【材料课件】塑性加工工程学2

塑性加工工程学——锻件质量控制理论主讲曹建刚第三章锻件成形质量控制理论第一节概述经塑性成形后的坯料或零件，其质量（包括外形质量和内部质量）对零件的使用寿命有极大影响。例如，国内外航空发动机的涡轮盘、涡轮叶片、压气机叶片的炸裂和折断事故，汽车发动机和高速柴油机连杆在运行中的折断事故等，都与其锻件的内部质量有极为密切的关系。又如，锻件质量优良的Cr12钢冷冲模可冲压300万次以上，而质量低劣的同样模具寿命却不足5万次。塑性成形件的外形质量比较直观，而内部质量（组织、性能、微裂纹、空洞等）问题必须借助于一些专门的试验方法才能分析清楚。塑性成形件的质量除与塑性成形工艺和热处理工艺规范有关外，还与原材料的质量有密切关系。对于塑性成形件，除了必须保证所要求的形状和尺寸外，还必须满足零件在使用过程中所提出的各种性能要求：如强度指标、塑性指标、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能等，对在高温下工作的零件，还要求有高温瞬时拉伸性能、持久性能、抗蠕变性能和热疲劳性能等。塑性成形件的性能又取决于组织。不同材料或同一种材料的不同状态，其组织都是不同的，性能也是不同的。金属的组织与材料的化学成分、冶炼方法、塑性成形工艺及热处理工艺规范等因素有关。塑性成形工艺规范对塑性成形件的组织有重要的影响，尤其对那些在加热和冷却过程中没有同素异构转变的材料。如奥氏体和铁素体耐热不锈钢、高温合金、铝合金和镁合金等，主要依靠在塑性成形过程中，正确控制热力学工艺参数来改善塑性成形件的组织和提高其性能。一、原材料及塑性成形过程申常见的缺陷类型1、原材料中常见的缺陷主要有：毛细裂纹、结疤、折叠、非金属夹杂、碳化物编析、非金属夹杂物、白点、缩孔等；2、加热不当产生的缺陷主要有：过热、过烧、加热裂纹、铜脆、脱碳、增碳等；3、成形工艺不当产生的缺陷主要有：大晶粒、晶粒不均匀、裂纹（十字裂纹、表面龟裂、飞边裂纹、分模面裂纹、孔边龟裂等）、锻造折叠、穿流、带状组织等；4、锻后冷却不当产生的缺陷主要有：冷却裂纹、网状碳化物等；5、锻后热处理工艺不当产生的缺陷主要有：硬度过高或过低、硬度不均等。二、塑性成形件质量分析的一般过程及分析方法1．塑性成形件质量分析的一般过程塑性成形件的质量问题可能发生在塑性成形生产过程中，但在热处理、机械加工过程中或使用过程中才反应出来。可能是由于某一生产环节的疏忽或工艺不当而引起。可能是由于设计和选材不当而造成。对于由塑性成形件制成的零件在使用过程中所产生的缺陷和损坏需要查明是否由塑性成形件本身质量问题引起还需要弄清楚零件的使用受力条件、工作部位与环境以及使用维护是否得当等情况。在排除了零件设计、选材、热处理、机加工及使用等方面的因素之后，才能集中力量从塑性成形件本身质量上寻找缺陷和损坏的产生原因。塑性成形件中缺陷的形成原因也是多方面的，依据缺陷的宏观与微观特征来判断是纯属塑性成形工艺因素引起还是与原材料质量有关，是制定的工艺规程不合理还是执行工艺不当所致，确切的结论只有在经过细致的试验分析后才能作出。关于塑性成形件的缺陷表现在成形件外观方面，如外部裂纹、折叠、折皱、未充满或缺肉、压坑等；表现在塑性成形件内部，如各种低倍组织缺陷（裂纹、发纹、疏松、粗晶、表层脱碳、非金属夹杂、白点、偏析、树枝状结晶、缩孔、流线紊乱、有色金属的穿流、粗晶环、氧化膜等）；反映在微观组织方面，如第二相的析出等；反映在成形件的性能方面，如室温强度或塑性、韧性、疲劳性能等不合格，瞬时强度、持久强度和持久塑性、蠕变强度等高温性能不符合使用要求。无论是表现在塑性成形件外部的，或是表现在内部和性能方面的质量问题，它们之间在大多数情况下是互为影响的，往往是互相联系、伴随产生并恶性循环。例如，过热或过烧通常会造成晶粒粗大、锻造裂纹、表层脱碳以及塑性、韧性等力学性能降低等质量问题；材质内部有夹杂则可能引起内部裂纹，内裂纹的进一步扩大与发展就可能暴露为成形件表面裂纹。所以，在对塑性成形件质量分析时，必须认真地观察和分析缺陷的形态和特征，查明质量问题的真实原因。对塑性成形件进行质量分析的一般过程是：（l）调查原始情况调查原始情况应包括：原材料、塑性成形工艺及热处理工艺情况。在原材料方面，要弄清楚塑性成形件材料牌号、化学成分、材料规格和原材料质量保证单上所载明的各项试验结果，必要时还要弄清原材料的冶炼、加工工艺情况；在塑性成形工艺和热处理工艺方面，要调查工艺规程的制定是否合理、加热设备及加热工艺是否正常、塑性成形操作是否得当等。（2）弄清质量问题主要是查明塑性成形件缺陷部位、缺陷处的宏观特征，初步确定是原材料质量问题所起的缺陷还是塑性成形工艺或热处理工艺本身造成的缺陷。（3）试验研究分析是确定塑性成形件缺陷原因的主要试验阶段对有缺陷的成形件进行取样分析，确定其宏观与微观组织特征必要时还需作工艺参数的对比试验，研究和分析产生缺陷的原因。（4）提出解决措施在明确成形件中产生缺陷原因的基础上，结合生产实际提出预防措施及解决办法。2．塑性成形件质量分析的方法塑性成形件表面的质量问题一般都与加热和变形有关，如表面缺陷——裂纹、折叠等，都有氧化皮存在，而其内部的缺陷及性能不合格，皆与塑性成形过程中的热力学因素有关。分析方法：低倍组织试验金相试验金属变形流动分析试验。破坏性试验，将待分析的缺陷成形件进行解剖，从缺陷处取样分析。低倍组织试验可以暴露成形件的宏观缺陷，这类试验包括硫印试验、热蚀和冷蚀酸浸试验、断口试验等。高倍组织对于研究和分析缺陷的微观特征、形成机理有重要意义。金属变形流动分析试验对分析裂纹、折叠和粗晶的形成、流线的分布和穿流等有特殊意义。在对塑性成形件质量分析时，往往是将低倍组织试验、金相试验及金属变形流动分析试验结合起来同时进行，这样才有可能对缺陷的性质与形成原因有一个比较完整的认识。深入一步研究缺陷性质和形成机理的方法，可以借助透射型或扫描型电子显微镜以及电子探针。在化学成分析方面，可借助新近出现的电子计算机控制的直接读数的放射摄谱仪，配有计算机、自动打字机和电视显示的X射线荧光光谱仪以及其他新的检测方法和仪器设备。这些先进检测仪器和设备的出现，体现了质量分析方法向快速、精确和高效率发展的特点。对于某些重要的大型锻件和军工用大型锻件，破坏性试验和常规的检验分析技术已不能适应技术发展的需要，必须采用特殊的非破坏性试验方法：常用的无损探伤方法主要有超声波探伤、超声波探伤应用最广泛，它用于检验锻件内部缺陷。渗透探伤：（着色和荧光）用于检查锻件表面缺陷。磁力探伤。（着色和荧光）用于检查锻件表面缺陷。塑性成形件质量分析方法的特点是：广泛采用各种先进的试验技术与试验方法。要准确地分析成形件质量问题，有赖于正确的试验方法和检测技术，同时要善于对试验结果进行科学的分析与判断。破坏性试验是成形件质量分析的主要方法。无损探伤这种非破坏性试验技术已日益显示出它的优越性，并将在塑性成形件质量检验与分析中占据应有的地位。第二节塑性成形件中的空洞和裂纹一、塑性成形件中的空洞在金属材料中，一般都存在各种各样的缺陷，如疏松、缩孔、偏析、第二相和夹杂物质点、杂质等，这些缺陷，特别是夹杂物或杂质质点一般都处于晶界处。带有这些缺陷的材料，在塑性成形中，当施加的外载荷达到一定程度时，在应力应变场中，有夹杂物或第二相质点等缺陷的晶界处，由于位错塞积或缺陷本身的分裂而形成微观空洞。这些空洞随外载荷的增加而长大、聚集，最后形成裂纹或与主裂纹连接，从而导致成形件破坏。钢中MnS夹杂物界面强度往往很低，很容易在界面处分离而形成空洞。比较脆的夹杂物，如硅酸盐类夹杂物，其本身在外载荷作用下破裂而形成空洞。第二相质点与基体的膨胀系数不同时，在冷却过程中，由于冷缩的差异，有可能在其界面处形成残余应力，这样将更促进界面处空洞的形成。因此，空洞是塑性成形过程中普遍存在的组织变化。塑性成形过程中，在一定的外界条件下，就会出现空洞的形核、长大，继而发生空洞的聚合或连接，形成裂纹。当一定程度的空洞并呈细小而分散状独立存在时，对晶界滑动是有利的，因为当晶界滑动到三角晶界处难于继续进行滑动时，可借助空洞来松弛并增高塑性。但如果材料内部的空洞很多，或尺寸较大，就会存在大量的或较强的应力集中区。由于这些应力集中得不到及时的松弛，就必然导致应力松弛的能力降低，”从而大大限制了材料变形的能力。另一方面，如果成形后的材料内部存在大量空洞，特别是较大的V形空洞，就会严重地降低材料的强度和塑性，特别是断裂韧性，这就会给成形零件特别是那些受力构件的使用可靠性带来巨大的威胁。按空洞的形状，空洞大致可分为两类：一类为产生于三晶粒交界处的楔形空洞，或称V形空洞，这类空洞是由应力集中产生的；另一类为沿晶界，特别是相界产生的圆形空洞或称O形空洞，它们的形状多半接近圆或椭圆。出现O形空洞的晶界或相界多半与拉应力垂直。在带坎的晶界上也会出现O形空洞。O形空洞可以看作是过饱和空位向晶界（或相界）汇流、聚集（沉淀）而形成的。一般说来，在高应力下易出现V形空洞，低应力下易出现O形空洞。从能量的观点看，这是因为在相同的体积下V形空洞的表面积比O形的大，因而形成能量（与表面积成正比）也大，需要较大的应力。V形空洞一旦形成后，由于其能量比O形（在相同体积下）高，因而它力图释放一部分能量而转变为O形，这一转变是在高温下通过扩散过程来完成的。试验表明，压应力和拉应力同样可以产生空洞，切应力比拉应力更起作用。一般来说，在压应力作用下产生空洞比在拉应力作用时要困难，特别是在高的球张量压应力下变形材料内部不易出现空洞。相反，在高的球张量压应力下，使原有的空洞有可能被压合。二、塑性成形件中的裂纹塑性成形过程中能产生裂纹在塑性成形前（如下料、加热）及塑性成形后（如冷却、切边。校正）都有可能产生裂纹。在不同的工序中所产生裂纹的具体原因及相应的裂纹形态也是不同的。先形成微观裂纹，然后扩大成宏观裂纹。在塑性成形中产生裂纹基本上有两个方面一是由于原材料中的缺陷，如各种冶金缺陷、夹杂物等；二是属于塑性成形本身的原因，如加热不当、变形不当或冷却不当等。上述两方面原因又可归结为力学因素和组织因素。（一）塑性成形件中产生裂纹的原因分析l、形成裂纹的力学分析经研究认为，对于一定的材料，宏观破坏（产生裂纹而断裂）的条件一般由下式给定：式中σij——应力状态；dε——应变的积累；ε——变形速度；T——温度；σσ——拉断极限应力；τσ——切断极限应力。能否产生裂纹，与应力状态、变形积累、应变速度及温度等很多因素有关。其中应力状态主要反映力学的条件。物体在外力作用下，其内部各点处于一定的应力状态，在不同的方位将作用有不同的正应力及切应力。材料断裂（产生裂纹）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方向；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，即正应力与切应力之比值，也与材料所能承受的极限变形程度有关。（l）由外力直接引起的裂纹在塑性成形中，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、拉延、拉伸、胀形和内翻边等。弯曲件在校正工序中，由于一侧受拉应力常易引起开裂。例如某厂锻高速钢（W18CI4V）拉刀坯料时，坯料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，随后校正时在凹的一侧受拉应力而引起纵向开裂。镦粗时轴向虽受压应力，但与轴线成45°方向有最大切应力。低塑性材料镦粗时常易产生近45°方向的斜裂。塑性好的材料镦粗时则产生纵裂，这主要是附加拉应力引起的。圆坯料在平砧上用小压缩量滚圆时，会在垂直打击的方向形成拉应力，而且心部最大。用滑移线理论计算也可得出如此结果。这种拉应力易引起心部金属开裂。对于高的圆柱体，压缩时虽然同样也有难变形区存在，但紧接着该区即有因变形而形成的双鼓，中部并不受拉应力，这说明工件形状和尺寸的不同引起了变形