鍛造和熱處理過(guò)程中裂紋形成原因分析

盛志敬 杜水明 何鑫 張洞川

摘要：裂紋的出現(xiàn)是極其常見(jiàn)的，裂紋出現(xiàn)的過(guò)程往往是在鍛造和熱處理的過(guò)程中。鍛造裂紋往往出現(xiàn)于高溫，在鍛造時(shí)出現(xiàn)的裂縫擴(kuò)大而且接觸空氣，在裂縫內(nèi)形成氧化皮。由這種氧化皮構(gòu)成的裂紋，不僅粗大而且是多條形狀的，裂縫的兩端無(wú)系，尖端是比較圓潤(rùn)的。這處理的裂紋與鍛造裂紋在形狀與性質(zhì)上不同，熱處理裂紋的出現(xiàn)是因?yàn)榧訜徇^(guò)程中構(gòu)件兒開(kāi)地，然后導(dǎo)致裂紋鹽晶體方向脫碳，最終構(gòu)建的組織腰比鍛造裂紋粗大。這樣的情況尤其出現(xiàn)在一些形狀復(fù)雜的零件與工具中。在本文中作者進(jìn)行了大量裂紋式樣的收集，進(jìn)行出現(xiàn)裂紋原因的分析與總結(jié)歸納。最終把裂紋分為了三類(lèi)。

關(guān)鍵詞：鍛造;熱處理;晶相分析;裂紋形成原因

0? 引言

在進(jìn)行鍛造與熱處理的過(guò)程中，裂紋的出現(xiàn)是很常見(jiàn)的事情，在所有的鍛造與熱處理的過(guò)程中，不可能不出現(xiàn)裂紋。這就讓裂紋在鍛造這個(gè)行業(yè)中成為了一種討論的焦點(diǎn)。構(gòu)件的尺寸大小，材質(zhì)質(zhì)地的不同，裂紋的出現(xiàn)幾率也不同，裂紋的出現(xiàn)種類(lèi)不同，裂紋出現(xiàn)的形狀不同。在本文中主要進(jìn)行鍛造和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行研究。在本文中通過(guò)大量對(duì)資料的收集進(jìn)行了產(chǎn)生裂紋原因的闡述，也進(jìn)行了防止裂紋產(chǎn)生舉措的提出，對(duì)于減少構(gòu)件在鍛造和熱處理的過(guò)程中出現(xiàn)裂紋帶來(lái)了很大的幫助。

1? 鍛造缺陷與熱處理缺陷

1.1 過(guò)熱、過(guò)燒

主要特征是晶粒粗大，有明顯的魏氏組織。出現(xiàn)過(guò)燒說(shuō)明加熱溫度高、斷口晶粒粗大，凹凸不平，無(wú)金屬光澤，晶界周?chē)醒趸撎棘F(xiàn)象。

1.2 鍛造裂紋

常產(chǎn)生于組織粗大，應(yīng)力集中處或合金元素偏析處，裂紋內(nèi)部常充滿氧化皮。鍛造溫度高，或者終端溫度低，都容易產(chǎn)生裂紋。還有一種裂紋是鍛造后噴水冷卻后形成的。

1.3 折疊

沖孔、切料、刀板磨損、鍛造粗糙等原因造成了表面缺陷，在后續(xù)鍛造時(shí)，將表面氧化皮等缺陷卷入鍛件本體內(nèi)而形成折縫。在顯微鏡上觀察時(shí)，可發(fā)現(xiàn)折疊周?chē)忻黠@脫碳。

1.4 淬裂

其特點(diǎn)是剛健挺直，呈穿晶分布，起始點(diǎn)較寬，尾部細(xì)長(zhǎng)曲折。此種裂紋多產(chǎn)生于馬氏體轉(zhuǎn)變之后，故裂紋周?chē)娘@微組織與其它區(qū)域無(wú)明顯區(qū)別，也無(wú)脫碳現(xiàn)象。

1.5 軟點(diǎn)

顯微組織有塊狀或網(wǎng)狀屈氏體和未溶鐵素體等。加熱不足，保溫時(shí)間不夠，冷卻不均勻都會(huì)產(chǎn)生軟點(diǎn)。

2? 實(shí)驗(yàn)方法

在本文中的實(shí)驗(yàn)，采取了對(duì)鍛造和熱處理出現(xiàn)的裂紋范圍劃定。在裂紋出現(xiàn)的范圍內(nèi)，采取裂紋鄰近部位的顯微組織，利用儀器進(jìn)行晶相分析。這樣的實(shí)驗(yàn)方式可以讓裂紋形成的內(nèi)在原因通過(guò)機(jī)器進(jìn)行分析，以數(shù)據(jù)的方式來(lái)進(jìn)行裂縫產(chǎn)生原因的表述，這樣的數(shù)據(jù)也是對(duì)裂紋進(jìn)行鑒別的重要的依據(jù)。在本次的實(shí)驗(yàn)中，采取了桿類(lèi)件作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，在采取裂紋附近部位的顯微組織進(jìn)行晶相分析。

2.1 試樣制備和宏觀觀察

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的第一步，只要對(duì)選取的桿類(lèi)件毛坯的裂紋進(jìn)行宏觀觀察，在觀察的過(guò)程中，選定要實(shí)驗(yàn)的區(qū)域。下一步就是使用手鋸將所選取的區(qū)域進(jìn)行切割，切割的方向要垂直于鏡像，且長(zhǎng)度小于十毫米。取樣的方式可以不同，但一定要選取好截取樣品時(shí)的溫度與環(huán)境。如果試件溫度過(guò)高時(shí)，可以使用涼水進(jìn)行試件的冷卻，這樣的方式就可以避免再采取試件樣本時(shí)，由于過(guò)熱的溫度，將事件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。

2.2 試件研磨拋光后晶相分析

先將試件放置在粗砂輪兒上磨平，最終達(dá)到磨痕均勻一致的地步。第二步是將試件放置在細(xì)沙輪上，在細(xì)沙輪上繼續(xù)磨，在細(xì)砂輪上磨制時(shí)，要用冷水不斷的進(jìn)行試件的冷卻，在這樣的情況下，試件就不會(huì)因?yàn)槟Σ廉a(chǎn)生熱量，而讓自身的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化。在經(jīng)過(guò)兩次砂輪機(jī)的磨制后，試件進(jìn)行洗凈，吹干處理。然后對(duì)比裂縫的大小進(jìn)行試件的排列，然后將各個(gè)試件按照由粗到細(xì)的順序，在砂紙上進(jìn)行摩擦制樣，所選取砂紙的順序也要由粗砂紙到細(xì)砂紙。最終經(jīng)過(guò)兩次砂紙的磨砂，第二次磨砂的角度要與第一次磨砂的角度相互垂直。當(dāng)試件經(jīng)過(guò)兩次磨砂后，要放在拋光機(jī)上進(jìn)行第一次粗拋光，粗拋光的材料可以選擇細(xì)絨布。之后再進(jìn)行第二次細(xì)拋光，拋光停止時(shí)應(yīng)保證試件的磨痕已經(jīng)全部消除，并且經(jīng)過(guò)拋光的位置顯示為鏡面。

2.3 硝酸酒精分析后晶象分析

將經(jīng)過(guò)摩砂與拋光后的試件放置在硝酸酒精溶液中，硝酸酒精的濃度為百分之五。將試件放置在硝酸酒精溶液后，要將試件在硝酸酒精溶液中輕微移動(dòng)，在移動(dòng)的過(guò)程中，保證鏡面不與器皿底部相接觸。試件放置在硝酸酒精溶液中的時(shí)間要根據(jù)試件的金屬特性檢驗(yàn)的目的來(lái)確定。最終試件從硝酸酒精溶液中拿出，達(dá)到的效果應(yīng)該是可以在顯微鏡下顯現(xiàn)出清晰金屬組織。當(dāng)將試件取出后應(yīng)該用水迅速的進(jìn)行沖洗，之后在表面涂抹酒精，最后使用吹風(fēng)機(jī)吹干。

3? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在經(jīng)過(guò)對(duì)多種試件進(jìn)行分析的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)所得到數(shù)據(jù)的對(duì)比整理分析后，最終把試件可能得出的裂縫分為三類(lèi)。接下來(lái)的分析由這三類(lèi)分別進(jìn)行敘述。

3.1 鍛造裂紋形成原因分析

對(duì)于鍛造裂紋來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)的原因是不同的，多種多樣的出現(xiàn)原因是因?yàn)殄懺斓牟牧隙喾N多樣。在本次的研究中發(fā)現(xiàn)，鍛造裂紋可以分為由鍛造材料缺陷引起的鍛造裂紋與鍛造方法不當(dāng)引起的鍛造裂紋。在選取某一金屬桿件后發(fā)現(xiàn)，這一金屬桿的表面有一縱向裂紋，裂紋的寬度在2.5毫米左右，裂紋的深度約為十毫米，在裂紋中有大量的氧化皮，在進(jìn)行試件的打磨拋光處理后，發(fā)現(xiàn)在裂縫中有很多灰黑色氧化物，在裂縫的兩側(cè)的氧化物形狀為顆粒狀與塊裝的氧化物和空洞。在進(jìn)行試件的仔細(xì)觀察后，可以發(fā)現(xiàn)裂紋的兩側(cè)脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，裂縫的尾端由于細(xì)小，所以沒(méi)有脫碳現(xiàn)象，與試件的本身是相同的。在這樣的情況下，可以斷定裂紋的出現(xiàn)是在熱處理之前，出現(xiàn)的原因則是裂紋的試件中含有大量非金屬雜質(zhì)，而細(xì)小的裂紋出現(xiàn)是由于非金屬材質(zhì)的擴(kuò)張。又選取另一試件進(jìn)行分析，此試件上有一垂直于試件制備的裂紋，裂紋的深度約1毫米，裂紋內(nèi)有一些灰黑色氧化物，裂紋的兩側(cè)有物狀顆粒氧化物，晶界有氧化現(xiàn)象。當(dāng)試件放入硝酸酒精溶液后，裂紋兩側(cè)出現(xiàn)了脫碳。這樣的情況就表明裂紋的出現(xiàn)是熱處理之前由于過(guò)燒引起的鍛造裂紋。

3.2 折疊裂紋形成原因

折疊的變化使金屬流變過(guò)程中已經(jīng)氧化的表面金屬進(jìn)行匯合，最終形成的現(xiàn)象。而金屬流變的折疊，往往與周?chē)牧骶€是同一方向，而在裂紋的尾端，往往是一個(gè)小圓。根據(jù)大量折疊現(xiàn)象的裂紋及其材料的特性進(jìn)行研究，就可以將折疊性裂紋進(jìn)行分類(lèi)。第一種裂紋的形成是因?yàn)樵牧系膯?wèn)題，如果原材料的表面不平整，在進(jìn)行鍛造時(shí)，由于金屬的流動(dòng)，就很可能形成折疊。第二種折疊是因?yàn)榉戒撆呃饨潜粔?，部分已?jīng)出現(xiàn)塌陷而形成折疊。形成折疊性裂縫的原因，還有鍛造的問(wèn)題。在鍛造時(shí)，所選鍛錘的邊緣圓角小，就很容易出現(xiàn)折疊的現(xiàn)象。選取某一方鋼胚，在此方鋼胚上有一條長(zhǎng)約4cm的縱向裂紋，裂紋的表面呈四十度角進(jìn)行擴(kuò)張，在經(jīng)過(guò)磨砂與拋光處理后，裂紋的兩側(cè)有黑色顆粒狀氧化物，經(jīng)過(guò)硝酸酒精溶液的侵蝕后，可以發(fā)現(xiàn)沿著裂縫的兩側(cè)為脫碳層，在這樣的情況下，就可以判斷為此種裂縫的出現(xiàn)為折疊裂縫。

3.3 熱處理過(guò)程中的裂紋分析

在熱處理的過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋往往是淬火裂紋，淬火裂紋的分布是極其沒(méi)有規(guī)律的。而且淬火裂紋的出現(xiàn)則是出現(xiàn)在零件的草口截面突變處，孔洞邊緣以及刀痕上。淬火裂紋的形狀則是瘦而長(zhǎng)的曲線。選取一出現(xiàn)淬火裂紋的桿件，桿件表面有一縱向裂紋，深度約70mm。裂紋的形狀向外擴(kuò)張，但內(nèi)部間由上往下擴(kuò)張。在裂紋頭部有一些灰色氧化物試件中，沒(méi)有嚴(yán)重的非金屬雜質(zhì)。在經(jīng)過(guò)硝酸酒精溶液的侵蝕后，裂紋的頭部沒(méi)有出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。這樣的情況下就可以判斷試件沒(méi)有冶金缺陷，而此裂紋為淬火裂紋。所選取的桿件淬透性好，桿件所留取的應(yīng)立為組織型殘余應(yīng)力，最終讓試件受拉，導(dǎo)致桿件開(kāi)裂。某桿件表面產(chǎn)生淬火裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋的出現(xiàn)在熱處理之后。選取裂紋的位置進(jìn)行試樣的截取，之后將截取的部分進(jìn)行晶相檢驗(yàn)。進(jìn)行宏觀觀察后可以發(fā)現(xiàn)裂紋的出現(xiàn)，再變截面上由外向內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)張。裂紋的形狀為直線，深約40mm，厚度已經(jīng)將試件貫穿。在裂紋的頭部和尾部有灰黑色氧化物，經(jīng)過(guò)硝酸酒精的侵泡后，黑灰色氧化物出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。但裂紋周?chē)鷽](méi)有非金屬雜質(zhì)說(shuō)明材料本身很好，真的原因可能是該試件的直角尖銳造成了集中應(yīng)力。

4? 結(jié)束語(yǔ)

最終的結(jié)論就是非金屬物夾雜在試件中會(huì)造成鍛造裂紋。在鍛造時(shí)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍛造裂紋。方鋼胚的棱角邊緣，它會(huì)形成折疊裂紋。淬透性高的試件，在淬火時(shí)如果冷卻速度快，會(huì)形成淬火裂紋。

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