鍛件坯料在加熱中是如何發生內部斷裂的?

內部裂紋

坯料在加熱過程中,當其內應力超過它在一定溫度下的強度極限時,就要產生裂紋。通常內應力有溫度應力、組織應力和殘餘應力。

鍛件坯料在加熱中是如何發生內部斷裂的?


1.溫度應力

坯料在加熱過程中,由於表層和裡層溫度不一致,產生溫度差,因為表、裡金屬的膨脹是不均勻的,毛坯外表層先受熱而膨脹,裡層金屬由於後受熱而要限制外表層的膨脹,於是在毛坯外表層引起壓應力,而在內層引起拉應力。這種由坯料上溫度不均勻而產生的應力稱為溫度應力,也稱熱應力。

溫度應力的大小與加熱速度,坯料斷面上的溫度差以及金屬本身的性質相關。加熱速度越快,材料的導熱性越差,坯料斷面尺寸越大,則其溫度差也越大,因此產生的溫度應力也越大。當被加熱金屬還沒有足夠的塑性,基本處在彈性狀態時,溫度應力可能超過金屬在某溫度下的強度極限,使金屬內部產生裂紋。但隨著溫度的上升,如果金屬的塑性提高了,由於局部塑性變形可使溫度應力得到部分的消除,此時溫度應力就不甚危險了。例如對於碳鋼和一般合金結構鋼,只是在550℃〜650℃以前,塑性較低,處在彈性狀態,快速加熱是危險的。而奧氏體合金鋼在600℃〜900℃時,塑性會急劇降低,所以在此溫度範圍內應進行緩慢而均勻的加熱,特別對於大截面的坯料,更應如此。


鍛件坯料在加熱中是如何發生內部斷裂的?


2.組織應力

具有相變的金屬在加熱過程中,由於發生相變還會產生組織應力,例如,鋼由α鐵轉變為γ鐵時,體積(比容)要收縮1%,表面層先相變先收縮,而裡層相變就阻礙了外層的收縮,於是在外層引起拉應力,內層引起壓應力。同樣,珠光體變為奧氏體時,由於比容減少,在外層引起拉應力,內層引起壓應力,恰好和溫度應力的方向相反,使總的應力值減少,當內層溫度升高而發生相變時,則塑性大為提高,這時適當加快加熱溫度,也不會導致裂紋的產生。因此,組織應力對坯料內部形成裂紋的影響不大。


鍛件坯料在加熱中是如何發生內部斷裂的?


3.殘餘應力

鋼錠在凝固和冷卻過程中,由於外層和中心冷卻次序不同,各部分之間相互牽制將產生殘餘應力。鋼錠凝固時,由於外層先冷卻,中心層後冷卻,因此外層為壓應力,中心層為拉應力。當殘餘應力超過強度極限時,金屬材料將產生裂紋。大鋼錠加熱時,對殘餘應力要足夠重視。

所以坯料在加熱過程中,由於內應力引起的裂紋,主要是溫度應力造成的,一般裂紋發生在加熱低溫階段,併發生在心部。因此在500℃〜650℃以下加熱時,應避免加熱速度過快。在加熱時,應降低裝爐溫度,並保溫一段時間,待內外溫度一致時再繼續升溫。


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