失效模式分析

在鍛造的過(guò)程中由于鍛造工藝不當(dāng)會(huì)使得鍛件產(chǎn)生以下類型的缺陷：（1）鍛件的金相中形成大晶粒。在鍛件中形成大晶粒多是由于始鍛造時(shí)溫度過(guò)高和鍛造壓力不足所造成的，鍛壓壓力低會(huì)使得鍛件的變形程度較低而溫度較高則會(huì)使得終鍛溫度超出鍛件的承受范圍，根據(jù)鍛件材質(zhì)的不同其變形能力與鍛造時(shí)的溫度要求也不盡相同。鋁合金在鍛造變形的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大程度的變形從而形成相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)。而高溫合金在鍛造時(shí)如加熱溫度不到位將會(huì)在鍛件中形成混合變形組織從而產(chǎn)生粗大的晶粒組織結(jié)構(gòu)。鍛件中形成粗大晶粒將會(huì)使得鍛件的力學(xué)、物理性能大幅下降。（2）鍛件中的金屬晶粒不均勻。造成這一鍛造缺陷的主要原因是由于鋼錠在鍛造的過(guò)程中各處所受到的力不均勻從而產(chǎn)生不均勻的變形。鍛件晶粒的不均勻?qū)?huì)使得鍛件的使用性能與金屬抗疲勞特性都大幅下降。（3）冷硬現(xiàn)象。在鍛造時(shí)由于溫度較低或是鍛件的變形速度過(guò)快使得鍛件快速冷卻從而在鍛件內(nèi)形成再結(jié)晶現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會(huì)在鍛件的內(nèi)部形成一定的冷變形組織，這種組織的存在雖然提高了鍛件的強(qiáng)度和硬度，但是對(duì)于鍛件的塑性和韌性的影響較大，不利于鍛件的后續(xù)機(jī)械加工。（4）鍛造時(shí)鍛件產(chǎn)生裂縫，造成這一失效缺陷的主要原因是由于在鍛造的過(guò)程鋼錠承受了較大的拉應(yīng)力、切應(yīng)力或是其他應(yīng)力所造成的。其中，鍛造所鍛件所產(chǎn)生的裂紋通常發(fā)生在鋼件的應(yīng)力集中的位置。當(dāng)鍛件中存在組織缺陷或是熱鍛時(shí)工作溫度不當(dāng)都會(huì)使得鋼錠的塑形性能大幅下降從而極易產(chǎn)生裂縫從而影響鍛件的使用性能。（5）鍛件表面龜裂，在鍛造的過(guò)程中鍛件在鍛壓成形的過(guò)程中由于受到拉應(yīng)力容易在鍛件表面形成龜裂缺陷，造成這一缺陷的原因是多方面的，如鍛件中含有較多的Cu、Sn等，在熱鍛過(guò)程中會(huì)由于鍛件的長(zhǎng)時(shí)間加熱而導(dǎo)致Cu、Sn的析出或是表面晶粒的粗大等從而使得鍛件的性能下降，并在表面產(chǎn)生龜裂缺陷。（6）飛邊裂紋主要指的是在模鍛及切邊時(shí)在分模面處所產(chǎn)生的裂紋。造成這一裂紋產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn)：a.在模鍛的過(guò)程中鍛件所承受的擠壓力超出鍛件所能承受的極限從而使得鍛件的金屬產(chǎn)生嚴(yán)重的穿筋問(wèn)題。b.在對(duì)鎂合金進(jìn)行模鍛時(shí)由于切邊溫度較低會(huì)在鍛件的模變產(chǎn)生飛邊裂紋現(xiàn)象。（7）分模面裂紋則是由于在鋼錠中含有較多的非金屬雜質(zhì)從而使得在鍛造的過(guò)程中由于鍛壓的眼里使得分模面流動(dòng)與集中或是縮管參與在模鍛是進(jìn)入飛邊后所形成的分模面裂紋的存在會(huì)影響鍛件的使用性能。

3 鍛件缺陷修復(fù)

在鍛件的生產(chǎn)過(guò)程中如鍛件在再結(jié)晶溫度以上則鍛件的內(nèi)部所產(chǎn)生的裂紋在拓展的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的自我修復(fù)，在現(xiàn)今對(duì)于鍛造缺陷多使用的是常溫大變形量“鍛合”的方式來(lái)對(duì)鍛件的缺陷進(jìn)行修復(fù)。在鍛件的修復(fù)過(guò)程中溫度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，溫度越高材料中的原子擴(kuò)散遷移的活性越大則鍛件中的缺陷更容易得到修復(fù)從而使得鍛件中的孔隙性缺陷能夠在短時(shí)間內(nèi)得到“鍛合”，但是如加熱的溫度過(guò)高將會(huì)使得鍛件出現(xiàn)晶粒化過(guò)大的缺陷影響鍛件的材料性能，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，當(dāng)鍛件加熱到900℃時(shí)鍛件中的孔隙性缺陷盡管得到了一定的修復(fù)但是修復(fù)并不完全。當(dāng)將鍛件的溫度加熱到1000℃時(shí)鍛件中的孔隙性缺陷得到了極大的修復(fù)。在溫度升高修復(fù)孔隙性缺陷的同時(shí)，在鍛件中的原孔隙性缺陷的組織將會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶，并在孔隙性缺陷修復(fù)的過(guò)程中出現(xiàn)了過(guò)渡區(qū)，同時(shí)隨著鍛件保溫時(shí)間的延長(zhǎng)在鍛件缺陷區(qū)域所形成的新晶體組織將逐漸向基體組織進(jìn)行轉(zhuǎn)變。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)變后的組織進(jìn)行顯微觀察可以發(fā)現(xiàn)，鍛件中的孔隙性缺陷經(jīng)過(guò)修復(fù)正火后的組織與基體組織基本一致，都是鐵素體和珠光體的混合組織，因此，對(duì)于鍛件鍛造過(guò)程中所出現(xiàn)的孔隙性缺陷如采用合適的修復(fù)工藝則可以在完成對(duì)于鍛件修復(fù)的同時(shí)確保鍛件的材料性能。同時(shí)在對(duì)鍛件的孔隙性缺陷修復(fù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一定量的塑形變形對(duì)于缺陷的修復(fù)是有利的，在鍛件修復(fù)的過(guò)程中，盡管無(wú)變形量也能實(shí)現(xiàn)缺陷的自修復(fù)，但是自修復(fù)后仍存在有少量塑形變形的試件差。

通過(guò)大量的試驗(yàn)表明，在鍛件孔隙性缺陷的自我修復(fù)過(guò)程中高溫?cái)U(kuò)散是其中的重要原因。同時(shí)冷變形在孔隙性缺陷的修復(fù)中隨著變形量的增加使得孔隙性缺陷的間距縮小減小了原子間的遷移距離，從而有利于在鍛件的孔隙性缺陷位置形成再結(jié)晶。冷變形在鍛件孔隙性缺陷的修復(fù)過(guò)程中對(duì)于一些缺陷較大且應(yīng)力狀態(tài)不佳的鍛件有著極為重要的影響。

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于鍛件在鍛造過(guò)程中所出現(xiàn)的孔隙性缺陷可以在高溫下進(jìn)行一定的自修復(fù)，對(duì)于鍛件的自修復(fù)其主要是通過(guò)再結(jié)晶使得孔隙性缺陷的孔隙得以減小并最終在高溫下得以鍵合。

4 結(jié)束語(yǔ)

鍛造在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著重要的地位，其鍛造質(zhì)量的好壞對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用。文章在分析鍛造工藝及分類的基礎(chǔ)上對(duì)鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的孔隙缺陷的修復(fù)進(jìn)行了分析闡述.

參考文獻(xiàn)

[1]周志明，唐麗文，陳元芳，等.高強(qiáng)度鋁青銅合金鍛造失效分析[J].鍛壓技術(shù)，2010，35（1）：9-11.

[2]婁路亮，李付國(guó).鍛造模具的隨機(jī)疲勞損傷分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2002，24（1）：104-108.

[3]付饒，杜風(fēng)貞，武志勇.大型鍛造法蘭脆性開(kāi)裂原因分析[J].失效分析與預(yù)防，2012，7（4）：257-261.