锻造工艺对钢力学性能的影响

锻造加工的目的在于：第一，从比较大的钢锭或钢坯得出一定形状和尺寸的锻钢件成品；第二，破坏钢锭的最初铸造组织，改善钢的晶粒结构，形成纤维组织，从而改变钢的性能。

1.锻造比

坯料锻造前后的横截面积之比称为锻造比。锻造比表示变形程度的大小，是改善钢的力学性能的指标之一。

拔长时锻造比Y_拔为：

式中 A₀——拔长前坯料的横截面积；

L₀——拔长前坯料的长度；

A₁——拔长后坯料的横截面积；

L₁——拔长后坯料的长度。

镦粗时锻造比Y_镦（亦称为镦粗比或压缩比）为

式中 A₀——镦粗前坯料的横截面积；

H₀——镦粗前坯料的高度；

A₁——镦粗后坯料的横截面积；

H₁——镦粗后坯料的高度。

计算锻造比的原则如下：

1）原材料的外形有斜度时，则取最小截面，如钢锭取底部的截面积。

2）连续镦粗和连续延伸的总的锻造比为各次锻造比的乘积。

3）如果两次延伸中间加有镦粗，或两次镦粗中间有延伸工序，则总的锻造比为两次锻造比相加，而中间镦粗或中间延伸的锻造比不计算在总锻造比之内。

4）钢锭倒棱锻造比不计算在总锻造比之内。

由于钢的用途不同，工作负荷不同，所以采取的锻造比也不一样。锻造比越大，变形越大；则钢的内部组织越细密，力学性能也就越好。但这不是说锻造比需要无限制地增大，它是有一定的限度的。锻造比大，加工量就大，所以锻造比只要合乎对钢料的技术要求就够了。锻造比是根据钢种或用途来进行选取的。各类典型零件锻造比的选择见表1-2。

表1-2 典型锻件的锻造比

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①一般取3，对小型轧辊可取2.5。

②支承辊轴锻造比可适当减小到3。

2.锻钢件的纤维组织

经过锻造后的锻件，沿锻造方向的纵向与横向的力学性能并不相同。这是由于锻造时钢锭内部的晶体与非金属夹杂物，在锻造力的作用下改变了它的原有状态，沿锻造伸展方向形成了丝状结构，亦即纤维组织（也称流线，如木材带条状的纤维）。当钢锭中部的锻造比达到2～3时，可以部分获得纤维组织；只有当锻造比增大到10后，锻钢的全部断面才具有纤维组织。

纤维方向不同，力学性能也不相同。研究发现，锻造对钢的强度没有显著影响，而对伸长率、断面收缩率和冲击韧度有影响，即在纵向较好，在横向较差。在中心部分，横向试样的力学性能比周边更差。

锻造加工方法的不同，变形后的纤维方向也不同。因此，为了获得力学性能最好的钢质锻件，无论是在制订工艺过程中，还是在实际操作时，都必须考虑加工的锻件的纤维组织方向和力学性能的关系，锻造的纤维方向应该与工件的外形形状一致。为了获得理想的纤维组织，锻造拔长可以将纤维方向沿直线伸展，镦粗和弯曲可以将直线分布的纤维方向改变为曲线分布，尽量不将纤维切断。

锻造加工后的纤维组织十分稳定，进行热处理或再锻压加工都不可能把它破坏。

下面举例说明锻件内纤维分布与锻造方法和力学性能的关系。

图1-15所示为三种加工螺栓的方法。图1-15a是由棒料切削而成的，螺栓头的纤维组织被切断。此外，螺栓杆是由棒料中力学性能较差的中心部分做成。图1-15b的螺栓杆部是用拔长的方法锻成，具有较好的纤维方向。图1-15c是从与螺栓杆直径相等的杆料用镦粗螺钉头的锻造方法制成的螺栓，可以获得纤维分布最好的螺栓头。

图1-15 由不同方法制成的螺栓的纤维组织

a）由棒料切削而成 b）螺栓杆部用拔长法锻成 c）镦粗螺钉头法锻成

图1-16所示为三种锻造齿轮的方法。重要的是要使齿轮沿着直径的各个方向的力学性能相同，否则在沿圆圈切出齿牙时，将使齿牙磨损不均，并在最薄弱的地方发生断裂。图1-16a所示为由轧制棒料上沿着横断面切下的坯件制成，纤维顺着料的轴线分布，齿1处纤维组织不合理。图1-16b所示为用扁料镦粗制成，齿部纤维方向不一样，齿1处顺纤维方向是合理的，但齿2横切纤维则是不合理的。图1-16c所示为在坯的端面镦粗而得到的，镦粗后的纤维按径向分布，是最好的制造方法。

图1-16 由不同方法制成的齿轮的纤维组织

a）用棒料切下的坯件制成 b）用扁料镦粗制成 c）用棒料镦粗制成

3.锻件组织与性能控制要点

除合理选用原材料和锻造变形方法外，还应注意以下几点：

（1）控制金属加热、冷却和锻压温度规范 加热中避免过热与过烧，尽量减少氧化和脱碳。高温时保温时间不宜过长，以防止晶粒粗大。始锻温度不宜过高。在规定的终锻温度停锻。若最后一次变形量较小，则应降低始锻温度，以免终锻温度过高，晶粒长大。尽量减少火次，避免无变形加热。合理选定冷却方式及规范，避免锻件内部出现过高的残余应力或裂纹。

（2）控制总变形量 钢锭的锻造比（总变形量）对保证金属组织和性能有很大影响。锻造比不足，中心变形小，铸态组织仍会局部保留。锻造比过大，力学性能异向性增大，横向力学性能降低较多，且过多地消耗动力和工时。合理的锻造比应是使铸锭组织全部得到改善的最小锻造比，同时通过改善熔炼与浇注工艺（如电渣重镕）可降低所需锻造比。

（3）合理选用变形工艺 对于要求综合力学性能的重要锻件（如转子），必要时可采用中间镦粗，以减小力学性能异向性，并获得较高的力学性能。大型多拐曲轴用弯曲镦锻（全纤维锻造）成形，使纤维方向与零件外形轮廓基本吻合。采用中心压实法，可不经过镦粗而较好地锻合内部缺陷。