鍛造和熱處理過程中裂紋形成原因分析

盛志敬 杜水明 何鑫 張洞川

摘要：裂紋的出現是極其常見的，裂紋出現的過程往往是在鍛造和熱處理的過程中。鍛造裂紋往往出現于高溫，在鍛造時出現的裂縫擴大而且接觸空氣，在裂縫內形成氧化皮。由這種氧化皮構成的裂紋，不僅粗大而且是多條形狀的，裂縫的兩端無系，尖端是比較圓潤的。這處理的裂紋與鍛造裂紋在形狀與性質上不同，熱處理裂紋的出現是因為加熱過程中構件兒開地，然后導致裂紋鹽晶體方向脫碳，最終構建的組織腰比鍛造裂紋粗大。這樣的情況尤其出現在一些形狀復雜的零件與工具中。在本文中作者進行了大量裂紋式樣的收集，進行出現裂紋原因的分析與總結歸納。最終把裂紋分為了三類。

關鍵詞：鍛造;熱處理;晶相分析;裂紋形成原因

0? 引言

在進行鍛造與熱處理的過程中，裂紋的出現是很常見的事情，在所有的鍛造與熱處理的過程中，不可能不出現裂紋。這就讓裂紋在鍛造這個行業中成為了一種討論的焦點。構件的尺寸大小，材質質地的不同，裂紋的出現幾率也不同，裂紋的出現種類不同，裂紋出現的形狀不同。在本文中主要進行鍛造和熱處理過程中產生裂紋的原因進行研究。在本文中通過大量對資料的收集進行了產生裂紋原因的闡述，也進行了防止裂紋產生舉措的提出，對于減少構件在鍛造和熱處理的過程中出現裂紋帶來了很大的幫助。

1? 鍛造缺陷與熱處理缺陷

1.1 過熱、過燒

主要特征是晶粒粗大，有明顯的魏氏組織。出現過燒說明加熱溫度高、斷口晶粒粗大，凹凸不平，無金屬光澤，晶界周圍有氧化脫碳現象。

1.2 鍛造裂紋

常產生于組織粗大，應力集中處或合金元素偏析處，裂紋內部常充滿氧化皮。鍛造溫度高，或者終端溫度低，都容易產生裂紋。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，在后續鍛造時，將表面氧化皮等缺陷卷入鍛件本體內而形成折縫。在顯微鏡上觀察時，可發現折疊周圍有明顯脫碳。

1.4 淬裂

其特點是剛健挺直，呈穿晶分布，起始點較寬，尾部細長曲折。此種裂紋多產生于馬氏體轉變之后，故裂紋周圍的顯微組織與其它區域無明顯區別，也無脫碳現象。

1.5 軟點

顯微組織有塊狀或網狀屈氏體和未溶鐵素體等。加熱不足，保溫時間不夠，冷卻不均勻都會產生軟點。

2? 實驗方法

在本文中的實驗，采取了對鍛造和熱處理出現的裂紋范圍劃定。在裂紋出現的范圍內，采取裂紋鄰近部位的顯微組織，利用儀器進行晶相分析。這樣的實驗方式可以讓裂紋形成的內在原因通過機器進行分析，以數據的方式來進行裂縫產生原因的表述，這樣的數據也是對裂紋進行鑒別的重要的依據。在本次的實驗中，采取了桿類件作為本次實驗的研究對象，在采取裂紋附近部位的顯微組織進行晶相分析。

2.1 試樣制備和宏觀觀察

進行實驗前的第一步，只要對選取的桿類件毛坯的裂紋進行宏觀觀察，在觀察的過程中，選定要實驗的區域。下一步就是使用手鋸將所選取的區域進行切割，切割的方向要垂直于鏡像，且長度小于十毫米。取樣的方式可以不同，但一定要選取好截取樣品時的溫度與環境。如果試件溫度過高時，可以使用涼水進行試件的冷卻，這樣的方式就可以避免再采取試件樣本時，由于過熱的溫度，將事件的內部組織結構進行改變。

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，最終達到磨痕均勻一致的地步。第二步是將試件放置在細沙輪上，在細沙輪上繼續磨，在細砂輪上磨制時，要用冷水不斷的進行試件的冷卻，在這樣的情況下，試件就不會因為摩擦產生熱量，而讓自身的結構出現變化。在經過兩次砂輪機的磨制后，試件進行洗凈，吹干處理。然后對比裂縫的大小進行試件的排列，然后將各個試件按照由粗到細的順序，在砂紙上進行摩擦制樣，所選取砂紙的順序也要由粗砂紙到細砂紙。最終經過兩次砂紙的磨砂，第二次磨砂的角度要與第一次磨砂的角度相互垂直。當試件經過兩次磨砂后，要放在拋光機上進行第一次粗拋光，粗拋光的材料可以選擇細絨布。之后再進行第二次細拋光，拋光停止時應保證試件的磨痕已經全部消除，并且經過拋光的位置顯示為鏡面。

2.3 硝酸酒精分析后晶象分析

將經過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，在移動的過程中，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間要根據試件的金屬特性檢驗的目的來確定。最終試件從硝酸酒精溶液中拿出，達到的效果應該是可以在顯微鏡下顯現出清晰金屬組織。當將試件取出后應該用水迅速的進行沖洗，之后在表面涂抹酒精，最后使用吹風機吹干。

3? 實驗數據分析

在經過對多種試件進行分析的過程中，通過對所得到數據的對比整理分析后，最終把試件可能得出的裂縫分為三類。接下來的分析由這三類分別進行敘述。

3.1 鍛造裂紋形成原因分析

對于鍛造裂紋來說，出現的原因是不同的，多種多樣的出現原因是因為鍛造的材料多種多樣。在本次的研究中發現，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引起的鍛造裂紋。在選取某一金屬桿件后發現，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，在進行試件的打磨拋光處理后，發現在裂縫中有很多灰黑色氧化物，在裂縫的兩側的氧化物形狀為顆粒狀與塊裝的氧化物和空洞。在進行試件的仔細觀察后，可以發現裂紋的兩側脫碳現象嚴重，裂縫的尾端由于細小，所以沒有脫碳現象，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是在熱處理之前，出現的原因則是裂紋的試件中含有大量非金屬雜質，而細小的裂紋出現是由于非金屬材質的擴張。又選取另一試件進行分析，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，裂紋內有一些灰黑色氧化物，裂紋的兩側有物狀顆粒氧化物，晶界有氧化現象。當試件放入硝酸酒精溶液后，裂紋兩側出現了脫碳。這樣的情況就表明裂紋的出現是熱處理之前由于過燒引起的鍛造裂紋。

3.2 折疊裂紋形成原因

折疊的變化使金屬流變過程中已經氧化的表面金屬進行匯合，最終形成的現象。而金屬流變的折疊，往往與周圍的流線是同一方向，而在裂紋的尾端，往往是一個小圓。根據大量折疊現象的裂紋及其材料的特性進行研究，就可以將折疊性裂紋進行分類。第一種裂紋的形成是因為原材料的問題，如果原材料的表面不平整，在進行鍛造時，由于金屬的流動，就很可能形成折疊。第二種折疊是因為方鋼胚棱角被壓，部分已經出現塌陷而形成折疊。形成折疊性裂縫的原因，還有鍛造的問題。在鍛造時，所選鍛錘的邊緣圓角小，就很容易出現折疊的現象。選取某一方鋼胚，在此方鋼胚上有一條長約4cm的縱向裂紋，裂紋的表面呈四十度角進行擴張，在經過磨砂與拋光處理后，裂紋的兩側有黑色顆粒狀氧化物，經過硝酸酒精溶液的侵蝕后，可以發現沿著裂縫的兩側為脫碳層，在這樣的情況下，就可以判斷為此種裂縫的出現為折疊裂縫。

3.3 熱處理過程中的裂紋分析

在熱處理的過程中出現的裂紋往往是淬火裂紋，淬火裂紋的分布是極其沒有規律的。而且淬火裂紋的出現則是出現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的曲線。選取一出現淬火裂紋的桿件，桿件表面有一縱向裂紋，深度約70mm。裂紋的形狀向外擴張，但內部間由上往下擴張。在裂紋頭部有一些灰色氧化物試件中，沒有嚴重的非金屬雜質。在經過硝酸酒精溶液的侵蝕后，裂紋的頭部沒有出現脫碳現象。這樣的情況下就可以判斷試件沒有冶金缺陷，而此裂紋為淬火裂紋。所選取的桿件淬透性好，桿件所留取的應立為組織型殘余應力，最終讓試件受拉，導致桿件開裂。某桿件表面產生淬火裂紋，發現裂紋的出現在熱處理之后。選取裂紋的位置進行試樣的截取，之后將截取的部分進行晶相檢驗。進行宏觀觀察后可以發現裂紋的出現，再變截面上由外向內進行擴張。裂紋的形狀為直線，深約40mm，厚度已經將試件貫穿。在裂紋的頭部和尾部有灰黑色氧化物，經過硝酸酒精的侵泡后，黑灰色氧化物出現脫碳現象。但裂紋周圍沒有非金屬雜質說明材料本身很好，真的原因可能是該試件的直角尖銳造成了集中應力。

4? 結束語

最終的結論就是非金屬物夾雜在試件中會造成鍛造裂紋。在鍛造時溫度過高會導致鍛造裂紋。方鋼胚的棱角邊緣，它會形成折疊裂紋。淬透性高的試件，在淬火時如果冷卻速度快，會形成淬火裂紋。

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