锻造比对锻件力学性能及微观组织影响的研究

【摘  要】影响锻件力学性能及微观组织的因素很多，锻造比是影响锻件质量的主要因素之一。锻造比是表征锻造过程中金属变形程度的一种手段，随着锻件变形程度的增加，其直接关系到最终的堵塞、材料共晶碳化物的破碎程度、材料最终成形后的纤维方向和密度等，对材料综合性能的影响非常大，因此研究锻造比对锻件力学性能和微观组织的影响具有重要的现实意义。

【关键词】锻造比;锻件力学性能;微观组织

引言

锻造是利用工具在一定温度下加料，使金属发生塑性变形，从而转移体积和改变原材料的形状，从而得到理想的形状、尺寸和微观结构。锻造工作主要包括以下两个方面。第一是模压成型，在模具中，把原材料制成所要求的形状和尺寸。第二是“可控”，即通过变形控制锻件内部结构和性能。锻造是一种优质、经济、实用的锤击或模压方法，在机械、冶金、航空、航天等领域有着广泛的应用，锻造技术在机械、冶金、航空、航天等行业中得到了广泛的应用，其微观结构和机械性能与许多因素有关，锻造比是影响锻件质量的主要因素之一。锻造比是金属在锻造过程中变形的表现。随着锻件的模锻比率增大，变形程度增大。在此基础上，变形程度与最终外壳尺寸直接相关，在材料最终设计后，纤维流动方向和密度对材料的整体性能有很大的影响，因此，研究锻造比对材料力学性能及微观组织的影响是十分重要的，从而提高变形的均匀性和产品质量，从而对其在不同工艺条件下熔化零件的流动和应变分布规律进行检查和维护，并采取各种有效措施，提高变形的均匀性和锻件质量，从而对其进行质量控制是十分必要的。

一、锻造比对锻件力学性能及组织的影响

（一）锻造比对锻件组织性能的影响

锻件质量越高，锻件质量越好，所得到的铸锭组织和力学性能就会发生较大变化，铸件质量越好，所得到的锻件质量越好，锻件质量也就越高。举例来说，碳钢是一种碳钢锭，它的锻压程度随机械性能的提高而不同，其拉伸变形程度不同：强度指数基本不变，塑性指数很细，冲击韧性很好。企業绩效改变与组织变革相对应，主要分为以下三个阶段进行分析：第一阶段，企业绩效变化范围为k=0～2.0。此阶段钢锭的变化如下：高温下，铸锭部位出现气泡、松散、裂纹，受压时密度增大。大枝晶和柱状组织被破坏，然后结晶成细颗粒，从而提高钢的塑性和冲击韧性。第二阶段，收集到的碳化物及非金属夹杂物的形状开始发生变化，碳化物可分散，并可分解（如：脆性氧化物）或随铸锭变形（如塑性碳化物），锻造比=2.0-5.0。该阶段内微观结构和性能发生了如下变化：界面处碳化物杂质和金属流动逐渐形成纤维结构，锻造比继续增加。第三阶段，锻件性能成为导轨和纵向塑性指数，锻造比k>5.0，材料的内部组织和性能发生了如下变化：在此阶段，随着锻件数量的进一步增加，锻件中纤维组织均匀化，但纵向强度和塑性指数没有提高。侧向性能仍然明显下降（主要是塑性指标）。上述细节层次因材料、形状、尺寸、冶金铸件质量、合金元素、铸造变形形式等的不同而有所不同。举例来说，第一阶段的锻造比大约是4.0，第二阶段大约是4.0-8.0，第三阶段是大于8.0的。

（二）镦粗变形对材料组织性能的影响

第一，镦粗对材料微观结构的影响。将大型树枝状组织分解，得到均匀的细颗粒。在镦粗到一定变形量时，再结晶形成一种新的轴向颗粒，使大的分枝结晶结构破碎，从而提高金属塑性和强度，形成纤维组织;在沉淀过程中，大部分杂质和化合物沿变形母材流动方向分布，这就为金属结构提供了一定的方向，所谓的金属纤维，如果坯料纤维形成清晰的纤维结构，金属的性能将是定向的，即各向异性的锻造孔，枝中的微孔，坯料的内部缺陷，高温高压焊接所产生的孔隙率，微裂纹等缺陷对材料性能的影响是定向的，即当金属径向流动时，随着锻造量的增加，径向纤维沉积，纤维方向（即径向）的粘度和塑性指数增加，纵向纤维方向（即径向）的塑性和粘度指数增加，塑性和粘度指数增加。

二、轧钢材锻造比对锻件微观组织影响的研究

在高温下，金属和合金的显微组织是由热塑性变形（即热锻）改变的，其变化程度随着变形（即锻造比）的增大而增大，并且形状变得复杂。形变时，主要用来将机械能转化为热能，而变形组织中仅有少量变形储备。这些存储的能量是不稳定的，在合适的条件下会转变为低能量状态，变形前的组织状态会恢复。逆流、再结晶和晶粒生长是向低能状态转化的主要途径。动态再结晶（热锻）可以改变热变形过程中储层变形的形态和大小，这种微观变化将对材料的微观结构和性能产生重要影响。

（一）微观组织观察实验

第一，样品的准备。镦粗变形不均，导致锻件内部结构不均匀。为检测金相试样，通过对锻件进行力学性能测试，为节省剩余试件的成本和时间，选择剩余试件完成金属相冲击试验，每个锻件在同一位置都要取一组试样，即，每一锻件都要在垂直1/3 R、2/3 R和横向1/3 R、2/3 R位置的四个点上选择一组冲击试样，从五个锻件中共采集16个金相观察样品。第二，观察金相组织。样品必须经过研磨才能观察金相组织。详细的工艺是冲击试样废端面均匀研磨，然后进行金相研磨。磨削分为粗、精、精、磨三个工序，冲击试样的废端面尺寸为50 mm×50 mm，可以直接用手工研磨。选用250#工字纸、400#金相砂纸、600#金相砂纸，挑选800#金相砂纸细磨。每一片砂纸都按一个方向研磨，直至清除旧刮痕均匀，重新刮平，再把下一张较薄的砂纸也换成900，抛光后再用东京 unipol-8330型磨光。试样表面清洁，无擦伤、抛光。试样经清洗和腐蚀后，腐蚀剂为4%硝酸乙醇溶液，腐蚀时间约15 s。锈蚀后，用清水洗净，再用吹风机迅速烘干，以防止表面氧化。用金相显微镜观察在腐蚀过程中制备的样品。

（二）锻件微观组织分析

（1）正火处理对轧钢材微观组织的影响

放大100倍后，金属片上的错位显示出45#不同轧制位置的微观结构。第一，A1 （不锻造、不进行热处理）在垂直和水平方向形成铁素体（白色）和片状珠光体（黑色），它们以不同的晶粒尺寸分布。A1在某些动态反应中有一定的塑性变形和显微组织再结晶。第二，对A1的纵向和横向金相组织（非锻造和热处理）进行了比较：在横向组织中存在较大的粗晶，在轧制、动态响应和再结晶过程中，大晶粒周围存在小团聚体，织物的小而均匀的燃烧效果好于横向燃烧，因此，轧制45＼353.钢材的纵向力学性能应优于横向力学性能，这与力学性能试验结论一致。

轧制45#在不同显微组织部位进行多次正交加工（1200℃空冷），比金相高100倍。第一，B1 （不锻烧，正火）是铁素体（白色）和片状珠光体（黑色）的基体，与A1织物相比形成网状分布（未经锻造和热处理），B1晶粒尺寸（未经锻造和正常火焰处理）明显研磨，均匀性提高，因此B1 （未锻造，未锻造，未经热处理）的机械性能优于A1 （未锻造，未经热处理）。第二，B1垂直结构和水平结构的比较（无锻造和正交加工）：横向结构中有大而粗的晶粒，少量细颗粒;纵向组织体积小，均匀性好，因此纵向力学性能B1 （无锻造，正焰处理）应优于横向力学性能。

（2）锻造比对轧钢材微观组织的影响

扩大100倍的金相显示出B2钢锻件（锻造比k=2）的微观结构。锻压方式B2（k=2）以铁（白色）和片状珠光体（黑色）为基体，锻造部分呈网状分布，结晶还原性较好，形成较细颗粒，但B2、B1（不锻烧，常规火焰处理）和A1（不热处理）锻件的金相组织。B2的晶粒尺寸优于A1和B1，但低于原A1，且在再结晶过程中局部动态降低，2/3R锻件的粒度均匀性明显优于A1、B1坯料，低于原A1多次热处理，但低于原A1多次热处理，2/3R锻件在不同零件的结构分析中，2/3R锻件的粒度均匀性明显优于1/3R，锻件在2/3R时发生了位置断裂，即2/3R锻件的力学性能应优于1/3R。结果表明，BK2垂直结构的铁含量明显高于水平结构，横向晶粒大小和均匀度稍好，上述分析结论与力学性能试验结论一致

可见，B3（k=3）钢锻件的微观组织增加了100倍的锻造形式，B3以铁粉（白色）和片状珠光体（黑色）为基础形成网状分布，锻件中细颗粒很少，动态再结晶与B2组构相比不明显，B3锻件的晶粒尺寸较小，动态再结晶更均匀，软化效应更小，因此B3具有更好的强度，其塑性低于B2。通过对不同部位的组织进行分析，发现2/3 R锻件的尺寸和均匀度明显优于1/3R，即在不同方向上对B-3锻件进行结构分析，B-3锻件的横向尺寸和均匀度稍好于纵向，即上述结论与力学性能试验结果一致

可见，B4（k=4）钢锻件的显微组织增加了100倍，B4组织基体是网状铁素体（白色）和网状珠光体（深色），初始颗粒完全破碎，与B3（k=3）和B2（k=2）相比，晶粒明显细小均匀。轧制45＼＼35 C时，钢的锻造比为4（B4），变形组织内发生了较完整的动态再结晶，难以区分初始晶粒，与B3相比，原晶粒已被動态替换，力学性能有所降低，但塑性和强度有所提高，B4锻件在不同方向和位置的晶粒度和均匀性都较低，因此上述结论与力学性能试验结论一致。

结语

锻造比是金属锻件变形的一种表现形式。模锻比对锻件与锻件的力学性能有直接影响，确定材料的最佳锻造工艺是指导实际生产的关键。通过对锻件的力学性能进行观察，得出锻件对轧制及显微组织力学性能的影响规律。

参考文献：

[1]杨开彬，时乐智，程林. 挤压锻造工艺对金属锻件组织及性能的影响[J]. 世界有色金属，2017（20）：238-239.

[2]周鑫. 锻造比对锻件力学性能及微观组织影响的研究[D]. 山东：山东大学，2014.

[3]彭李静. 基于有限元技术的变形方式对锻件微观组织影响的研究[D]. 安徽：合肥工业大学，2011.

作者简介：

池芳义，（1985-），男，汉族，江苏江阴人，毕业于安徽工业大学材料成型及控制工程专业，江阴兴澄特种钢铁有限公司，工程师，学士，研究方向：钢球轧制热处理研究。