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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。与剪应力T之比值。也与材料所能承受的极限变形程度£max及Ymax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o/t=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%有很大变化,例如带缺口试件拉伸o/t=4,这时多发生正断。
下面分析不同外力引起开裂的情况。
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。
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、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。
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。高速钢冷却裂纹及马氏体不锈钢冷却裂纹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。
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。
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。
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:
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
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。
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于此种情况。由于铁素体的加小,压力加工变形时,首先是铁素体局部变形,当超过极限应变时,便形成微观裂纹,当铁素体呈网状分布于晶界时危害更大。
3) 第二相及非金属夹杂与基体之间在力学性能和理化性能上有差异。在此种情况下,微观裂纹往往产生在它们交界处,这是他们之间结合力较弱的缘故。例如奥氏体不锈钢中存在铁素体相时,两相具有不同的变形抗力,由于热锻时两者的变形程度不同产生了附加应力,常常在奥氏体与铁素体的交界处产生微观裂纹而后扩展(图片8-249)。又例如MnS和Fe(a)具有不同的热膨胀系数,因而MnS与Fe(a)交界处的结合力较弱,裂纹常沿交界处发生。
(2) 微观裂纹的扩展断裂过程是沿着能量降低的方向,遵循阻力最小的途径进行的。裂纹扩展的阻
力由裂纹前缘金属的性能和微观的断裂机制来决定。应力状态、温度、应变速度及介质对裂纹扩展的阻力有一定影响。它们是通过对性能和断裂机制的影响来影响裂纹扩展阻力的。本节侧重研究性能(组织)的影响。
裂纹前缘金属的韧性愈好,则裂纹扩展的阻力愈大。韧性是断裂过程所需能量的参量,而这种能量取决于材料的强度和塑性,它是材料强度和塑性的综合表现。在保证一定强度的前提下提高塑性,对提高韧性和裂纹扩展的阻力具有重要的影响。
因此,热锻过程中,在均匀受力的情况下,裂纹主要沿着强度低和塑性差的“弱区”(晶界和结合力弱的相接口等)扩展。“弱区”的性能主要取决于第二相及夹杂物的性能、形状和分布特点。“弱区”的强度愈低,塑性愈差,则扩展的速度愈快。在具有纤维组织或带状组织的锻坯中,裂纹较易沿纤维方向或带的方向开裂。
(3) 宏观裂纹的扩展上面所论述的是微观裂纹的扩展途径,而锻件上宏观裂纹的实际走向是由受力
情况和材料的组织情况二者决定的。而且,总的趋势(方向)是由受力情况决定的。例如当二相呈细小均匀分布时,宏观裂纹的扩展方向往往与正应力的垂直方向或切应力的方向一致。当夹杂物集中在金属的某些地区并呈条带状分布时,条带方向便是裂纹扩展阻力最小的方向。例如在镦粗变形时常常可以观察到与主拉应力的垂直方向及最大剪应力方向不完全一致的情况。
(三)锻造裂纹的鉴别与防止产生裂纹的主要对策
鉴别裂纹形成的原因,应首先了解工艺过程,以便找出裂纹形成的客观条件,其次应当观察裂纹本身的状态,然后再进行必要的有针对性的显微组织分析,微区成分分析。举例如下:
对于产生龟裂的锻件,粗略分析可能是:①由于过烧;②由于易溶金属渗入基体金属(如铜渗人钢中);③应力腐蚀裂纹;④锻件表面严重脱碳。这可以从工艺过程调查和组织分析中进一步判别。例如在加热钢以后加热钢料或两者混合加热或钢中含铜量过高时,则有可能是铜脆。从显微组织上看,铜脆开裂在晶界,除了能找到裂纹外,还能找到亮的铜网,而在单纯过烧的晶界只能找到氧化物。应力腐蚀开裂是在酸洗后出现,在高倍观察时,裂纹的扩展呈树枝状形态。锻件严重脱碳时,在试片上可以观察到一层较厚的脱碳层。
裂纹与折叠的鉴别,不仅可以从受力及变形的条件考察,亦可以低倍和高倍组织来区分。一般裂纹与流线成一定交角,而折叠附近的流线与折叠方向平行,而且对于中、高碳钢来说,折叠表面有氧化脱碳现象。折叠的尾部一般呈圆角,而裂纹通常是尖的。
具有裂纹的锻件经加热后,裂纹附近有严重的氧化脱碳,冷却裂纹则无此现象。由缩管残余引起的裂纹通常是粗大而不规则的。
由冷校正及冷切边引起的裂纹,在裂纹的周围有滑移带等冷变形痕迹。
防止裂纹产生的对策
(1)提高静水压力的数值
由前面分析可以看出,裂纹的产生与受力情况和材料的塑性有关,塑性是材料的一种状态,它不仅取决于变形物体的组织结构,而且还取决于变形的外部条件(包括应力状态、变形温度和变形速度)。应力状态的影响在有些文献中用静水压力来衡量,当温度和应变速度一定时,由拉应力引起开裂的条件为
co今a-bp+c£
由切应力引起开裂的条件为
Ct今A-Bp+Ce
式中 P——静水压力,即三个主应力的平均值,拉为正,压为负;
e——等效应变,代表加工硬化;l
a、b、c、A、B、C 系数。
三向等压应力不仅不会使裂纹扩展,既使变形中存在微小的未被氧化的裂纹,在高的三向压应力作用下,也是可以锻合的。对于低塑性材料采用反推力挤压及带套激粗都是用增加静水压力的数值来防止开裂。挤压和拔长时减少附加拉应力,是防止开裂的非常有效措施(例如静液挤压)。
(2)严格控制变形温度
变形温度对材料的塑性有重要影响,温度低,冷变形硬化严重,塑性下降;温度过高,易过热、过烧。镁合金等密排六方晶格的金属材料在常温下仅有一组滑移面(即基面),温度超过200°C以后才增加新的滑移面,因此,应当保证在变形过程中,能够充分地进行再结晶,并尽可能在单相的状态下变形。“
(3)采用合适的应变速度
应变速度对于低塑性材料有很大的影响,应根据具体材料选用合适的锻造设备。例如,某厂MB5镁合金在锤上热锻易裂,而在水压机上用同样温度锻压则不产生锻裂。其原因是镁合金再结晶过程进行缓慢,高速下变形易开裂。文献[1]仲介绍
MA3(相当于MB5)合金在压力机上变形时再结晶温度为350°C,而在冲击载荷下需在600°C变形才能获得完全的再结晶组织。
(4)必要时需进行中间退火冷变形程度过大时往往易引起开裂,需要中间退火,以消除硬化和变形所引起的部分缺陷。
(5)采用热压变形
热变形时通常由于再结晶过程能顺利进行等原因,使变形引起的缺陷部分地得到消除,因而使塑性有所提高。
(6)改善坯料的组织为提高材料的塑性,从组织上应避免晶界上出现低熔点物质和脆性化合物。
(7)采用高温均匀化
高温均匀化可以改善组织不均匀性,提高材料的塑性。