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應(yīng)力狀態(tài)分析 為了進(jìn)一步分析熱擴(kuò)孔裂紋產(chǎn)生的原因， 利用有限元軟件對(duì)熱擴(kuò)孔過(guò)程進(jìn)行模擬， 分析熱擴(kuò)孔過(guò)程中的應(yīng)力情況。 圖 6 （ a ）為按實(shí)際工藝參數(shù)構(gòu)建的有限元熱擴(kuò)孔模型，坯料直徑 準(zhǔn)320mm ， 內(nèi)徑為 準(zhǔn)45mm ， 然后加熱至 1180℃ 放置擴(kuò)孔筒中，利用 錐形擴(kuò)孔頭由上而下進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔系數(shù)為1.3 。圖 6 （ b ）為熱擴(kuò)孔過(guò)程中金屬的流動(dòng)情況。由圖可見， 金屬流動(dòng)速度最快的部位為坯料內(nèi) 孔與擴(kuò)口 頭端部接觸的位置， 內(nèi) 表金屬沿垂直于擴(kuò)口 頭界面向下流動(dòng)， 外表層 的金屬則與擴(kuò)孔方向相反的上方流動(dòng)。 從金屬流動(dòng)方向來(lái)看， 在擴(kuò)孔過(guò)程中， 內(nèi)表的金屬流動(dòng)最為劇烈， 因此熱擴(kuò)孔過(guò)程中內(nèi)表也是最容易產(chǎn)生裂紋的部位。另外， 在熱擴(kuò)孔過(guò)程中的最大主應(yīng)力情況如圖6 （ c ）所示， 管坯內(nèi) 表層的壓應(yīng)力較大， 而外表面的拉應(yīng)力最高。 外表面由于跟擴(kuò)孔筒的內(nèi) 部接觸， 在向上流動(dòng)的過(guò)程中， 會(huì)形成拉應(yīng)力， 如果材料塑性不夠或者選擇工藝不當(dāng)， 容易產(chǎn)生垂直于擴(kuò)孔方向的橫向裂紋。

綜合上述對(duì)熱擴(kuò)孔裂紋特征、 Inconel601 合金組織特征、 坯料初始組織及擴(kuò)孔過(guò)程金屬流動(dòng)及應(yīng)力狀態(tài)的分析， 在熱擴(kuò)孔過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的主要原因主要有兩方面。首先是原材料的熱塑性， 合金的成分、析出相、晶粒尺寸、夾雜、組織均勻性等均會(huì)影響其熱塑性 。 結(jié)合合金的平衡相圖及組織觀察來(lái)看， Inconel601 合金在熱擴(kuò)孔溫度下（ 900～1200℃ ）為單一的奧氏體組織， 無(wú)有害相析出， 且原始坯料的夾雜物水平較低， 對(duì)熱塑性影響不大， 化學(xué)成分在合理范圍內(nèi) ， 這些均不是熱擴(kuò)孔裂紋形成的主要原因。但是， 原始坯料的組織均勻較差， 混晶嚴(yán)重， 會(huì)導(dǎo)致合金在熱變形過(guò)程中出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象最終降低材料的熱塑性而產(chǎn)生熱裂紋。另一方面， 熱擴(kuò)孔過(guò)程中表層金屬受到的拉應(yīng)力較大， 如果擴(kuò)延系數(shù)過(guò)大或者坯料表層的潤(rùn)滑選擇不當(dāng)亦會(huì)導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。 由于擴(kuò)延系數(shù)過(guò)大或潤(rùn)滑不當(dāng)造成的熱裂紋通常為垂直于擴(kuò)孔方向的橫向裂紋， 而根據(jù)上述對(duì)該合金的裂紋特征來(lái)看， 裂紋首先在表層混晶區(qū)域處形成橫向裂紋， 然后再沿著粗晶和細(xì)晶的界面處擴(kuò)展。因此， 解決 Inconel601 合金的熱擴(kuò)孔裂紋最有效的方式是控制坯料的晶粒尺寸均勻性， 另外當(dāng)坯料存在晶粒不均勻的情況可嘗試降低熱擴(kuò)孔的擴(kuò)延系數(shù)以減少表層的應(yīng)力水平， 進(jìn)而緩解裂紋的產(chǎn)生。

圖 7 （ a ）為晶粒均勻分布、平均尺寸為 40μm 的Inconel601 合金坯料經(jīng)過(guò)同樣熱擴(kuò)孔工藝擴(kuò)孔后的表面質(zhì)量， 可以觀察到， 表面質(zhì)量較好， 無(wú)裂紋存在。再者， 對(duì)晶粒尺寸不均勻的坯料， 將擴(kuò)延系數(shù)從 1.3降低到 1.15 ， 熱擴(kuò)孔溫度不變， 經(jīng)過(guò)擴(kuò)孔后的表面質(zhì)量如圖 7 （ b ）所示。 外表裂紋已經(jīng)得到消除， 但可以觀察到表面相對(duì)晶粒均勻的坯料要粗糙多， 這是由于晶粒粗大且不均勻在熱擴(kuò)孔過(guò)程中變形不協(xié)調(diào)而造成的。 這兩種改進(jìn)方式的結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)以上的分析和推理。

本文針對(duì) Inconel601 合金熱擴(kuò)) 孔裂紋形成的原因， 從裂紋形貌、組織特征以及熱擴(kuò)孔過(guò)程中的金屬流動(dòng)和應(yīng)力狀態(tài)幾方面進(jìn)行了深入分析， 得出以下主要結(jié)論： （ 1 ） 熱擴(kuò)孔裂紋附近為混晶組織， 在粗晶和細(xì)晶的界面處并沿著晶界擴(kuò)展， 裂紋附近無(wú)有害析出相存在， Inconel601 合金在熱擴(kuò)孔的溫度范圍內(nèi) ， 為單一的奧氏體組織。 （ 2 ） 在熱擴(kuò)孔過(guò)程中， 金屬流動(dòng)速度最快的部位為坯料內(nèi)孔與擴(kuò)口 頭端部接觸的位置， 內(nèi) 表金屬沿垂直于擴(kuò)口 頭界面向下流動(dòng)， 表層金屬則沿與擴(kuò)孔方向相反的上方流動(dòng)， 且外表面的拉應(yīng)力較高， 徑向上金屬流動(dòng)及應(yīng)力分布不均勻。 （ 3 ） 初始組織的不均勻性是熱擴(kuò)孔裂紋產(chǎn)生的主要原因， 改善坯料組織均勻性及降低擴(kuò)延比均能避免熱擴(kuò)孔裂紋的產(chǎn)生。