锻造裂纹产⽣的原因及解决⽅法
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。
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。
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。
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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
锻件在⽣产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：
孕妇梦见抓鱼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
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
一起发（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于此种情况。由于铁素体的σs 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(α)具有不同的热膨胀系数，因⽽MnS与Fe（α）交界处的结合⼒较弱，裂纹常沿交界处发⽣。
鲫鱼炖豆腐（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，⼤型锻件在⽣产过程中，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
1.锻造裂纹的鉴别
鉴别裂纹形成的原因，应⾸先了解⼯艺过程，以便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
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到裂纹外，还能到亮的铜⽹，⽽在单纯过烧的晶界只能到氧化物。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。
2.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
cσ≌a-bp+cε
由切应⼒引起开裂的条件为
Cτ≌A-Bp+ Cε
式中      P——静⽔压⼒，即三个主应⼒的平均值，拉为正，压为负；
ε——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℃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℃，⽽在冲击载荷下需在600℃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。庆六一儿童节黑板报
（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。