裂纹原因分析

1、裂缝裂纹是锻压生产中常见的主要缺陷之一，通常先形成微裂纹，再扩展为宏裂纹。 锻造工序(包括加热冷却)中裂纹的产生，与受力状况、变形金属的组织结构、变形温度、变形速度等有关。 在锻造工序中，除了工具对工件施加的力以外，还有变形不均和变形速度不同引起的附加应力、温度不均引起的热应力、组织转变不同引起的组织应力。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。 前者通过对金属组织和微观机制的影响而作用于裂纹的产生和发展。 全面分析裂缝的原因，应综合进行力学和组织分析。(1)形成裂缝的力学分析由于外力，物体内各点处于一定的应力状态，根据方位不同而作用不同

2、的正应力及剪应力。 裂纹的形式一般有两种。 一个是切割，断面平行于最大剪应力或最大剪应变。 另一个是正截面，断面垂直于最大正应力或正应变方向。材料产生什么样的破坏形态主要取决于应力状态，即正应力与剪应力的比。 与材料所承受的极限变形的程度max以及max也有关系。 例如，相对于塑料材料的扭转，最大正应力和剪切应力之比/=1为剪切破坏的低塑性材料，由于不能承受大的拉伸应变，扭转时发生45个方向的裂纹。 由于截面形状急剧变化，或者试验片有尖锐的缺口，因此引起应力集中，应力之比/发生较大变化，例如在带缺口的试验片的伸长率/=4的情况下，多发生正断。其次，分析不同外力引起的裂纹的情况。1 .外力造成的

3、直接裂纹在冲压加工生产中，由于外力的作用可能引起龟裂：弯曲和对准、脆性材料的安装、冲孔扩张、扭转、拉拔、拉伸、胀形和翻边等几个工序合并如下说明。弯曲部件在修正工序(参照图3图34 )中，由于在一侧受到拉伸应力而容易产生裂纹。 例如，在某工厂锻造高速钢拉刀时，工具的截面是边长大不同的矩形，沿狭窄的边压缩时容易发生弯曲，弯曲比较严重，然后修正时经常开裂。镦粗时的轴向受到应力，但轴线和45方向上有最大剪切应力。 低塑性材料的镦粗常常容易产生接近45个方向的倾斜裂纹(参照图8-355 )。 塑性好的材料浇入后会产生纵裂纹，这主要是由于附加应力造成的。工件的几何形状对应力分布有很大影响。 例如，拉伸试验

4、棒可以视为在缩颈形成前的各处受到均匀的单向拉伸应力，缩颈形成后，缩颈表面受到三方拉伸应力的安装时也有同样的情况，但应力的符号相反。图3-34拔长时表面纵裂纹形成过程的示意图照片8-355 MB2镁合金锻件表面裂纹曾装入图335所示凹凸的2种试料。 镦粗后，凸形试样出现45的剪切裂纹(参照图3-35b )。 其主要原因是，沿表层分布的力除了在轴向上两者有压缩应力外，凹形试验片还产生径向应力成分(压缩应力)，凸形试验片因为有径向压缩应力而产生切线拉伸应力，前者阻止表层的纵裂纹，后者促进表层的纵裂纹。 生产上采用铆接镦粗的方法锻高速钢，力学上也利用中凹的工件，使镦粗时不易产生纵裂纹。另外，矩形截面坯

5、料在平砧下被拔出时产生的对角线裂纹也是由剪应力引起的。2 .由附加应力和残馀应力产生的裂纹在冲压加工生产中，多数裂纹是由附加应力的作用引起的，附加应力主要由两个原因引起。 变形不均变形时金属流速不均匀。 结合几个典型的工序介绍如下(1)变形不均引起的附加应力一般材料镦粗时侧面产生纵裂纹是由于表面受到切线拉伸应力的作用，该切线拉伸应力是镦粗时的变形不均引起的附加应力。 镦锻时中心区(ii )的变形大，周边区(iii区)的变形小，ii区的金属向外流动时，在切线方向上对iii区的金属施加拉伸应力(参照第4章图4-1 )。拉伸时，当进给量l相对于原材料的高度小时(l0.5h=，此时变形区域为双桶型，中

6、间部分无法锻炼，上下部分的金属强制地拉伸而受到拉伸应力(参照第4章图4-12 )，易弓l引起锻造品内部的横向裂纹(参照图4-8d )。 这在大型锻件的锻造中很常见。冲裁时，冲头下面的a区域金属(参照第4章图4-31 )向外流动时，拉伸应力沿切线方向作用于b区域金属，经常引起表面的纵裂纹(参照图4-30 )。图3-35凹形和凸形试样装入时的受力状况和裂纹形式(2)流速不均引起的附加应力挤压棒材时，受模口摩擦阻力的影响，表层金属流动慢，中部金属流动快，表层被拉伸，中部金属被压迫，表层容易发生横向裂纹(参照图3-36 )。 附加应力即使在外力消除后，也作为残留应力残留在工件内部，这成为延迟裂纹的主要

7、原因。 像挤出的黄铜棒一样，在潮湿的空气中，经常会因应力腐蚀而产生裂纹。图3-36棒材挤出时的附加应力分布的情况3 .温度应力和组织应力引起的裂纹加热或冷却时温度不均匀引起的热膨胀或冷却不均匀引起的内部应力，整体规则是降温快(或加热慢)时受到拉伸应力，降温慢或升温快时受到应力。组织转移不同时，容易产生组织应力。 整体规律是对瞬时增加比容的转移区进行受压应力，对瞬时减少比容的转移区进行拉伸应力。 冷却奥氏体时有马氏体相变的材料，冷却过程中形成的温度应力及组织应力的分布如图3-37所示(图中应力均表示轴向应力)。冷却初期工件表层温度明显低于心部，表层收缩趋势受心部阻碍，表层产生拉伸应力，心部产生与

8、其平衡的压缩应力，随着冷却过程的进行，该趋势进一步发展。 但是，由于心部温度高，所以塑性好，产生微量的塑性变形，也能够缓和该热应力。 到了冷却后期，表层温度已接近常温，几乎不收缩，但心部温度仍然很高，持续收缩，热应力的反向，即心部由压应力变为拉应力，表层由拉应力变为压应力。 保持该应力状态的构成材料的残馀应力。组织的变化是在一定的温度区间进行的。 工件表层冷却至马氏体相变温度时会产生体积膨胀，但心部依然为奥氏体状态，具有牵制表层体积膨胀的作用，因此表层此时受到应力。 随着冷却过程的进行，这一趋势进一步发展。 但是，随着心部的马氏体相变，由于其体积膨胀引起应力的缓和。 当工件继续冷却时，由于心部

9、形成的马氏体含量越来越多，体积膨胀也越来越大，表层体积不再变化，此时心部的伸长趋势受到表层的阻止作用，结果组织应力反向，心部转变为压应力，表层变为拉应力。 总是保持这种应力状态，构成残馀应力。综上所述，工件在冷却过程中形成的热应力和组织应力不断变化，其分布方向正好相反，但在数量上正好不能抵消。 热应力在高温冷却初期早产生，淬火组织的应力在比较低的温度(Ms以下)下开始产生冷至室温后的最终残留内部应力，其大小和分布状况取决于热应力和组织应力瞬时重合的结果。对于无异种相变的锻件，在锻后的空冷和其他缓慢冷却过程中，热应力通常不会导致严重的结果。 冷却初期的温度差大，表层为拉伸应力(中心部分的受压应力

10、)，但由于温度高，所以塑性好，不引起裂纹的冷却后期的温度差不太大，由于表层受到应力，所以也不引起裂纹。 奥氏体(例如，1Cr18Ni9Ti、50Mn18Cr4WN )的任何大截面锻件都可以直接空冷而不缓冷，在水淬时也不产生裂纹。图3-37冷却中的温度应力和组织应力分布情况组织应力在比较低的温度下开始产生，此时材料的塑性低，这成为冷却时裂纹的主要原因。 证明了在高速钢冷却裂纹(图8-156 )及马氏体系不锈钢的冷却裂纹(图8-276 )附近没有氧化脱碳现象。 即使对马氏体系不锈钢实施若干缓冷对策，在进行酸洗之前也必须退火，腐蚀时容易发生应力腐蚀裂纹。照片8-276的裂纹从表面沿着晶界在粒内扩展W

11、18Cr4V钢锻件侧锻后急冷引起的裂纹加热时的温度分布及其变化与冷却时正相反，升温过程中表层温度超过心部温度，并且热传导性越差，截面越大，温差也越大。对于热应力，此时表层的受压内层被拉伸，在受到拉伸应力的区域，由于温度低，塑性差有可能破裂。 在加热初期金属仍处于弹性状态时，在加热速度不变的条件下，根据修正计算，圆柱体坯料的轴心区域沿轴向的拉伸应力是径向和切线方向的拉伸应力值的2倍。 因此，加热时的原材料一般是横裂的。加热过程中，由于不能同时进行相变，因此也会产生组织应力，但是在这种情况下，由于温度高，因此材料的塑性良好，其危险度远小于冷锭的急速加热时。(2)形成裂缝的组织分析；组织分析裂缝的原

12、因，有助于了解裂缝形成的内在原因，也是进行裂缝鉴别的客观依据。大量锻件裂纹实例分析和重复试验表明，金属材料的组织和性能是否均匀对裂纹有重要影响。1 .组织和性能比较均匀的材料在锻造过程中，首先应力最大，先在满足塑性条件的地方发生塑性变形。 在变形过程中，位错沿着滑动面移动，遇到障碍物，就会堵塞，产生足够大的应力，产生裂纹，由于位错的相互作用，形成空位、微裂纹，进一步发展为宏观裂纹。 这主要发生在变形温度低(比再结晶温度低)或变形程度过大变形速度过快的情况下。 这种裂纹通常是MB2镁合金在低于再结晶温度的温度下变形时产生的穿通裂纹。 但是，由于高温下原子具有高扩散速度，有利于位错移动，加快恢复和

13、再结晶，使变形过程中已经发生的微裂纹比较容易修复，当变形温度适当、变形速度慢时，也可以不发展成宏观裂纹。裂纹部位的显微组织2502 .组织和性能不均匀的材料组织和性能不均匀的材料通常在晶界和部分相界面产生裂纹。 锻造变形通常在金属的等强温度以上进行。 晶界变形较大，但金属晶界往往是冶金缺陷、第二相和非金属夹杂较集中的地方。 在高温下，一些材料晶界上的低熔点物质熔融，材料的塑性显着降低的同时，在高温下，周围介质中的一些元素(硫、铜等)沿着晶界向金属内扩散，引起晶界中的第二相异常出现和晶界的弱化，另外，基体与某相的接口，两相的力学性能和理化性能的差异锻造时使用的材料通常是不均匀的。 因此，高温锻造

14、变形时的裂纹主要沿晶界和相界发生发展。下面对组织和性能不均匀的材料，具体分析了金属组织对锻造裂纹产生和发展的影响。(1)微裂纹的产生锻造过程中的金属组织状况主要有以下三种：微裂纹的产生。1 )应力集中于冶金和组织缺陷。 原材料的冶金和组织缺陷，例如稀疏、夹杂物等尖角因外力而产生应力集中，第二相和基体相的边界，特别是第二相的尖角容易产生应力集中。 在应力集中处很快达到金属的屈服点，引起塑性变形，如果变形量超过材料的极限变形程度，应力超过材料的极限强度，就会产生微裂纹。 图3图19是MB15镁合金的缺陷末端的应力集中引起的裂纹。2 )第二相及夹杂物本身的强度低，塑性差。 第二相及夹杂物本身强度低，

15、塑性差，受到外力或微量变形时产生裂纹。 具体情况包括：晶界是低熔点物质。 锻造过程中常见的铜脆、红脆和锡脆等，是因为在晶界的剪切和移动过程中微裂纹最初发生在晶界的低熔点物质本身之后才发展起来的。 实施例11、图8-58是裂纹沿铜渗透晶界裂纹的情况，实施例19、图8-93是裂纹沿硫渗透裂纹的情况。 如果坯料过度烧结，则晶界氧化熔融，裂纹沿晶界发展(参照图3-28 )。晶界存在脆性的第二相或非全属夹杂物。 脆性物质包括碳化物、氮化物、氧化物、硅酸盐、硼化物和金属间化合物。 在晶界剪切和滑动时，这些物质在一定程度上破碎，晶界物质的破碎不能及时修复的情况下，就会在这里发生、发展微裂纹。 实施例64、照

16、片8-299是LDll铝合金活塞型锻造品中裂纹沿脆性的铁相发生的情况。 图3-29是在MB5镁合金杆型锻件中沿(Mg4A13 )脆性相裂纹的情况。第二相是强度比基体低的韧性相。 亚共析钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢中铁素体就是这种情况。 因为铁素体的s小，所以在冲压加工变形时，首先铁素体局部变形，如果超过极限变形则形成微裂纹，如果铁素体网状地分布在晶界，则损害变大。3 )第二相及非金属夹杂物和基体之间力学性能和理化性能存在差异。 在这种情况下，微裂纹往往出现在其边界上，因为它们之间的耦合力较弱。 例如，在奥氏体系不锈钢中存在铁素体相的情况下，两相具有不同的变形阻力，在热锻时根据两者的变形程度而

17、产生附加应力，在奥氏体和铁素体的边界产生微观裂纹而扩展的情况较多(图8-249 )。 此外，例如由于MnS和Fe()具有不同的热膨胀系数，所以MnS和Fe()的边界的耦合力弱，裂纹总是沿着边界产生。图3-19向折叠端扩展的龟裂400照片8-58 50钢法兰锻件表面裂纹照片8-93裂缝附近有渗透物100照片3-28过烧结组织(晶粒粗大晶间熔融) 500照片8-299链状分布的铁相破碎脱落引起的裂纹500沿着图3-29mg4al3200沿着照片8-249-相界面产生的小裂纹500(2)微裂纹的进展断裂过程沿着能量下降的方向，沿着电阻最小的路径进行。 裂纹扩展的阻力取决于裂纹前缘金属的性能和微观破坏

18、机理。 应力状态、温度、应变速率和介质对裂纹扩展的阻力有一定的影响。 这些会因为对性能和破坏机制的影响而影响裂纹扩展抵抗。 本节将侧重于绩效(组织)的影响。裂纹前缘的金属韧性越好，裂纹扩展的阻力越大。 韧性是破坏过程所需能量的残奥表，该能量依赖于材料的强度和塑性，是材料强度和塑性的综合表现。 在确保一定强度的基础上提高塑性，对提高韧性和裂纹扩展的阻力有重要影响。因此，在热锻过程中，均匀受力时，裂纹主要沿着强度低塑性差的“弱区”(晶界和结合力弱的相界面等)扩展。 “弱区”的性能主要取决于第二相及夹杂物的性能、形状和分布特征。 较弱区域的强度越低，塑性越差，扩张速度越快。 图像3-28和图像8-93是裂缝沿晶界扩展的图像8-249沿相界扩展。 在具有纤维组织和带