1、鍛造裂紋裂紋是鍛壓生產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）中裂紋的產生與受力情況、變形金屬的組織結構、變形溫度和變形速度等有關。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力、由溫度不均勻引起的熱應力和由組織轉變不同時進行而產生的組織應力。應力狀態、變形溫度和變形速度是裂紋產生和擴展的外部條件；金屬的組織結構是裂紋產生和擴展的內部依據。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生和擴展發生作用的。全面分析裂紋的成因應當綜合地進行力學和組織的分析。（一）形成裂紋的力學分析在外力作用下物體內

2、各點處于一定應力狀態，在不同的方位將作用不同的正應力及切應力。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力或最大切應變；另一種是正斷，斷裂面垂直于最大正應力或正應變方向。點剪應力之比值。也與材料所能承受由于最大正應力與切應力之比”提剪斷45°方向開裂。由于斷面形狀突然變化或至于材料產生何種破壞形式，主要取決于應力狀態，即正應力的極限變形程度emaXYmsa關。例如，對于塑性材料的扭轉,破壞；對于低塑性材料，由于不能承受大的拉應變，扭轉時產生試件上有尖銳缺口，將引起應力集中，應力的比值b盾很大變化，例如帶缺口試件拉伸尸退時多發生正斷。下面分析不同外力引起開裂的情況。1 .由

3、外力直接引起的裂紋壓力加工生產中，在下列一些情況，由外力作用可能引起裂紋：彎曲和校直、脆性材料徽粗、沖頭擴孔、扭轉、拉拔、拉伸、脹形和內翻邊等，現結合幾個工序說明如下。彎曲件在校正工序中（見圖3-34）由于一側受拉應力常易引起開裂。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，沿窄邊壓縮時易產生彎曲，當彎曲比較嚴重，隨后校正時常常開裂。徽粗時軸向雖受壓應力，但與軸線成45方向有最大剪應力。低塑性材料鍛粗時常易產生近45。方向的斜裂（見圖片8-355）。塑性好的材料鍛粗時則產生縱裂，這主要是附加應力引起的。工件的幾何形狀對應力分布有明顯影響。例如，拉伸試棒在縮頸形成前各處可以視為受均勻

4、的單向拉應力，一旦形成縮頸后，縮頸表面就受三向拉應力；鍛粗時也有類似的情況，只是應力的符號相反。工件在冷卻過程中所形成的熱應力及組織應力在不斷變化，其分布方向恰好相反，但從數量上并不能正好抵消；熱應力早在高溫冷卻初期即產生，而淬火組織應力則在較低的溫度（Ms以下）時才開始出現；冷至室溫后的最終殘余內應力，其大小與分布情況取決于熱應力與組織應力在每一瞬時相互疊加作用的結果。對于無同素異構轉變的鍛件，在鍛后空冷或其它緩慢的冷卻過程中，熱應力通常并不引起嚴重后果。雖然冷卻初期溫差較大，表層為拉應力（中心部分受壓應力），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，且表層受壓應力，所以也不

5、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，甚至水淬時也不產生裂紋。組織應力在較低溫度下才開始發生，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應力腐蝕開裂。W18Cr4W鍛件一側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時正相反，升溫過程中表層溫度超過心部溫度，并且導熱性越差，斷面越大，溫差也越大。對于熱應力，這時表層受壓內層受拉，在受拉應力區由于溫度低，塑性差有可能形成開裂。在加熱

6、初期金屬尚處于彈性狀態的時候，在加熱速度不變的條件下，根據計算，在圓柱體坯料軸心區沿軸向的拉應力是沿徑向和切向拉應力值的兩倍。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力發生，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在原因，也是進行裂紋鑒別的客觀依據。從大量的鍛件裂紋實例分析和重復試驗中可以觀察到，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，首先在應力最大，先滿足塑性條件的地方發生塑性變形。在變形過程中位錯沿滑移面運動，遇著

7、障礙物，便會堆塞，并產生足夠大的應力而產生裂紋，或由于位錯的交互作用形成空穴、微裂，并進一步發展成宏觀的裂紋。這主要產生在變形溫度較低（低于再結晶溫度），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晶溫度下變形時產生的穿晶裂紋。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，加速了恢復和再結晶，使變形過程中已經產生的微裂紋比較容易修復，在變形溫度適宜、變形速度較慢的情況下，可以不發展為宏觀的裂紋。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

8、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發生熔化，嚴重降低材料的塑性；同時，在高溫下周圍介質中的某些元素（硫、銅等）沿晶界向金屬內擴散，引起晶界上第二相的非正常出現和晶界的弱化；另外，基體金屬與某些相的接口由于兩相在力學性能和理化性能上的差異結合力較弱。鍛造所用的原材料通常是不均勻的。因此，高溫鍛造變形時裂紋主要沿晶界或相界發生和發展。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生和發展的影響。（1）微觀裂紋的產生鍛造過程中金屬組織狀況對微觀裂紋的產生主要有下列三種情況。1）冶金和組織缺陷處應力集中。在原材料的冶金和組

9、織缺陷處，如疏松、夾雜物等的尖角處，在外力作用下發生應力集中；在第二相和基體相交界處，特別是第二相的尖角處容易產生應力集中。在應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力超過材料的極限強度時便產生微觀裂紋。圖片3-1曲MB1聯合金在缺陷尾端由于應力集中產生的裂紋。2）第二相及夾雜物本身的強度低和塑性差。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生開裂。具體的有下列一些情況：晶界為低熔點物質。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本身中發生而后發展的。實例11、圖片8-58為裂紋沿滲銅晶界

10、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，晶界發生氧化和熔化，裂紋沿晶界發展晶界存在脆性的第二相或非全屬的夾雜物。脆性物質包括：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，上述物質有不同程度的破碎，當晶界物質的破碎得不到及時修復時，微觀裂紋便在此處發生和發展。實例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（T小，壓力加工變形時，首先是鐵

11、素體局部變形，當超過極限應變時，便形成微觀裂紋，當鐵素體呈網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性能和理化性能上有差異。在此種情況下，微觀裂紋往往產生在它們交界處，這是他們之間結合力較弱的緣故。例如奧氏體不銹鋼中存在鐵素體相時，兩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生了附加應力，常常在奧氏體與鐵素體的交界處產生微觀裂紋而后擴展（圖片8-249）。又例如Mn舜DFe（現有不同的熱膨脹系數，因而MnSWFe（“）交界處的結合力較弱，裂紋常沿交界處發生。（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

12、性能和微觀的斷裂機制來決定。應力狀態、溫度、應變速度及介質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。本節側重研究性能（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。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”（晶界和結合力弱的相接口等）擴展。弱區”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”的強度愈低，塑性愈差，則擴展的速度愈快。在

13、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力的垂直方向或切應力的方向一致。當夾雜物集中在金屬的某些地區并呈條帶狀分布時，條帶方向便是裂紋擴展阻力最小的方向。例如在鍛粗變形時常?？梢杂^察到與主拉應力的垂直方向及最大剪應力方向不完全一致的情況。（三）鍛造裂紋的鑒別與防止產生裂紋的主要對策1 .鍛造裂紋的鑒別鑒別裂紋形成的原因，應首先了解工藝過程，以便找出裂紋形

14、成的客觀條件，其次應當觀察裂紋本身的狀態，然后再進行必要的有針對性的顯微組織分析，微區成分分析。舉例如下：對于產生龜裂的鍛件，粗略分析可能是：由于過燒；由于易溶金屬滲入基體金屬（如銅滲人鋼中）；應力腐蝕裂紋；鍛件表面嚴重脫碳。這可以從工藝過程調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，而在單純過燒的晶界只能找到氧化物。應力腐蝕開裂是在酸洗后出現，在高倍觀察時，裂紋的擴展呈樹枝狀形態。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

15、形的條件考察，亦可以低倍和高倍組織來區分。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。具有裂紋的鍛件經加熱后，裂紋附近有嚴重的氧化脫碳，冷卻裂紋則無此現象。由縮管殘余引起的裂紋通常是粗大而不規則的。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 .防止裂紋產生的對策（1）提高靜水壓力的數值由前面分析可以看出，裂紋的產生與受力情況和材料的塑性有關，塑性是材料的一種狀態，它不僅取決于變形物體的組織結構，而且還取決于變形的外部條件（包括應力狀態、變形溫度和變形速度）。應力狀態的影響

16、在有些文獻中用靜水壓力來衡量，當溫度和應變速度一定時，由拉應力引起開裂的條件為ca-bp+ce由切應力引起開裂的條件為CgA-Bp+C£式中P靜水壓力，即三個主應力的平均值，拉為正，壓為負；等效應變，代表加工硬化；la、b、c、A、B、C數。三向等壓應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值來防止開裂。擠壓和拔長時減少附加拉應力，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，應當保證在變形過程中，能夠充分地進行再結晶，并盡可能在單相的狀態下變形。“（3）采用合適的應變速度應變速度對于低塑性材料有很大的影響，應根據具體材料選用合適的鍛造設備。例如，某廠MB嗾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生鍛裂。其原因是鎂合金再結晶過程進行