【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(zhì)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(guān)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(xiàn)實意義。

【關(guān)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。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(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能。鍛造是一種優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、實用的錘擊或模壓方法，在機械、冶金、航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，鍛造技術(shù)在機械、冶金、航空、航天等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其微觀結(jié)構(gòu)和機械性能與許多因素有關(guān)，鍛造比是影響鍛件質(zhì)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(xiàn)。隨著鍛件的模鍛比率增大，變形程度增大。在此基礎(chǔ)上，變形程度與最終外殼尺寸直接相關(guān)，在材料最終設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量，從而對其在不同工藝條件下熔化零件的流動和應(yīng)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(zhì)量，從而對其進行質(zhì)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(zhì)量越高，鍛件質(zhì)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(zhì)量越好，所得到的鍛件質(zhì)量越好，鍛件質(zhì)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(shù)基本不變，塑性指數(shù)很細，沖擊韌性很好。企業(yè)績效改變與組織變革相對應(yīng)，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(xiàn)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(jié)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(nèi)微觀結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了如下變化：界面處碳化物雜質(zhì)和金屬流動逐漸形成纖維結(jié)構(gòu)，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(shù)，鍛造比k>5.0，材料的內(nèi)部組織和性能發(fā)生了如下變化：在此階段，隨著鍛件數(shù)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(shù)沒有提高。側(cè)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)晶形成一種新的軸向顆粒，使大的分枝結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(zhì)和化合物沿變形母材流動方向分布，這就為金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(nèi)部缺陷，高溫高壓焊接所產(chǎn)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(shù)增加，縱向纖維方向（即徑向）的塑性和粘度指數(shù)增加，塑性和粘度指數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)晶和晶粒生長是向低能狀態(tài)轉(zhuǎn)化的主要途徑。動態(tài)再結(jié)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(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)。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(yīng)中有一定的塑性變形和顯微組織再結(jié)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(yīng)和再結(jié)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(yīng)優(yōu)于橫向力學性能，這與力學性能試驗結(jié)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(wǎng)狀分布（未經(jīng)鍛造和熱處理），B1晶粒尺寸（未經(jīng)鍛造和正常火焰處理）明顯研磨，均勻性提高，因此B1 （未鍛造，未鍛造，未經(jīng)熱處理）的機械性能優(yōu)于A1 （未鍛造，未經(jīng)熱處理）。第二，B1垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)的比較（無鍛造和正交加工）：橫向結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(wǎng)狀分布，結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)優(yōu)于1/3R。結(jié)果表明，BK2垂直結(jié)構(gòu)的鐵含量明顯高于水平結(jié)構(gòu)，橫向晶粒大小和均勻度稍好，上述分析結(jié)論與力學性能試驗結(jié)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(chǔ)形成網(wǎng)狀分布，鍛件中細顆粒很少，動態(tài)再結(jié)晶與B2組構(gòu)相比不明顯，B3鍛件的晶粒尺寸較小，動態(tài)再結(jié)晶更均勻，軟化效應(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)分析，B-3鍛件的橫向尺寸和均勻度稍好于縱向，即上述結(jié)論與力學性能試驗結(jié)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(wǎng)狀鐵素體（白色）和網(wǎng)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(nèi)發(fā)生了較完整的動態(tài)再結(jié)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(jié)論與力學性能試驗結(jié)論一致。

結(jié)語

鍛造比是金屬鍛件變形的一種表現(xiàn)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(chǎn)的關(guān)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。