锻造和热处理过程中裂纹形成原因分析

盛志敬 杜水明 何鑫 张洞川

摘要：裂纹的出现是极其常见的，裂纹出现的过程往往是在锻造和热处理的过程中。锻造裂纹往往出现于高温，在锻造时出现的裂缝扩大而且接触空气，在裂缝内形成氧化皮。由这种氧化皮构成的裂纹，不仅粗大而且是多条形状的，裂缝的两端无系，尖端是比较圆润的。这处理的裂纹与锻造裂纹在形状与性质上不同，热处理裂纹的出现是因为加热过程中构件儿开地，然后导致裂纹盐晶体方向脱碳，最终构建的组织腰比锻造裂纹粗大。这样的情况尤其出现在一些形状复杂的零件与工具中。在本文中作者进行了大量裂纹式样的收集，进行出现裂纹原因的分析与总结归纳。最终把裂纹分为了三类。

关键词：锻造;热处理;晶相分析;裂纹形成原因

0  引言

在进行锻造与热处理的过程中，裂纹的出现是很常见的事情，在所有的锻造与热处理的过程中，不可能不出现裂纹。这就让裂纹在锻造这个行业中成为了一种讨论的焦点。构件的尺寸大小，材质质地的不同，裂纹的出现几率也不同，裂纹的出现种类不同，裂纹出现的形状不同。在本文中主要进行锻造和热处理过程中产生裂纹的原因进行研究。在本文中通过大量对资料的收集进行了产生裂纹原因的阐述，也进行了防止裂纹产生举措的提出，对于减少构件在锻造和热处理的过程中出现裂纹带来了很大的帮助。

1  锻造缺陷与热处理缺陷

1.1 过热、过烧

主要特征是晶粒粗大，有明显的魏氏组织。出现过烧说明加热温度高、断口晶粒粗大，凹凸不平，无金属光泽，晶界周围有氧化脱碳现象。

1.2 锻造裂纹

常产生于组织粗大，应力集中处或合金元素偏析处，裂纹内部常充满氧化皮。锻造温度高，或者终端温度低，都容易产生裂纹。还有一种裂纹是锻造后喷水冷却后形成的。

1.3 折叠

冲孔、切料、刀板磨损、锻造粗糙等原因造成了表面缺陷，在后续锻造时，将表面氧化皮等缺陷卷入锻件本体内而形成折缝。在显微镜上观察时，可发现折叠周围有明显脱碳。

1.4 淬裂

其特点是刚健挺直，呈穿晶分布，起始点较宽，尾部细长曲折。此种裂纹多产生于马氏体转变之后，故裂纹周围的显微组织与其它区域无明显区别，也无脱碳现象。

1.5 软点

显微组织有块状或网状屈氏体和未溶铁素体等。加热不足，保温时间不够，冷却不均匀都会产生软点。

2  实验方法

在本文中的实验，采取了对锻造和热处理出现的裂纹范围划定。在裂纹出现的范围内，采取裂纹邻近部位的显微组织，利用仪器进行晶相分析。这样的实验方式可以让裂纹形成的内在原因通过机器进行分析，以数据的方式来进行裂缝产生原因的表述，这样的数据也是对裂纹进行鉴别的重要的依据。在本次的实验中，采取了杆类件作为本次实验的研究对象，在采取裂纹附近部位的显微组织进行晶相分析。

2.1 试样制备和宏观观察

进行实验前的第一步，只要对选取的杆类件毛坯的裂纹进行宏观观察，在观察的过程中，选定要实验的区域。下一步就是使用手锯将所选取的区域进行切割，切割的方向要垂直于镜像，且长度小于十毫米。取样的方式可以不同，但一定要选取好截取样品时的温度与环境。如果试件温度过高时，可以使用凉水进行试件的冷却，这样的方式就可以避免再采取试件样本时，由于过热的温度，将事件的内部组织结构进行改变。

2.2 试件研磨抛光后晶相分析

先将试件放置在粗砂轮儿上磨平，最终达到磨痕均匀一致的地步。第二步是将试件放置在细沙轮上，在细沙轮上继续磨，在细砂轮上磨制时，要用冷水不断的进行试件的冷却，在这样的情况下，试件就不会因为摩擦产生热量，而让自身的结构出现变化。在经过两次砂轮机的磨制后，试件进行洗净，吹干处理。然后对比裂缝的大小进行试件的排列，然后将各个试件按照由粗到细的顺序，在砂纸上进行摩擦制样，所选取砂纸的顺序也要由粗砂纸到细砂纸。最终经过两次砂纸的磨砂，第二次磨砂的角度要与第一次磨砂的角度相互垂直。当试件经过两次磨砂后，要放在抛光机上进行第一次粗抛光，粗抛光的材料可以选择细绒布。之后再进行第二次细抛光，抛光停止时应保证试件的磨痕已经全部消除，并且经过抛光的位置显示为镜面。

2.3 硝酸酒精分析后晶象分析

将经过摩砂与抛光后的试件放置在硝酸酒精溶液中，硝酸酒精的浓度为百分之五。将试件放置在硝酸酒精溶液后，要将试件在硝酸酒精溶液中轻微移动，在移动的过程中，保证镜面不与器皿底部相接触。试件放置在硝酸酒精溶液中的时间要根据试件的金属特性检验的目的来确定。最终试件从硝酸酒精溶液中拿出，达到的效果应该是可以在显微镜下显现出清晰金属组织。当将试件取出后应该用水迅速的进行冲洗，之后在表面涂抹酒精，最后使用吹风机吹干。

3  实验数据分析

在经过对多种试件进行分析的过程中，通过对所得到数据的对比整理分析后，最终把试件可能得出的裂缝分为三类。接下来的分析由这三类分别进行叙述。

3.1 锻造裂纹形成原因分析

對于锻造裂纹来说，出现的原因是不同的，多种多样的出现原因是因为锻造的材料多种多样。在本次的研究中发现，锻造裂纹可以分为由锻造材料缺陷引起的锻造裂纹与锻造方法不当引起的锻造裂纹。在选取某一金属杆件后发现，这一金属杆的表面有一纵向裂纹，裂纹的宽度在2.5毫米左右，裂纹的深度约为十毫米，在裂纹中有大量的氧化皮，在进行试件的打磨抛光处理后，发现在裂缝中有很多灰黑色氧化物，在裂缝的两侧的氧化物形状为颗粒状与块装的氧化物和空洞。在进行试件的仔细观察后，可以发现裂纹的两侧脱碳现象严重，裂缝的尾端由于细小，所以没有脱碳现象，与试件的本身是相同的。在这样的情况下，可以断定裂纹的出现是在热处理之前，出现的原因则是裂纹的试件中含有大量非金属杂质，而细小的裂纹出现是由于非金属材质的扩张。又选取另一试件进行分析，此试件上有一垂直于试件制备的裂纹，裂纹的深度约1毫米，裂纹内有一些灰黑色氧化物，裂纹的两侧有物状颗粒氧化物，晶界有氧化现象。当试件放入硝酸酒精溶液后，裂纹两侧出现了脱碳。这样的情况就表明裂纹的出现是热处理之前由于过烧引起的锻造裂纹。

3.2 折叠裂纹形成原因

折叠的变化使金属流变过程中已经氧化的表面金属进行汇合，最终形成的现象。而金属流变的折叠，往往与周围的流线是同一方向，而在裂纹的尾端，往往是一个小圆。根据大量折叠现象的裂纹及其材料的特性进行研究，就可以将折叠性裂纹进行分类。第一种裂纹的形成是因为原材料的问题，如果原材料的表面不平整，在进行锻造时，由于金属的流动，就很可能形成折叠。第二种折叠是因为方钢胚棱角被压，部分已经出现塌陷而形成折叠。形成折叠性裂缝的原因，还有锻造的问题。在锻造时，所选锻锤的边缘圆角小，就很容易出现折叠的现象。选取某一方钢胚，在此方钢胚上有一条长约4cm的纵向裂纹，裂纹的表面呈四十度角进行扩张，在经过磨砂与抛光处理后，裂纹的两侧有黑色颗粒状氧化物，经过硝酸酒精溶液的侵蚀后，可以发现沿着裂缝的两侧为脱碳层，在这样的情况下，就可以判断为此种裂缝的出现为折叠裂缝。

3.3 热处理过程中的裂纹分析

在热处理的过程中出现的裂纹往往是淬火裂纹，淬火裂纹的分布是极其没有规律的。而且淬火裂纹的出现则是出现在零件的草口截面突变处，孔洞边缘以及刀痕上。淬火裂纹的形状则是瘦而长的曲线。选取一出现淬火裂纹的杆件，杆件表面有一纵向裂纹，深度约70mm。裂纹的形状向外扩张，但内部间由上往下扩张。在裂纹头部有一些灰色氧化物试件中，没有严重的非金属杂质。在经过硝酸酒精溶液的侵蚀后，裂纹的头部没有出现脱碳现象。这样的情况下就可以判断试件没有冶金缺陷，而此裂纹为淬火裂纹。所选取的杆件淬透性好，杆件所留取的应立为组织型残余应力，最终让试件受拉，导致杆件开裂。某杆件表面产生淬火裂纹，发现裂纹的出现在热处理之后。选取裂纹的位置进行试样的截取，之后将截取的部分进行晶相检验。进行宏观观察后可以发現裂纹的出现，再变截面上由外向内进行扩张。裂纹的形状为直线，深约40mm，厚度已经将试件贯穿。在裂纹的头部和尾部有灰黑色氧化物，经过硝酸酒精的侵泡后，黑灰色氧化物出现脱碳现象。但裂纹周围没有非金属杂质说明材料本身很好，真的原因可能是该试件的直角尖锐造成了集中应力。

4  结束语

最终的结论就是非金属物夹杂在试件中会造成锻造裂纹。在锻造时温度过高会导致锻造裂纹。方钢胚的棱角边缘，它会形成折叠裂纹。淬透性高的试件，在淬火时如果冷却速度快，会形成淬火裂纹。

参考文献：

[1]赵小英，陈圣锦，李泉.锻造和热处理过程中裂纹形成原因分析[J].中国包装工业，2015（08）.

[2]吕成.数值模拟技术在燃气轮机零部件锻造及热处理过程中的应用[D].大连理工大学，2007.

[3]易国杰.新型粉末高温合金多火次等温锻造过程中晶粒细化机制研究[J].内燃机与配件，2019（18）：27-28.