1.偏析
鋼中化學(xué)成分與雜質(zhì)分布的不均勻現(xiàn)象，稱為偏析。一般將高于平均成分者，稱為正偏析，低于平均成分者，稱為負(fù)偏析。尚有宏觀偏析，如區(qū)域偏析與微觀偏析，如枝晶偏析，晶間偏析之分。
大鍛件中的偏析與鋼錠偏析密切相關(guān)，而鋼錠偏析程度又與鋼種、錠型、冶煉質(zhì)量及澆注條件等有關(guān)。合金元素、雜質(zhì)含量、鋼中氣體均加劇偏析的發(fā)展。鋼錠愈大，澆注溫度愈高，澆注速度愈快，偏析程度愈嚴(yán)重。
（1）區(qū)域偏析
它屬于宏觀偏析，是由鋼液在凝固過程中選擇結(jié)晶，溶解度變化和比重差異引起的。如鋼中氣體在上浮過程中帶動(dòng)富集雜質(zhì)的鋼液上升的條狀軌跡，形成須狀∧形偏析。頂部先結(jié)晶的晶體和高熔點(diǎn)的雜質(zhì)下沉，仿佛結(jié)晶雨下落形成的軸心∨形偏析。沉淀于錠底形成負(fù)偏析沉積錐。最后凝固上部區(qū)域，碳、硫、磷等偏析元素富集，成為缺陷較多的正偏析區(qū)。
圖片6-1為我國(guó)解剖的55t34CrMolA鋼錠縱剖面硫印低倍圖片及區(qū)域偏析示意圖。

1）降低鋼中硫、磷等偏析元素和氣體的含量，如采用爐外精煉，真空碳脫氧（VCD）處理及錠底吹氬工藝。
2）采用多爐合澆、冒口補(bǔ)澆、振動(dòng)澆注及發(fā)熱絕熱冒口，增強(qiáng)冒口補(bǔ)縮能力等措施。
3）嚴(yán)格控制注溫與注速，采用短粗錠型，改善結(jié)晶條件。
在鍛件橫向低倍試片上，呈現(xiàn)與錠型輪廓相對(duì)應(yīng)的框形特征，亦稱框形偏析。圖片6-2是30CrMnSiNiA鋼制模鍛件低倍試片上顯示的錠型偏析。因錠中偏析帶在變形時(shí)，沿分模面擴(kuò)展而呈現(xiàn)為框形。偏析帶由小孔隙及富集元素構(gòu)成，對(duì)鍛件組織性能的均勻性有不良的影響。
電渣重熔以其純凈度高、結(jié)晶結(jié)構(gòu)合理，成為生產(chǎn)重要大鍛件鋼坯的方法，但是如果在重熔過程中電流、電壓不穩(wěn)定，則會(huì)形成波紋狀偏析。當(dāng)電流、電壓增高時(shí)，鋼液過熱，結(jié)晶速度減緩，鋼液中的溶質(zhì)元素在結(jié)晶前沿偏聚形成富集帶；當(dāng)電流、電壓減小時(shí)，熔質(zhì)元素偏聚程度減小，這種周期性的變化，便形成了波紋狀的偏析條帶，如圖片6-3所示。
區(qū)域偏析在橫向低倍酸浸試片上呈分散的深色斑點(diǎn)狀，稱之為點(diǎn)狀偏析。圖片6-4為分布于整個(gè)橫向截面上的點(diǎn)狀偏析

它屬于微觀偏析。樹枝狀結(jié)晶與晶間微區(qū)成分的不均勻性，可能引起組織性能的不均勻分布。采用掃描電鏡（SEM）、波譜儀（WDS）、能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)觀察和成分分析可以檢出并闡明原因，一般通過高溫?cái)U(kuò)散加熱，鍛壓合理變形與均勻化熱處理可以消除或減輕其不良影響。
2.夾雜物與有害微量元素
夾雜物按其來源可分為內(nèi)生夾雜與外來夾雜兩種。
常見的內(nèi)生夾雜物主要有硫化物、硅酸鹽、氧化物等。它們?cè)阡撝械臄?shù)量和組成與鋼的成分、冶煉質(zhì)量、澆注過程以及脫氧方法有關(guān)。熔點(diǎn)高的內(nèi)生夾雜，凝固先于基體金屬，結(jié)晶不受阻礙，呈現(xiàn)為有規(guī)則的棱角外形；熔點(diǎn)較低的內(nèi)生夾雜，由于受已凝固金屬的限制，形態(tài)多為球或條狀、枝晶狀沿晶界分布。硫化物與塑性較好的硅酸鹽組元，當(dāng)鋼錠經(jīng)鍛壓變形時(shí)，沿主變形方向延伸，呈條帶狀。圖片6-5示出34CrNi3Mo轉(zhuǎn)子鋼中拉長(zhǎng)的MnS夾雜形狀。而氧化物及塑性較差的硅酸鹽夾雜，在鍛壓變形時(shí)被破碎成小顆粒，呈鏈球狀分布。圖片6-6為沿變形方向分布的鏈狀氧化物夾雜。尺寸細(xì)小，彌散分布的內(nèi)生夾雜，多為微觀缺陷，危害程度較小。而大片或密集云團(tuán)狀分布的夾雜構(gòu)成宏觀缺陷，對(duì)鍛件使用有極不良的影響，容易引發(fā)嚴(yán)重的失效事故

圖片6-6 被變形破碎的氧化物夾雜LM未浸蝕 500× 外來夾雜系指混人鋼中的爐渣、保護(hù)渣、氧化膜、耐火材料和異金屬塊等。通常外來夾雜較粗大，嚴(yán)重分布將破壞鋼的連續(xù)性而報(bào)廢。
隨著高參數(shù)，大型化機(jī)器設(shè)備的發(fā)展，對(duì)大鍛件的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的要求，為此對(duì)鋼中鉛、銻、錫、鉍、砷等微量元素需要控制，以提高鍛件的強(qiáng)韌化水平。
降低鋼中夾雜的一般對(duì)策是：
1）鋼液真空處理，爐外精煉，控制鋼液質(zhì)量；
2）清潔澆注，防止外來夾雜污染與異金屬進(jìn)人；
3）合理鍛造變形，改善夾雜分布。
3.縮孔與疏松
該類孔隙性缺陷，破壞金屬連續(xù)性，形成應(yīng)力集中與裂紋源，屬于不允許的缺陷。
鋼錠開坯時(shí)切除量不夠，殘留縮孔及疏松，表現(xiàn)為鍛件端頭有管狀孔穴或者嚴(yán)重中心疏松。圖片6-7所示為9Cr2Mo鋼制冷軋輥，因鋼錠澆注溫度偏低，冒口補(bǔ)縮不良，縮孔深入到錠身區(qū)，鍛造時(shí)未能完全切除而形成縮孔殘余。橫向試片上中心部位呈現(xiàn)出枝叉狀孔洞特征。進(jìn)一步解剖，末端存在疏松組織。

圖片6-7 鍛件中縮孔殘余橫向試片上的宏觀形貌 防止該類缺陷的對(duì)策是：
1）嚴(yán)格控制澆注溫度和速度，防止低溫慢速注錠；
2）采用發(fā)熱冒口或絕熱冒口，改善補(bǔ)縮條件使縮孔上移至冒口區(qū)，防止縮孔深人到錠身處；
3）控制鍛造時(shí)鋼錠冒口切頭率，充分切凈縮松缺陷。合理鍛壓變形，壓實(shí)疏松缺陷。
4.氣泡
氣泡分內(nèi)部氣泡與皮下氣泡兩種：
鋼中氣體由爐料、爐氣、空氣進(jìn)人，當(dāng)冶煉時(shí)脫氧不良，沸騰排氣不充分，則鋼液中氣體含量過多，凝固過程中，隨溫度降低，氣體溶解度下降而由鋼液中析出，形成內(nèi)部氣泡。當(dāng)鋼錠模壁潮濕、銹蝕、涂料中含有水分或揮發(fā)性物質(zhì)，在注人高溫鋼水時(shí)產(chǎn)生氣體向鋼錠表層滲透，形成皮下氣泡。
氣泡經(jīng)過鍛壓變形會(huì)壓扁或擴(kuò)展成裂紋。
防止氣泡的對(duì)策是：
1）充分烘烤爐料與澆注系統(tǒng)；
2）冶煉時(shí)充分脫氣，并采用保護(hù)澆注工藝；
3）高溫?cái)U(kuò)散、鍛壓焊合孔洞缺陷；
4）及時(shí)燒剝表面裂紋。
5.鍛造裂紋
在大型鍛造中，當(dāng)原材料質(zhì)量不良或鍛造工藝不當(dāng)時(shí)，常易產(chǎn)生鍛造裂紋。下面介紹幾個(gè)由于材質(zhì)不良引起鍛裂的情況。
（1）鋼錠缺陷引起的鍛造裂紋
大部分鋼錠缺陷，鍛造時(shí)都可能造成開裂，圖片6-8所示為2Cr13主軸鍛件中心裂紋。這是因?yàn)樵?t鋼錠凝固時(shí)結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮系數(shù)大。冷凝補(bǔ)縮不足，內(nèi)外溫差大，軸心拉應(yīng)力大，沿枝晶開裂，形成鋼錠軸心晶間裂紋，該裂紋在鍛造時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)展而成主軸鍛件中已裂紋。該缺陷可通過下列措施予以消除：①提高冶煉鋼水純凈度；②鑄錠緩慢冷卻，減少熱應(yīng)力；③采用良好的發(fā)熱劑與保溫帽，增大補(bǔ)縮能力；④采用中心壓實(shí)鍛造工藝。

圖片6-8 軸心晶間裂紋引起的鍛造開裂 （2）鋼中有害雜質(zhì)沿晶界析出引起的鍛造裂紋。
鋼中的硫常以FeS形式沿晶界析出，其熔點(diǎn)僅有982℃，在1200℃鍛造溫度下，晶界上FeS將發(fā)生熔化，并以液態(tài)薄膜形式包圍晶粒，破壞晶粒間的結(jié)合而產(chǎn)生熱脆，輕微鍛擊就會(huì)開裂。
鋼中含銅在1100～1200℃溫度下的過氧化性氣氛中加熱時(shí)，由于選擇性氧化，表層會(huì)形成富銅區(qū)，當(dāng)超過銅在奧氏體中溶解度時(shí)，銅則以液態(tài)薄膜形式分布于晶界，形成銅脆，不能鍛造成形。如果鋼中還存在有錫、銻還會(huì)嚴(yán)重降低銅在奧氏體中的溶解度，加劇這種脆化傾向。圖片6-9為16Mn鋼鍛件網(wǎng)狀裂紋，因含銅量過高，鍛造加熱時(shí)，表面選擇性氧化，使銅沿晶界富集，鍛造裂紋沿晶界富銅相生核并擴(kuò)展而形成

圖片6-9 16Mn鋼鍛造網(wǎng)狀裂紋LM4%稀硫酸水溶液浸蝕 （3）異相（第二相）引起的鍛造裂紋
鋼中第二相的力學(xué)性能往往和金屬基體有很大的差別，因而在變形流動(dòng)時(shí)會(huì)引起附加應(yīng)力導(dǎo)致整體工藝塑性下降，一旦局部應(yīng)力超過異相與基體間結(jié)合力時(shí)，則發(fā)生分離形成孔洞。例如鋼中的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅酸鹽等等。假如這些相呈密集。鏈狀分布，尤其在沿晶界結(jié)合力薄弱處存在，高溫鍛壓就會(huì)開裂。圖片6-10是20SiMn鋼 87t錠因細(xì)小的 AlN沿晶界析出引起鍛造開裂的宏觀形貌，其表面已經(jīng)氧化，呈現(xiàn)多面體柱狀晶。微觀分析表明，鍛造開裂與細(xì)小的顆粒狀A(yù)lN沿一次晶晶界大量析出有關(guān)

圖片6-12 GCr15SiMn鋼鍛件過燒組織 100× 防止加熱缺陷的對(duì)策是：
l）嚴(yán)格執(zhí)行正確的加熱規(guī)范；
2）注意裝爐方式，防止局部加熱；
3）調(diào)準(zhǔn)測(cè)溫儀表，精心加熱操作，控制爐溫、爐氣流動(dòng)，防止不均勻加熱。
7.白點(diǎn)
白點(diǎn)是鍛件在鍛后冷卻過程中產(chǎn)生的一種內(nèi)部缺陷。其形貌在橫向低倍試片上為細(xì)發(fā)絲狀銳角裂紋，斷口為銀白色斑點(diǎn)。照片6-13為Cr－Ni－Mo鋼鍛件縱向斷口上的白點(diǎn)。其形狀不規(guī)則，大小懸殊，最小長(zhǎng)軸尺寸僅2mm，最大的為24mm。

圖片6-13 宏觀斷口上的白點(diǎn)形貌 白點(diǎn)實(shí)質(zhì)是一種脆性銳邊裂紋，具有極大的危害性，是馬氏體和珠光體鋼中十分危險(xiǎn)的缺陷。
白點(diǎn)成因是鋼中氫在應(yīng)力作用下向拉應(yīng)力區(qū)富集，使鋼產(chǎn)生所謂氫脆，發(fā)生脆性斷裂，所以氫和附加應(yīng)力聯(lián)合作用是白點(diǎn)產(chǎn)生的原因。
防止白點(diǎn)的對(duì)策主要是：
1）降低鋼中氫含量，如注意烘烤爐料，冶煉時(shí)充分沸騰，真空除氣，爐外精煉脫氣等。
2）采用消除白點(diǎn)的熱處理，主要任務(wù)是擴(kuò)散鋼中氫，消除應(yīng)力，如擴(kuò)氫退火熱處理等。詳見鍛造過程中常見的缺陷中的鍛后清理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷。
8.組織性能不均勻
大型鍛件因其尺寸大，工序多，周期長(zhǎng)，工藝過程中不均勻，不穩(wěn)定因素多，所以常常造成組織性能嚴(yán)重不均勻，以致在力學(xué)性能試驗(yàn)，金相組織檢查和無損探傷時(shí)不能通過。由于鋼錠中化學(xué)成分偏析，夾雜物聚集，各種孔隙性缺陷的影響；加熱時(shí)溫度變化緩慢，分布不均，內(nèi)應(yīng)力大，缺陷較多；高溫長(zhǎng)時(shí)間鍛造，局部受力局部變形，塑流狀況、壓實(shí)程度、變形分布差別較大；冷卻時(shí)擴(kuò)散過程緩慢，組織轉(zhuǎn)變復(fù)雜，附加應(yīng)力大。以上諸因素都可能導(dǎo)致組織性能嚴(yán)重不均勻，質(zhì)量不合格。
提高大型鍛件均勻性的措施：
1）采用先進(jìn)的冶鑄技術(shù)，提高鋼錠的冶金質(zhì)量；
2）采用控制鍛造，控制冷卻技術(shù)，優(yōu)化工藝過程，提高大鍛件生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。
9.淬火裂紋與回火脆性
許多對(duì)力學(xué)性能與表面硬度要求高的大鍛件，鍛后要經(jīng)粗加工，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理或表面淬火。在熱處理時(shí)，由于溫度急劇變化，將產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。由于相變還產(chǎn)生組織應(yīng)力，和鍛件存在的殘余應(yīng)力疊加，合成的拉應(yīng)力值如果超過材料的抗拉強(qiáng)度，并且沒有塑性變形松弛，將會(huì)產(chǎn)生各種形式的開裂和裂紋。例如縱向、橫向、表面和中心裂紋，表面龜裂和表層剝離等。由于大鍛件截面尺寸大，加熱、冷卻時(shí)溫度分布不均勻，相變過程復(fù)雜，殘余應(yīng)力大，而且程度不同地存在著各種宏觀和微觀缺陷，塑性差，韌性低，這都能加劇裂紋萌生與擴(kuò)展的過程，往往形成即時(shí)的或延時(shí)的開裂破壞，甚至炸裂與自然置裂等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
照片6-14是一支9Cr2Mo鋼軋輥表面淬火橫向裂紋，在調(diào)質(zhì)淬火加熱時(shí)出現(xiàn)過熱，而且回火不足，心部保留較高的殘余內(nèi)應(yīng)力，在以后的工頻熱處理表面淬火時(shí)，心部拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加，超過該鋼的強(qiáng)度極限，引起斷裂為三段。圖示斷口表明：裂紋源于過熱粗晶的心部，沿徑向有放射狀的撕裂棱，表層為細(xì)瓷狀的表淬層

圖片6-14 軋輥表面淬火時(shí)橫向開裂 防止淬火裂紋的一般對(duì)策是：
1）采用合理的熱處理規(guī)范，控制加熱速度與冷卻過程，減少加熱缺陷與溫度應(yīng)力；
2）避免鍛件中存在嚴(yán)重的冶金缺陷與殘余應(yīng)力；
3）淬火后及時(shí)回火。
回火脆性系碳化物析出或磷、錫、銻、砷等有害微量元素沿晶界聚集而引起的脆性增大的傾向。
防止回火脆性的對(duì)策是：
1）減少鋼中有害元素的含量；
2）減少鋼中偏析；
3）避免在回火脆性溫度區(qū)熱處理，適當(dāng)快冷，防止有害組元富集。