鍛造比對鍛件力學性能及微觀組織影響的研究

【摘? 要】影響鍛件力學性能及微觀組織的因素很多，鍛造比是影響鍛件質量的主要因素之一。鍛造比是表征鍛造過程中金屬變形程度的一種手段，隨著鍛件變形程度的增加，其直接關系到最終的堵塞、材料共晶碳化物的破碎程度、材料最終成形后的纖維方向和密度等，對材料綜合性能的影響非常大，因此研究鍛造比對鍛件力學性能和微觀組織的影響具有重要的現實意義。

【關鍵詞】鍛造比;鍛件力學性能;微觀組織

引言

鍛造是利用工具在一定溫度下加料，使金屬發(fā)生塑性變形，從而轉移體積和改變原材料的形狀，從而得到理想的形狀、尺寸和微觀結構。鍛造工作主要包括以下兩個方面。第一是模壓成型，在模具中，把原材料制成所要求的形狀和尺寸。第二是“可控”，即通過變形控制鍛件內部結構和性能。鍛造是一種優(yōu)質、經濟、實用的錘擊或模壓方法，在機械、冶金、航空、航天等領域有著廣泛的應用，鍛造技術在機械、冶金、航空、航天等行業(yè)中得到了廣泛的應用，其微觀結構和機械性能與許多因素有關，鍛造比是影響鍛件質量的主要因素之一。鍛造比是金屬在鍛造過程中變形的表現。隨著鍛件的模鍛比率增大，變形程度增大。在此基礎上，變形程度與最終外殼尺寸直接相關，在材料最終設計后，纖維流動方向和密度對材料的整體性能有很大的影響，因此，研究鍛造比對材料力學性能及微觀組織的影響是十分重要的，從而提高變形的均勻性和產品質量，從而對其在不同工藝條件下熔化零件的流動和應變分布規(guī)律進行檢查和維護，并采取各種有效措施，提高變形的均勻性和鍛件質量，從而對其進行質量控制是十分必要的。

一、鍛造比對鍛件力學性能及組織的影響

（一）鍛造比對鍛件組織性能的影響

鍛件質量越高，鍛件質量越好，所得到的鑄錠組織和力學性能就會發(fā)生較大變化，鑄件質量越好，所得到的鍛件質量越好，鍛件質量也就越高。舉例來說，碳鋼是一種碳鋼錠，它的鍛壓程度隨機械性能的提高而不同，其拉伸變形程度不同：強度指數基本不變，塑性指數很細，沖擊韌性很好。企業(yè)績效改變與組織變革相對應，主要分為以下三個階段進行分析：第一階段，企業(yè)績效變化范圍為k=0～2.0。此階段鋼錠的變化如下：高溫下，鑄錠部位出現氣泡、松散、裂紋，受壓時密度增大。大枝晶和柱狀組織被破壞，然后結晶成細顆粒，從而提高鋼的塑性和沖擊韌性。第二階段，收集到的碳化物及非金屬夾雜物的形狀開始發(fā)生變化，碳化物可分散，并可分解（如：脆性氧化物）或隨鑄錠變形（如塑性碳化物），鍛造比=2.0-5.0。該階段內微觀結構和性能發(fā)生了如下變化：界面處碳化物雜質和金屬流動逐漸形成纖維結構，鍛造比繼續(xù)增加。第三階段，鍛件性能成為導軌和縱向塑性指數，鍛造比k>5.0，材料的內部組織和性能發(fā)生了如下變化：在此階段，隨著鍛件數量的進一步增加，鍛件中纖維組織均勻化，但縱向強度和塑性指數沒有提高。側向性能仍然明顯下降（主要是塑性指標）。上述細節(jié)層次因材料、形狀、尺寸、冶金鑄件質量、合金元素、鑄造變形形式等的不同而有所不同。舉例來說，第一階段的鍛造比大約是4.0，第二階段大約是4.0-8.0，第三階段是大于8.0的。

（二）鐓粗變形對材料組織性能的影響

第一，鐓粗對材料微觀結構的影響。將大型樹枝狀組織分解，得到均勻的細顆粒。在鐓粗到一定變形量時，再結晶形成一種新的軸向顆粒，使大的分枝結晶結構破碎，從而提高金屬塑性和強度，形成纖維組織;在沉淀過程中，大部分雜質和化合物沿變形母材流動方向分布，這就為金屬結構提供了一定的方向，所謂的金屬纖維，如果坯料纖維形成清晰的纖維結構，金屬的性能將是定向的，即各向異性的鍛造孔，枝中的微孔，坯料的內部缺陷，高溫高壓焊接所產生的孔隙率，微裂紋等缺陷對材料性能的影響是定向的，即當金屬徑向流動時，隨著鍛造量的增加，徑向纖維沉積，纖維方向（即徑向）的粘度和塑性指數增加，縱向纖維方向（即徑向）的塑性和粘度指數增加，塑性和粘度指數增加。

二、軋鋼材鍛造比對鍛件微觀組織影響的研究

在高溫下，金屬和合金的顯微組織是由熱塑性變形（即熱鍛）改變的，其變化程度隨著變形（即鍛造比）的增大而增大，并且形狀變得復雜。形變時，主要用來將機械能轉化為熱能，而變形組織中僅有少量變形儲備。這些存儲的能量是不穩(wěn)定的，在合適的條件下會轉變?yōu)榈湍芰繝顟B(tài)，變形前的組織狀態(tài)會恢復。逆流、再結晶和晶粒生長是向低能狀態(tài)轉化的主要途徑。動態(tài)再結晶（熱鍛）可以改變熱變形過程中儲層變形的形態(tài)和大小，這種微觀變化將對材料的微觀結構和性能產生重要影響。

（一）微觀組織觀察實驗

第一，樣品的準備。鐓粗變形不均，導致鍛件內部結構不均勻。為檢測金相試樣，通過對鍛件進行力學性能測試，為節(jié)省剩余試件的成本和時間，選擇剩余試件完成金屬相沖擊試驗，每個鍛件在同一位置都要取一組試樣，即，每一鍛件都要在垂直1/3 R、2/3 R和橫向1/3 R、2/3 R位置的四個點上選擇一組沖擊試樣，從五個鍛件中共采集16個金相觀察樣品。第二，觀察金相組織。樣品必須經過研磨才能觀察金相組織。詳細的工藝是沖擊試樣廢端面均勻研磨，然后進行金相研磨。磨削分為粗、精、精、磨三個工序，沖擊試樣的廢端面尺寸為50 mm×50 mm，可以直接用手工研磨。選用250#工字紙、400#金相砂紙、600#金相砂紙，挑選800#金相砂紙細磨。每一片砂紙都按一個方向研磨，直至清除舊刮痕均勻，重新刮平，再把下一張較薄的砂紙也換成900，拋光后再用東京 unipol-8330型磨光。試樣表面清潔，無擦傷、拋光。試樣經清洗和腐蝕后，腐蝕劑為4%硝酸乙醇溶液，腐蝕時間約15 s。銹蝕后，用清水洗凈，再用吹風機迅速烘干，以防止表面氧化。用金相顯微鏡觀察在腐蝕過程中制備的樣品。

（二）鍛件微觀組織分析

（1）正火處理對軋鋼材微觀組織的影響

放大100倍后，金屬片上的錯位顯示出45#不同軋制位置的微觀結構。第一，A1 （不鍛造、不進行熱處理）在垂直和水平方向形成鐵素體（白色）和片狀珠光體（黑色），它們以不同的晶粒尺寸分布。A1在某些動態(tài)反應中有一定的塑性變形和顯微組織再結晶。第二，對A1的縱向和橫向金相組織（非鍛造和熱處理）進行了比較：在橫向組織中存在較大的粗晶，在軋制、動態(tài)響應和再結晶過程中，大晶粒周圍存在小團聚體，織物的小而均勻的燃燒效果好于橫向燃燒，因此，軋制45＼353.鋼材的縱向力學性能應優(yōu)于橫向力學性能，這與力學性能試驗結論一致。

軋制45#在不同顯微組織部位進行多次正交加工（1200℃空冷），比金相高100倍。第一，B1 （不鍛燒，正火）是鐵素體（白色）和片狀珠光體（黑色）的基體，與A1織物相比形成網狀分布（未經鍛造和熱處理），B1晶粒尺寸（未經鍛造和正?；鹧嫣幚恚┟黠@研磨，均勻性提高，因此B1 （未鍛造，未鍛造，未經熱處理）的機械性能優(yōu)于A1 （未鍛造，未經熱處理）。第二，B1垂直結構和水平結構的比較（無鍛造和正交加工）：橫向結構中有大而粗的晶粒，少量細顆粒;縱向組織體積小，均勻性好，因此縱向力學性能B1 （無鍛造，正焰處理）應優(yōu)于橫向力學性能。

（2）鍛造比對軋鋼材微觀組織的影響

擴大100倍的金相顯示出B2鋼鍛件（鍛造比k=2）的微觀結構。鍛壓方式B2（k=2）以鐵（白色）和片狀珠光體（黑色）為基體，鍛造部分呈網狀分布，結晶還原性較好，形成較細顆粒，但B2、B1（不鍛燒，常規(guī)火焰處理）和A1（不熱處理）鍛件的金相組織。B2的晶粒尺寸優(yōu)于A1和B1，但低于原A1，且在再結晶過程中局部動態(tài)降低，2/3R鍛件的粒度均勻性明顯優(yōu)于A1、B1坯料，低于原A1多次熱處理，但低于原A1多次熱處理，2/3R鍛件在不同零件的結構分析中，2/3R鍛件的粒度均勻性明顯優(yōu)于1/3R，鍛件在2/3R時發(fā)生了位置斷裂，即2/3R鍛件的力學性能應優(yōu)于1/3R。結果表明，BK2垂直結構的鐵含量明顯高于水平結構，橫向晶粒大小和均勻度稍好，上述分析結論與力學性能試驗結論一致

可見，B3（k=3）鋼鍛件的微觀組織增加了100倍的鍛造形式，B3以鐵粉（白色）和片狀珠光體（黑色）為基礎形成網狀分布，鍛件中細顆粒很少，動態(tài)再結晶與B2組構相比不明顯，B3鍛件的晶粒尺寸較小，動態(tài)再結晶更均勻，軟化效應更小，因此B3具有更好的強度，其塑性低于B2。通過對不同部位的組織進行分析，發(fā)現2/3 R鍛件的尺寸和均勻度明顯優(yōu)于1/3R，即在不同方向上對B-3鍛件進行結構分析，B-3鍛件的橫向尺寸和均勻度稍好于縱向，即上述結論與力學性能試驗結果一致

可見，B4（k=4）鋼鍛件的顯微組織增加了100倍，B4組織基體是網狀鐵素體（白色）和網狀珠光體（深色），初始顆粒完全破碎，與B3（k=3）和B2（k=2）相比，晶粒明顯細小均勻。軋制45＼＼35 C時，鋼的鍛造比為4（B4），變形組織內發(fā)生了較完整的動態(tài)再結晶，難以區(qū)分初始晶粒，與B3相比，原晶粒已被動態(tài)替換，力學性能有所降低，但塑性和強度有所提高，B4鍛件在不同方向和位置的晶粒度和均勻性都較低，因此上述結論與力學性能試驗結論一致。

結語

鍛造比是金屬鍛件變形的一種表現形式。模鍛比對鍛件與鍛件的力學性能有直接影響，確定材料的最佳鍛造工藝是指導實際生產的關鍵。通過對鍛件的力學性能進行觀察，得出鍛件對軋制及顯微組織力學性能的影響規(guī)律。

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作者簡介：

池芳義，（1985-），男，漢族，江蘇江陰人，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學材料成型及控制工程專業(yè)，江陰興澄特種鋼鐵有限公司，工程師，學士，研究方向：鋼球軋制熱處理研究。