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(kuò)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(kuò)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(xué)成分等。
首先是加熱溫度與時間的影響，加熱熱越高，擴(kuò)散速度越快，鋼的氧化也越嚴(yán)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(dāng)過剩系數(shù)控制在0.4~0.5時，可以形成保護(hù)性氣氛，避免發(fā)生氧化。低于800℃時，SO2對鋼的氧化作用不強(qiáng)。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(xué)成分的影響，當(dāng)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(hù)薄膜，阻止氧向內(nèi)部擴(kuò)散，使氧化速度減慢。而當(dāng)鋼中鉻及鎳含量大于13％~20％時，實(shí)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(yīng)加熱等，以減少金屬在高溫下保溫停留的時間。在保護(hù)性介質(zhì)中加熱，常用的保護(hù)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(jìn)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(yīng)生成甲烷或一氧化碳。脫碳時，一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散。另一方面鋼中的碳向外擴(kuò)散。脫碳層只有在脫碳速度超過氧化速度時才能形成，當(dāng)氧化速度很大時?？梢圆话l(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(qiáng)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(yán)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(qiáng)度達(dá)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(yīng)力；同時，由于表層脫碳后強(qiáng)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(diǎn)，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(xué)成分、加熱溫度、保溫時間和爐氣成分等。鋼的化學(xué)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(kuò)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(kuò)散速度也加快，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快，此時氧化皮失去保護(hù)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(dá)0.4mm；加熱4h達(dá)1.0mm；加熱12h達(dá)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(qiáng)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?？刂萍訜釟夥眨怪尸F(xiàn)中性或采用保護(hù)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(yīng)降低爐溫，如停頓時間很長，則應(yīng)將坯料從爐內(nèi)取出或隨爐降溫。進(jìn)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(jìn)行保護(hù)，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(xì)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(jiān)，當(dāng)送進(jìn)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(jìn)量，使每次送進(jìn)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(qiáng)潤滑；注意鍛造時的送進(jìn)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(yīng)力或最大切應(yīng)變方向的切斷，另一種是斷裂面垂直于最大正應(yīng)力或最大正應(yīng)變方向的正斷。材料以何種形式斷裂，主要取決于所受正應(yīng)力σ與切應(yīng)力τ之比。對高塑性材料的扭轉(zhuǎn)，由于最大切應(yīng)力與正應(yīng)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(yīng)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(yīng)力、溫度不均勻引起的熱應(yīng)力和因組織轉(zhuǎn)變不同時進(jìn)行而產(chǎn)生的組織應(yīng)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(yīng)力，另一側(cè)受壓應(yīng)力。當(dāng)工件彎曲比較嚴(yán)重時，在隨后的校正工序中凹的一面受拉應(yīng)力，使工件開裂。由于彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，但與軸向成45°方向有最大剪應(yīng)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(yīng)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?yàn)檠劐懠韺映藟簯?yīng)力外，、凹試件還受徑向壓應(yīng)力分量的作用，阻止縱向開裂；而凸試件由于受徑向拉應(yīng)力產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力作用，促使表層縱向開裂。
2）由附加應(yīng)力及殘余應(yīng)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(yīng)力作用，而伸長較少的部位則受到附加拉應(yīng)力的作用。當(dāng)附加拉應(yīng)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(jìn)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(qiáng)制其延伸，而使其受到拉應(yīng)力，產(chǎn)生橫向裂紋。
3）由熱應(yīng)力及組織應(yīng)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(yīng)力。在降溫較快或升溫較慢處材料受拉應(yīng)力，反之，則受到壓應(yīng)力的作用。當(dāng)組織轉(zhuǎn)變不能同時發(fā)生時，則產(chǎn)生組織應(yīng)力。增加比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受壓應(yīng)力，減小比容的轉(zhuǎn)變區(qū)則受拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)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(yīng)力和組織應(yīng)力使工件在冷卻過程中聽形成的熱應(yīng)力和組織應(yīng)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(yīng)力在高溫時已經(jīng)形成，而淬火組織應(yīng)力則在較低的溫度時才開始出現(xiàn)。室溫時，殘余應(yīng)力的大小與分布取決于熱應(yīng)力與組織應(yīng)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(yán)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(dāng)溫度和應(yīng)變速度一定時，由拉應(yīng)力引起的開裂條件為：
Cσ≈a—bp+cε
由切應(yīng)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(yīng)力的平均值，拉應(yīng)力取正，壓應(yīng)力取負(fù)。ε是有效應(yīng)變，代表加工硬化。a、b、c和A、B、C為系數(shù)?？梢?，防止裂紋產(chǎn)生的主要措施如下。
1）變形時盡量減小拉應(yīng)力。三向等壓應(yīng)力不僅不會使裂紋擴(kuò)展，而且微小未被氧化的裂紋在高的三向壓應(yīng)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(yīng)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(yán)重，塑性下降；變形溫度過高，則易引起過熱與過燒。
3）控制應(yīng)變速度。應(yīng)變速度對低塑性材料有很大的影響，應(yīng)根據(jù)具體材料選用合適的鍛造設(shè)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(diǎn)物質(zhì)和脆性化合物，在鍛造時易引起開裂，應(yīng)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(xué)性能降低，尤其是沖擊性能
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過燒
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過燒嚴(yán)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(lán)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(kuò)展，削弱了晶粒間的聯(lián)系。另外，當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)?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(xué)性能降低，尤其當(dāng)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(dāng)
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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(shè)計不當(dāng)或鍛造方法選擇不合理，預(yù)先毛坯流線紊亂；操作不當(dāng)及模具磨損使金屬產(chǎn)生不均勻流動
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當(dāng)前位置：