鍛造過程中常見的失效形式與防止措施
1、氧化
（1）鋼的氧化特征 在氧化性氣氛中加熱時，鋼與氧、二氧化碳、水蒸氣、二氧化硫等發(fā)生互相作用生成鐵的氧化物，在鋼材表面形成了氧化鐵皮。在鋼的氧化過程中，鐵以離子狀態(tài)由內(nèi)層向外層表面擴散，氧化性氣體則以原子狀態(tài)由外表層經(jīng)吸附后向內(nèi)層擴散。在外表面因氧的含量多，形成Fe2O3，而內(nèi)部則形成FeO，即由外層至內(nèi)層氧化程度逐漸減輕。氧化皮與鐵的膨脹系數(shù)不同，易從鋼上剝離，從而加速了鋼的氧化。
（2）氧化對鍛件質(zhì)量的影響 氧化不僅燒損大量的鋼材，而且表面粘結(jié)有氧化皮的鋼，在拔絲、沖壓、模鍛時易引起模具損壞，切削加工晨易引起刀具磨損。氧化對鍛件質(zhì)量也有—定的影響，如鍛件表面粘結(jié)的氧化皮，不僅降低鍛件（特別是精密模鍛件）的表面質(zhì)量和尺寸精度，而且在熱處理時引起組織和性能不均勻。
（3）影響鋼氧化的因素 影響鋼氧化的因素很多，主要是加熱溫度、加熱時間、爐氣成分和鋼的化學成分等。
首先是加熱溫度與時間的影響，加熱熱越高，擴散速度越快，鋼的氧化也越嚴重。加熱時間越長，氧化損失也越大。其次是爐氣成分的影響，當過剩系數(shù)控制在0.4~0.5時，可以形成保護性氣氛，避免發(fā)生氧化。低于800℃時，SO2對鋼的氧化作用不強。但在1000~1200℃時，含0.1％SO2就會使氧化速度增加兩倍；再次是鋼的化學成分的影響，當鋼中含碳量大于0.3％時，隨含碳量的增多，氧化速度減小。另外。一些元素如Cr、Ni、Si、Mo等在金屬表面形成牢固致密的保護薄膜，阻止氧向內(nèi)部擴散，使氧化速度減慢。而當鋼中鉻及鎳含量大于13％~20％時，實際上就很少發(fā)生氧化。
（4）防止氧化的措施 減少金屬與氧的接觸時間，如采用快速加熱、感應加熱等，以減少金屬在高溫下保溫停留的時間。在保護性介質(zhì)中加熱，常用的保護性介質(zhì)有：①氣體介質(zhì)；②液體介質(zhì)，例如在玻璃液中加熱，在鹽浴爐中加熱；③固體介質(zhì)，例如把金屬埋在石墨粉中加熱，涂抹玻璃潤滑劑加熱等。采用先進加熱技術(shù)，如在懸浮介質(zhì)中加熱（光亮加熱）。
2 、脫碳
（1）脫碳的特征 脫碳是指鋼加熱時表層含碳量降低的現(xiàn)象。脫碳的過程就是鋼中的碳在高溫下與氫或氧發(fā)生反應生成甲烷或一氧化碳。脫碳時，一方面是氧向鋼內(nèi)擴散。另一方面鋼中的碳向外擴散。脫碳層只有在脫碳速度超過氧化速度時才能形成，當氧化速度很大時。可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后，鐵即被氧化而生成氧化皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可形成較深的脫碳層。
脫碳層含碳量較正常組織低，滲碳體（Fe3C）的數(shù)量較正常組織少，故其強度或硬變較低對大多數(shù)鋼來說，脫碳會降低其性能。對高碳工具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳是一種嚴重的失效。
（2）脫碳對鋼性能的影響 脫碳對鍛造和熱處理等工藝性能均有影響：①2Crl3不銹鋼加熱溫度過高、保溫時間過長時，表層金屬脫碳，促使高溫占鐵素體在表面過早地形成，使鍛件表面塑性大大降低，模鍛時容易開裂；②奧氏體錳鋼表層脫碳以后，奧氏體組織不均勻，不僅使冷變形時的強度達不到要求，而且可能由于變形不均勻產(chǎn)生裂紋；③鋼的表面脫碳以后，使表層與心部的組織和線膨脹系數(shù)不同，淬火時發(fā)生的不同組織轉(zhuǎn)變及體積變化將引起很大的內(nèi)應力；同時，由于表層脫碳后強度下降，淬火時零件表面甚至可能產(chǎn)生裂紋。
脫碳對零件性能也有影響，鋼的表面脫碳后，淬火時不發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變或馬氏體轉(zhuǎn)變不完全，就得不到所要求的硬度。軸承鋼表面脫碳后會造成淬火軟點，使用時易發(fā)生接觸疲勞損壞；高速工具鋼表面脫碳會使紅硬性下降。
（3）影響鋼脫碳的因素 影響鋼脫碳的因素主要有鋼的化學成分、加熱溫度、保溫時間和爐氣成分等。鋼的化學成分對脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高，脫碳傾向愈大。合金元素W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加，而Cr等元素能阻止鋼脫碳。隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般情況下，加熱溫度低于1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢。但隨著溫度的升高，雖然氧化皮形成速度增加，但氧化皮下面碳的擴散速度也加快，達到某一溫度后脫碳反而比氧化快，此時氧化皮失去保護能力。加熱時間愈長，加熱次數(shù)愈多，脫碳層愈深。但脫碳層并不與時間成正比增加。例如，高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達0.4mm；加熱4h達1.0mm；加熱12h達1.2mm。爐內(nèi)氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強的介質(zhì)是H2O（汽），其次CO2與O2，最后是H2；而CO和CH4則使鋼中增碳。在中性介質(zhì)中加熱時，脫碳最少。
（4）防止脫碳的措施 工件加熱時，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下的停留時間，合理地選擇加熱速度，以縮短加熱的總時間。控制加熱氣氛，使之呈現(xiàn)中性或采用保護性氣體加熱，在脫氧良好的鹽浴爐中加熱，要比普通箱式爐中加熱的脫碳傾向小。熱壓力加工過程中，如果生產(chǎn)中斷，應降低爐溫，如停頓時間很長，則應將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫。進行冷變形成形時，盡可能減少中間退火次數(shù)及降低中間退火溫度。高溫加熱時。鋼的表面用覆蓋物或涂料進行保護，以防止氧化與脫碳。
3、折疊
（1）折疊的特征 折疊與周圍金屬的流線方向一致；折疊尾端一般成小圓角。有時，折疊之前先有折皺，這時折疊尾端一般呈枝杈形；折疊兩側(cè)有較重的氧化、脫碳現(xiàn)象。
（2）折疊的類型和形成原因 各種鍛件的折疊形式和位置一般是有規(guī)律的，折疊的類型和形成原因有以下幾種：由兩股（或多股）金屬對流匯合而形成折疊；由一股金屬的急速大量流動將鄰近部分的表層金屬帶著流動，兩者匯合而形成折疊；由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成折疊；部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)形成折疊。
模鍛過程中，如果某處金屬充填慢，在其相鄰部分均已基本充滿時，該處仍缺少大量的金屬而形成空腔，則相鄰部分的金屬在此處匯流而形成折疊。模鍛時，坯料尺寸不合適，打擊速度過快，模具圓角、斜度不合適，或某處金屬充填阻力過大都會產(chǎn)生折疊。模鍛時，彎軸和帶枝權(quán)的鍛件常易由兩股金屬匯合形成折疊。
環(huán)形鍛件和齒輪鍛件折疊形成的原因與工字形件類似。
細長（或扁薄鍛件，先被壓彎，然后發(fā)展成折疊。由于金屬回流形成彎曲，繼續(xù)模鍛時發(fā)展成折疊。拔長堅，當送進量很小，壓下量很大時，上、下兩端金屬局部變形形成折疊。避免產(chǎn)生這種折疊的措施是增大送進量，使每次送進量與單邊壓縮量之比大于1~1.5。
模鍛時，上、下模錯移時，啃掉鍛件上一塊金屬，再壓入鍛件，便形成了折疊。
（3）防止折疊的措施 合理選擇毛坯尺寸；清除毛坯上毛刺和氧化皮；提高模具光潔度；增大模具圓角半徑；加強潤滑；注意鍛造時的送進量和操作方法等。
4 、裂紋
（1）裂紋形成的原因分析 材料的斷裂一般有兩種形式：一種是斷裂面平行于最大切應力或最大切應變方向的切斷，另一種是斷裂面垂直于最大正應力或最大正應變方向的正斷。材料以何種形式斷裂，主要取決于所受正應力σ與切應力τ之比。對高塑性材料的扭轉(zhuǎn)，由于最大切應力與正應力之比σ/τ＝1，發(fā)生的破壞是剪切破壞；對低塑性材料由于不能承受大的拉應力。扭轉(zhuǎn)時則發(fā)生45°方向開裂。對于某一定成分的材料，受力狀態(tài)及周圍介質(zhì)對裂紋的發(fā)生和發(fā)展有很大的影響。
鍛造生產(chǎn)中，除了由模具給工件施加壓力外。還有由于變形不均勻引起的附加應力、溫度不均勻引起的熱應力和因組織轉(zhuǎn)變不同時進行而產(chǎn)生的組織應力，這些都可以使鍛件產(chǎn)生裂紋。
1）由模具施加的外力引起的鍛件裂紋。如果工件的斷面是矩形且邊長相差較大，則沿窄邊鍛打時易發(fā)生彎曲，工件一側(cè)受拉應力，另一側(cè)受壓應力。當工件彎曲比較嚴重時，在隨后的校正工序中凹的一面受拉應力，使工件開裂。由于彎曲產(chǎn)生的拉應力不僅在自由鍛時可以產(chǎn)生，在模鍛中由于工件下部與模具不接觸造成彎曲也可能拉裂。如果工件變形時下表面不是自由彎曲，而受到一定的壓應力，便不致引起開裂。
與鑄鐵冷壓時易產(chǎn)生近45°的斜裂相似，鐓粗時軸向雖受壓應力，但與軸向成45°方向有最大剪應力而產(chǎn)生斜裂。對于多數(shù)金屬，尤其是塑性較高的金屬，鐓粗時一般不出現(xiàn)斜裂，而是出現(xiàn)縱裂，這與明顯的鼓形而使工件幾何形狀改變造成應力改變有關(guān)。呈凹形的試樣鐓粗時出現(xiàn)了45°的斜裂，而呈鼓肚形的鍛件鐓粗時則出現(xiàn)了縱裂。這是因為沿鍛件表層除了壓應力外，、凹試件還受徑向壓應力分量的作用，阻止縱向開裂；而凸試件由于受徑向拉應力產(chǎn)生的切向拉應力作用，促使表層縱向開裂。
2）由附加應力及殘余應力引起的裂紋。鍛件變形時，伸長較多的部分和伸長較少的部分相互牽制，伸長較大的部位受到附加壓應力作用，而伸長較少的部位則受到附加拉應力的作用。當附加拉應力超過材料的變形極限時，就會產(chǎn)生裂紋。矩形斷面的坯料拔長時，如果送進量l相對于坯料高度h較小（l＜0.5h），則變形區(qū)與鐓粗時形成的雙鼓形類似，中間部分鍛不透，上、下兩部分金屬強制其延伸，而使其受到拉應力，產(chǎn)生橫向裂紋。
3）由熱應力及組織應力引起的裂紋。鍛件在加熱或冷卻時，由于溫度不均勻造成熱脹或冷縮不均勻，引起內(nèi)應力。在降溫較快或升溫較慢處材料受拉應力，反之，則受到壓應力的作用。當組織轉(zhuǎn)變不能同時發(fā)生時，則產(chǎn)生組織應力。增加比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受壓應力，減小比容的轉(zhuǎn)變區(qū)則受拉應力。當拉應力超過材料的強度極限時，鍛件上就會產(chǎn)生裂紋。奧氏體冷卻時，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的材料在冷卻過程中形成的熱應力和組織應力使工件在冷卻過程中聽形成的熱應力和組織應力不斷發(fā)生變化，其分布恰好相反，但并不能相互抵消。熱應力在高溫時已經(jīng)形成，而淬火組織應力則在較低的溫度時才開始出現(xiàn)。室溫時，殘余應力的大小與分布取決于熱應力與組織應力的相互疊加的結(jié)果。
（2）裂紋的特征 裂紋一般與流線成一定的夾角，尾部是尖的。這與折疊不同，折疊與附近的流線平行，尾部呈圓角，對中高碳鋼來說折疊表面有氧化脫碳現(xiàn)象。
具有裂紋的鍛件加熱后，裂紋附近有嚴重脫碳現(xiàn)象，冷卻裂紋則沒有這種現(xiàn)象。由于冷校正及冷切邊引起的裂紋。在裂紋周圍有滑移帶等冷變形痕跡。
（3）防止裂紋產(chǎn)生的措施 裂紋的產(chǎn)生與受力情況和材料的塑性有關(guān)。當溫度和應變速度一定時，由拉應力引起的開裂條件為：
Cσ≈a—bp+cε
由切應力引起的開裂條件為：
C τ≈A—Bp+Cε
式中，p為靜水壓力，即三個主應力的平均值，拉應力取正，壓應力取負。ε是有效應變，代表加工硬化。a、b、c和A、B、C為系數(shù)。可見，防止裂紋產(chǎn)生的主要措施如下。
1）變形時盡量減小拉應力。三向等壓應力不僅不會使裂紋擴展，而且微小未被氧化的裂紋在高的三向壓應力作用下被鍛合。低塑性材料采用反推力擠壓及帶套筒鐓粗可防止開裂。擠壓和拔長時減小附加應力，是防止開裂的非常有效的措施。
2）選擇合適的變形溫度。變形溫度低，冷變形硬化嚴重，塑性下降；變形溫度過高，則易引起過熱與過燒。
3）控制應變速度。應變速度對低塑性材料有很大的影響，應根據(jù)具體材料選用合適的鍛造設備，以控制變形速度。
4）中間退火。冷變形程度過大，往往引起鍛件開裂，經(jīng)過中間退火，可以消除硬化和變形引起的部分缺陷。
5）提高材料的塑性。材料晶界上出現(xiàn)低熔點物質(zhì)和脆性化合物，在鍛造時易引起開裂，應盡量避免這些缺陷。
5 、鍛件其他常見的失效形式
鍛造生產(chǎn)中，鍛件其他常見的失效形式見表。
鍛件其他常見的失效形式
失效種類
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主要特征
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產(chǎn)生的原因及影響
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過熱
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一般指金屬由于加熱溫度過高引起粗大晶粒的現(xiàn)象。碳鋼（亞共析鋼或過共析鋼）以出現(xiàn)魏氏組織為特征。工模具鋼（或高合金鋼）以一次碳化物角狀化為特征。一些合金結(jié)構(gòu)鋼過熱后除晶粒粗大外，沿晶界還有析出物，而且用一般熱處理辦法也不易消除
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加熱溫度過高或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內(nèi)停留時間太長引起的
過熱組織由于晶粒粗大，將使力學性能降低，尤其是沖擊性能
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過燒
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過燒嚴重的金屬，鐓粗時輕輕一擊就開裂，拔長時在過燒處出現(xiàn)橫向裂口
過燒部位的晶粒特別粗大。裂紋間的表面呈淺灰藍色。過燒的鋁合金鍛件，表面呈黑色或暗黑色，并且表面形成雞皮狀氣泡。從組織上看，一般以晶界出現(xiàn)氧化和熔化現(xiàn)象為特征
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加熱溫度過高或高溫加熱時間過長引起的。爐中的氧及金屬晶粒間的空隙，并與鐵、硫、碳等氧化，形成了易熔相，破壞晶粒間的聯(lián)系
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銅脆
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鍛造時鍛件表面龜裂。高倍顯微鏡下觀察時，有淡黃色的銅（或銅的固溶體）沿晶界分布
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爐內(nèi)殘余氧化銅屑，加熱時氧化銅還原為自由銅，銅在高溫下沿奧氏體晶界擴展，削弱了晶粒間的聯(lián)系。另外，當鋼中含銅量＞0.2%時，在氧化性氣氛中加熱，在氧化皮下形成富銅層，也引起銅脆
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大晶粒
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鍛件在低倍顯微鏡下觀察，晶粒粗大
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始鍛溫度過高和變形程度不足；終鍛溫度過高；變形程度落入臨界變形區(qū)；鋁合金變形程度 過大，形成織構(gòu)；高溫合金變形溫度過低，形成混合變形組織等，均能形成粗大晶粒
粗晶使鍛件的塑性、韌性降低，疲勞性能明顯下降
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晶粒不均勻
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鍛件某些部位的晶粒特別粗大，某些部位卻較小，形成整個鍛件內(nèi)部晶粒大小不均
耐熱鋼及高溫合金對晶粒不均勻特別敏感
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變形不均勻使晶粒破碎不一或局部區(qū)域變形程度落入臨界變形區(qū)，高溫合金局部加工硬化，淬火加熱時局部晶粒粗大
晶粒不均勻使鍛件的持久性能、疲勞性能等明顯下降
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冷硬現(xiàn)象
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熱鍛后鍛件內(nèi)部仍保留冷變形組織，鍛件強度和硬度比正常的熱鍛高，但塑性和韌性下降
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變形時溫度偏低或變形速度過快以及鍛后冷卻速度過快，再結(jié)晶引起的軟化跟不上變形引起的強化，從而出現(xiàn)熱加工后的冷硬現(xiàn)象
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脫碳層堆積
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鍛件 上局部地方出現(xiàn)脫碳層堆積，該處硬度低于正常組織的硬度
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這種缺陷是由于鍛造工藝不當引起的。例如，圓棒料拔長時，由于錘擊過重和壓下量過大，翻轉(zhuǎn)90°壓縮時成雙鼓形，再拔長時，雙鼓形的一部分金屬向外流動，增加寬度的同時，一部分金屬向中間部位流動，形成了中間部位脫碳層堆積現(xiàn)象
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龜裂
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鍛件表面出現(xiàn)較淺的龜狀裂紋
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原材料含Cu、Sn等易熔元素量過多；高溫長時間加熱時，鋼表面銅析出、表面晶粒粗大、脫碳，或經(jīng)多次加熱的表面；加熱時，燃料中含硫量過高，造成鍛件表面增硫；鍛件成形中受拉應力的表面（例如，未充滿的凸出部分或受彎曲的部分）最容易產(chǎn)生這種缺陷
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穿流
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穿流是流線分布不當?shù)囊环N形式。在穿流區(qū)，原先成一定角度分布的流線匯合在一起。穿流區(qū)內(nèi)、外晶粒大小常常相關(guān)較懸殊
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穿流產(chǎn)生的原因與折疊相似，它是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而形成的，但穿流部分的金屬仍是一整體。穿流使鍛件的力學性能降低，尤其當穿流帶兩側(cè)晶粒相差較懸殊時，性能降低較明顯
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鍛件流線分布不當
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鍛件上發(fā)生流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現(xiàn)象
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模具設計不當或鍛造方法選擇不合理，預先毛坯流線紊亂；操作不當及模具磨損使金屬產(chǎn)生不均勻流動
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當前位置：