裂纹原因分析.docx

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裂纹原因分析

裂纹

裂纹是锻压生产中常见的主要缺陷之一，通常是先形成微观裂纹，再扩展成宏观裂纹。

锻造工艺过程（包括加热和冷却）中裂纹的产生与受力情况、变形金属的组织结构、变形温度和变形速度等有关。

锻造工艺过程中除了工具给予工件的作用力之外，还有由于变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、由温度不均匀引起的热应力和由组织转变不同时进行而产生的组织应力。

    应力状态、变形温度和变形速度是裂纹产生和扩展的外部条件；金属的组织结构是裂纹产生和扩展的内部依据。

前者是通过对金属组织及对微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用的。

全面分析裂纹的成因应当综合地进行力学和组织的分析。

（一）形成裂纹的力学分析

    在外力作用下物体内各点处于一定应力状态，在不同的方位将作用不同的正应力及切应力。

裂纹的形式一般有两种：

一是切断，断裂面是平行于最大切应力或最大切应变；另一种是正断，断裂面垂直于最大正应力或正应变方向。

    至于材料产生何种破坏形式，主要取决于应力状态，即正应力σ与剪应力τ之比值。

也与材料所能承受的极限变形程度εmax及γmax有关。

例如，①对于塑性材料的扭转，由于最大正应力与切应力之比σ/τ=1是剪断破坏；②对于低塑性材料，由于不能承受大的拉应变，扭转时产生45°方向开裂。

由于断面形状突然变化或试件上有尖锐缺口，将引起应力集中，应力的比值σ/τ有很大变化，例如带缺口试件拉伸σ/τ=4，这时多发生正断。

    下面分析不同外力引起开裂的情况。

    1.由外力直接引起的裂纹

    压力加工生产中，在下列一些情况，由外力作用可能引起裂纹：

弯曲和校直、脆性材料镦粗、冲头扩孔、扭转、拉拔、拉伸、胀形和内翻边等，现结合几个工序说明如下。

    弯曲件在校正工序中（见图3-34）由于一侧受拉应力常易引起开裂。

例如某厂锻高速钢拉刀时，工具的断面是边长相差较大的矩形，沿窄边压缩时易产生弯曲，当弯曲比较严重，随后校正时常常开裂。

    镦粗时轴向虽受压应力，但与轴线成45°方向有最大剪应力。

低塑性材料镦粗时常易产生近45°方向的斜裂（见图片8-355）。

塑性好的材料镦粗时则产生纵裂，这主要是附加应力引起的。

    工件的几何形状对应力分布有明显影响。

例如，拉伸试棒在缩颈形成前各处可以视为受均匀的单向拉应力，一旦形成缩颈后，缩颈表面就受三向拉应力；镦粗时也有类似的情况，只是应力的符号相反。

图3-34拔长时表面纵向裂纹形成过程示意图

图片8-355MB2镁合金锻件表面裂纹

    我们曾经对图3-35所示的凹凸两种试样进行镦粗。

镦粗后在凸形的试样上出现45°剪裂（见图3-35b）。

其主要原因是由于沿表层分布的力除沿轴向对两者都有压应力外，对于凹形试件还有径向应力分量（压应力）产生，而对于凸试件则由于存在径向压应力而产生切向拉应力，前者对表层纵向开裂起阻止作用，后者对表层纵向开裂起促进作用。

生产上采用铆镦的方法锻高速钢，从力学上分析也是利用中凹的工件，使镦粗时不易出现纵裂。

    另外，矩形断面毛坯在平砧下拔长时产生的对角线裂纹也是切应力引起的。

    2.由附加应力及残余应力引起的裂纹

    压力加工生产中，大多数裂纹都是由附加应力作用产生的，附加应力主要是由两种原因引起的。

①变形不均匀；②变形时金属流速不均匀。

结合几个典型工序介绍如下：

（1）由变形不均匀引起的附加应力

    一般材料镦粗时侧表面产生纵向裂纹，是由于表面受切向拉应力作用的结果，而这种切向拉应力是由于镦粗时变形不均匀引起的附加应力。

镦粗时中心区（Ⅱ）的变形大，而周边区（Ⅲ区）的变形较小，Ⅱ区金属向外流动时，便使Ⅲ区金属沿切向受附加拉应力（见第四章图4-1）。

    拔长时，当送进量l相对于坯料的高度较小时（l＜0.5h＝，这时变形区成双鼓形，中间部分锻不透，被上下部分金属强制延伸而受拉应力（见第四章图4-12），易弓l起锻件内部横向裂纹（见图4-8d）。

这在大型锻件锻造中是常见的。

冲孔时，冲头下面的A区金属（见第四章图4-31）向外流动时，使B区金属沿切向受附加拉应力作用，常引起表面纵向裂纹（见图4-30）。

图3-35 凹形和凸形试样镦粗时的受力情况和开裂形式

（2）由流速不均引起的附加应力   

    挤压棒材时，由于受模口摩擦阻力影响，表层金属流得慢，中部金属流动很快，外表层受拉，中部金属受压，在表层易引起横裂（见图3-36）。

附加应力在外力消除后，仍以残余应力的形式留在工件内部，这是产生延时开裂的主要原因。

如挤压后的黄铜棒，在潮湿的空气中，常由于应力腐蚀而产生开裂。

图3-36棒料挤压时的附加应力分布情况

    3.由温度应力及组织应力引起的裂纹   

    当加热或冷却时由于温度不均匀造成热胀或冷缩不均匀而引起的内应力，总的规律是在降温较快（或加热较慢）处受拉应力，在降温较慢或升温较快处受压应力。

    当组织转变不同时发生时，则易产生组织应力。

总的规律是每一瞬间进行增加比容的转变区受压应力，进行减少比容的转变区受拉应力。

奥氏体冷却时有马氏体转变的材料，冷却过程形成的温度应力及组织应力的分布情况如图3-37所示（图中应力都是指轴向应力）。

    冷却初期工件表层温度较心部明显降低，表层的收缩趋势受到心部的阻碍，在表层产生拉应力，在心部产生与其平衡的压应力，随着冷却过程的进行，这种趋势进一步发展。

但由于心部温度高，塑性较好，还可产生微量塑性变形，以缓和这种热应力。

到了冷却后期，表层温度已接近常温，基本上不再收缩，而心部温度尚高，仍继续收缩，导致了热应力的反向，即心部由压应力转为拉应力，而表层则由拉应力转为压应力。

这种应力状态保持下来构成材料的残余应力。

    组织的变化是在一定的温度区间内完成的。

当工件表层冷却至马氏体转变温度时产生体积膨胀，但由于心部仍然处于奥氏体状态，对表层的体积膨胀起牵制作用，因此表层这时受压应力。

随着冷却过程的进行，这种趋势进一步发展。

但随着心部发生马氏体转变，由于该处的体积膨胀而引起应力的松弛。

当工件继续冷却，由于心部形成的马氏体含量愈来愈多，体积膨胀也越来越大，而表层体积已不再变化，这时心部的伸长趋势受到表层的阻止作用，结果导致组织应力的反向，心部转为压应力，表层则为拉应力。

这种应力状态一直保持下来构成残余应力。

    由以上所述可以看出，工件在冷却过程中所形成的热应力及组织应力在不断变化，其分布方向恰好相反，但从数量上并不能正好抵消；热应力早在高温冷却初期即产生，而淬火组织应力则在较低的温度（Ms以下）时才开始出现；冷至室温后的最终残余内应力，其大小与分布情况取决于热应力与组织应力在每一瞬时相互叠加作用的结果。

    对于无同素异构转变的锻件，在锻后空冷或其它缓慢的冷却过程中，热应力通常并不引起严重后果。

虽然冷却初期温差较大，表层为拉应力（中心部分受压应力），但因温度较高，塑性较好，不致引起开裂；冷却后期温差不太大，且表层受压应力，所以也不引起开裂。

奥氏体（如1Cr18Ni9Ti、50Mn18Cr4WN）的任何大断面锻件都可以直接空冷而不需缓冷，甚至水淬时也不产生裂纹。

图3-37冷却过程中的温度应力和组织应力分布情况

    组织应力在较低温度下才开始发生，这时材料塑性较低，这是造成冷却时开裂的主要原因。

高速钢冷却裂纹（图片8-156）及马氏体不锈钢冷却裂纹（图片8-276）附近没有氧化脱碳现象也证明了这一点。

对于马氏体不锈钢即使采取一些缓冷措施，仍必须退火后才能进行酸洗，否则在腐蚀时易出现应力腐蚀开裂。

图片8-276裂纹由表面沿晶界向晶内扩展

W18Cr4V钢锻件一侧因锻后激冷形成的裂纹

    加热时温度分布及其变化情况与冷却时正相反，升温过程中表层温度超过心部温度，并且导热性越差，断面越大，温差也越大。

    对于热应力，这时表层受压内层受拉，在受拉应力区由于温度低，塑性差有可能形成开裂。

在加热初期金属尚处于弹性状态的时候，在加热速度不变的条件下，根据计算，在圆柱体坯料轴心区沿轴向的拉应力是沿径向和切向拉应力值的两倍。

因此，加热时坯料一般是横向开裂。

    加热过程中由于相变不同时进行也有组织应力发生，但这时由于温度较高，材料塑性较好，其危险程度远较冷锭快速加热时为小。

（二）形成裂纹的组织分析

   对裂纹的成因进行组织分析，有助于了解形成裂纹的内在原因，也是进行裂纹鉴别的客观依据。

   从大量的锻件裂纹实例分析和重复试验中可以观察到，金属材料的组织和性能是否均匀，对裂纹有重要影响。

    1.对组织和性能比较均匀的材料

   锻造过程中，首先在应力最大，先满足塑性条件的地方发生塑性变形。

在变形过程中位错沿滑移面运动，遇着障碍物，便会堆塞，并产生足够大的应力而产生裂纹，或由于位错的交互作用形成空穴、微裂，并进一步发展成宏观的裂纹。

这主要产生在变形温度较低（低于再结晶温度），或变形程度过大、变形速度过快的情况。

这种裂纹常常是穿晶或穿晶和沿晶混合的图片8-356为MB2镁合金在低于再结晶温度下变形时产生的穿晶裂纹。

但是由于高温下原子具有较高的扩散速度，有利于位元错的攀移，加速了恢复和再结晶，使变形过程中已经产生的微裂纹比较容易修复，在变形温度适宜、变形速度较慢的情况下，可以不发展为宏观的裂纹。

裂纹处的显微组织250×

    2.对组织和性能不均匀的材料

   对组织和性能不均匀的材料，裂纹通常在晶界和某些相接口发生。

这是因为锻造变形通常是在金属的等强温度以上进行的。

晶界的变形较大，而金属的晶界往往是冶金缺陷、第二相和非金属夹杂比较集中的地方。

在高温下某些材料晶界上的低熔点物质发生熔化，严重降低材料的塑性；同时，在高温下周围介质中的某些元素（硫、铜等）沿晶界向金属内扩散，引起晶界上第二相的非正常出现和晶界的弱化；另外，基体金属与某些相的接口由于两相在力学性能和理化性能上的差异结合力较弱。

   锻造所用的原材料通常是不均匀的。

因此，高温锻造变形时裂纹主要沿晶界或相界发生和发展。

   下面对组织和性能不均的材料，具体分析金属组织对锻造裂纹发生和发展的影响。

（1）微观裂纹的产生

   锻造过程中金属组织状况对微观裂纹的产生主要有下列三种情况。

   1）冶金和组织缺陷处应力集中。

在原材料的冶金和组织缺陷处，如疏松、夹杂物等的尖角处，在外力作用下发生应力集中；在第二相和基体相交界处，特别是第二相的尖角处容易产生应力集中。

在应力集中处较早达到金属的屈服点，引起塑性变形，当变形量超过材料的极限变形程度和应力超过材料的极限强度时便产生微观裂纹。

图片3-19为MB15镁合金在缺陷尾端由于应力集中产生的裂纹。

    2）第二相及夹杂物本身的强度低和塑性差。

第二相及夹杂物本身强度低，塑性差，受外力或微量变形时即产生开裂。

具体的有下列一些情况：

   ①晶界为低熔点物质。

锻造过程中常见的铜脆、红脆和锡脆等皆是由于在晶界的剪切和迁移中微观裂纹首先于晶界处的低熔点物质本身中发生而后发展的。

实例11、图片8-58为裂纹沿渗铜晶界开裂的情况，实例19、图片8-93为裂纹沿渗硫处开裂的情况。

坯料过烧时时，晶界发生氧化和熔化，裂纹沿晶界发展（见图片3-28）

   ②晶界存在脆性的第二相或非全属的夹杂物。

脆性物质包括：

碳化物、氮化物、氧化物、硅酸盐、硼化物及金属间化合物。

当晶界剪切和滑移时，上述物质有不同程度的破碎，当晶界物质的破碎得不到及时修复时，微观裂纹便在此处发生和发展。

实例64、图片8-299为LDll铝合金活塞模锻件中裂纹沿脆性的铁相发生的情况。

图片3-29为MB5镁合金杠杆模锻件中沿（Mg4A13）脆性相开裂的情况。

    ③第二相为强度低于基体的韧性相。

亚共析钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢中的铁素体属