熱塑性變形對鍛件會造成一定的影響,為了避免這些影響的產生,對它進行了如下幾點的總結:
1.改善組織及晶粒大小。對于鑄態(tài)金域坯料,粗大的樹枝狀晶組織經塑性變形及再結晶而變成等軸的細晶粒組織,對于經軋制、鍛造或擠壓的鋼坯或型材,在以后的熱加工中通過塑性變形與再結晶,其晶粒組織也可得到改善。
鍛件的晶粒大小直接取決于熱塑性變形時的動態(tài)回復和動態(tài)再結晶的組織狀態(tài),以及隨后的三種靜態(tài)軟化機理的作用,再結晶晶粒不足以長大,晶粒細小,特別是其中的靜態(tài)再結晶和亞動態(tài)冉結晶。而所有這些又都與金屬的性質、變形溫度、應變速率和變形程度以及變形后的冷卻速度等因素有密切關系。
對于熱變形時只發(fā)生動態(tài)回復的金屬,只要變形程度足以達到穩(wěn)定動態(tài)回復階段,則亞結構是均勻相等的,其尺寸大小主要與熱變形時的溫度和速度有關。終鍛溫度高、應變速率低,則隨后的靜態(tài)再結晶晶粒粗大;反之,則靜態(tài)再結晶晶粒細小。由于此類金屬的靜態(tài)再結晶進展緩慢,因此,若鍛后的冷卻速度快,也可能使靜態(tài)再結晶不充分。
對于只發(fā)生動態(tài)再結晶金屬,熱變形后的晶粒大小與動態(tài)再結晶時的組織狀態(tài)和亞動態(tài)再結晶過程有關。當變形溫度較高、應變速率較低和變形程度較小時,動態(tài)再結晶晶粒較大,經亞動態(tài)再結晶后晶粒也較粗大;反之,則動態(tài)再結晶晶粒較細小,經亞動態(tài)再結晶后的晶粒也就較小。由于亞動態(tài)再結晶進展速度很快,因此亞動態(tài)再結晶后的晶??偸潜葎討B(tài)再結晶時的晶粒大;如果熱變形后繼續(xù)保持高溫、冷卻速度過慢,則再結晶后的晶粒又會繼續(xù)長大而變得很粗大。
合金元素的影響,合金元素不論是固溶還是生成彌散微粒相,都有利于提高鍛件再結晶形核率和降低晶界的遷移速度,因而能使再結晶晶粒細化,例如,添加微量Nb的碳鋼比普通碳鋼能顯著降低再結晶速度,使晶粒細化。
熱變形時的變形不均勻,會導致再結晶晶粒大小的不均勻,特別是在變形程度過小而落入臨界變形程度的區(qū)域,再結晶后的晶粒會很粗大。在實際的成形加工中,這種再結晶晶粒的大小不均勻往往很難避免。對于大型自由鍛,可以通過改進工藝操作規(guī)程來改善這種不均勻性;但在熱模鍛時,由于模鍛件形狀往往很復雜,而所用原毛壞的形狀又比較簡單,這樣變形分布就可能很不均勻,而出現(xiàn)局部粗晶現(xiàn)象。在熱塑性變形時,當變形程度過大且溫度很高時,還會出現(xiàn)再結晶晶粒的相互吞并而異常長大,此稱二次再結晶。
2.鍛合內部缺陷。熱塑性變形可以使鑄態(tài)金屬中的疏松、空隙和微裂紋等缺陷被壓實,提高了金屬的致密度。內部缺陷的鍛合效果,與變形溫度、變形程度、三向壓應力狀態(tài)及缺陷表面的純潔度等因素有關。宏觀缺陷的鍛合通常經歷兩個階段:先是缺陷區(qū)發(fā)生塑性變形,使空隙變形、兩壁靠合,稱之為閉合階段,而后在三向壓應力作用下,加上高溫條件,使空隙兩壁金屬焊合成一體,稱之為焊合階段。如果沒有足夠大的變形程度,不能實現(xiàn)空隙的閉合,雖有三向壓應力的作用,也很難達到宏觀缺陷的焊合。對于微觀缺陷,只要有足夠大的三向壓應力,就能實現(xiàn)鍛合。
大鋼錠的斷面尺寸大,疏松、孔隙等缺陷又多集中于鋼錠的中心區(qū)域,因此在大鋼錠鍛造時,為提高中心區(qū)缺陷的鍛合效果,常采用“中心壓實法”或稱“硬殼鍛造法”。當對鋼坯沿其軸線方向鍛壓時,心部處在強烈的三向壓應力作用下,得到類似于閉式模鍛一樣的鍛造效果,從而有利于鍛合中心區(qū)域的疏松、孔隙缺陷。
3.改善碳化物和非金屬夾雜物在基體中分布及偏析。對于高速鋼、高鉻鋼、高碳工具鋼等,其內部含有大量的碳化物。這些碳化物有的呈粗大的魚骨狀,有的呈網狀分布在晶界。通過鍛造或軋制,可打碎這些碳化物并均勻分布,從而改善了它們對金屬基體的削弱作用,并使由這類鋼鍛制的工件在以后的熱處理時硬度分布均勻,提高了工件的使用性能和壽命。為了使碳化物能被充分地擊碎并均勻分布,通常對毛坯進行反復的鐓粗和拔長。
鋼錠內部通常還存在各種非金屬夾雜物,它們破壞了金屬基體的連續(xù)性。含有夾雜物的零件在服役時,容易引起應力集中,促使裂紋的產生,因而是有害的,許多大型鍛件的報廢往往就是由夾雜物引起的。
通過合理的鍛造,可使這些夾雜物變形或破碎,加之高溫下的擴散溶解作用,使其較均勻地分布在鋼中,改變其形狀和分布狀態(tài),減輕夾雜物的危害,同時,熱變形改善組織狀態(tài),打碎枝晶和加速合金元素的擴散,可以減輕枝晶偏析。
4.形成纖維組織。在熱塑性變形過程中,隨著變形程度的增大,鋼錠內部粗大的樹枝狀晶逐漸沿主變形方向伸長,與此同時,晶間富集的雜質和非金屬夾雜物的走向也逐漸與主變形方向一致,其中脆性夾雜物(如氧化物、氮化物和部分硅酸鹽等)被破碎呈鏈狀分布,而塑性夾雜物(如硫化物和多數(shù)硅酸鹽等)則被拉長呈條帶狀、線狀或薄片狀分布,于是在磨面腐蝕的試樣上便可以看到沿主變形方向上一條條斷斷續(xù)續(xù)的細線,稱為“流線”,具有流線的組織稱為“纖維組織”。
由于纖維組織對金屬的性能具有重要的影響,因此,在制訂熱成形工藝時,應根據(jù)零件的服役條件,正確控制金屬的變形流動和流線在鍛件中的分布。如對于立柱、曲軸等,在鍛造時應盡量避免切斷纖維,控制流線分布與零件幾何外形相符,并使流線方向與最大拉應力方向一致。對于容易疲勞剝損的零件,如軸承套圈、熱鍛模、搓絲板等,應盡量使流線與工作表面平行。對于受力比較復雜的零件,如發(fā)電機的主軸和錘頭等,因為各個方向的性能都有要求,不希望鍛件具有明顯的流線分布。這類鍛件多采用鐓粗和拔長相結合的方法成形,鐓粗的變形程度和拔長的變形程度合理組合,不會產生明顯的流線分布。