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应力状态分析 为了进一步分析热扩孔裂纹产生的原因， 利用有限元软件对热扩孔过程进行模拟， 分析热扩孔过程中的应力情况。 图 6 （ a ）为按实际工艺参数构建的有限元热扩孔模型，坯料直径 准320mm ， 内径为 准45mm ， 然后加热至 1180℃ 放置扩孔筒中，利用 锥形扩孔头由上而下进行扩孔，扩孔系数为1.3 。图 6 （ b ）为热扩孔过程中金属的流动情况。由图可见， 金属流动速度最快的部位为坯料内 孔与扩口 头端部接触的位置， 内 表金属沿垂直于扩口 头界面向下流动， 外表层 的金属则与扩孔方向相反的上方流动。 从金属流动方向来看， 在扩孔过程中， 内表的金属流动最为剧烈， 因此热扩孔过程中内表也是最容易产生裂纹的部位。另外， 在热扩孔过程中的最大主应力情况如图6 （ c ）所示， 管坯内 表层的压应力较大， 而外表面的拉应力最高。 外表面由于跟扩孔筒的内 部接触， 在向上流动的过程中， 会形成拉应力， 如果材料塑性不够或者选择工艺不当， 容易产生垂直于扩孔方向的横向裂纹。

综合上述对热扩孔裂纹特征、 Inconel601 合金组织特征、 坯料初始组织及扩孔过程金属流动及应力状态的分析， 在热扩孔过程中产生裂纹的主要原因主要有两方面。首先是原材料的热塑性， 合金的成分、析出相、晶粒尺寸、夹杂、组织均匀性等均会影响其热塑性 。 结合合金的平衡相图及组织观察来看， Inconel601 合金在热扩孔温度下（ 900～1200℃ ）为单一的奥氏体组织， 无有害相析出， 且原始坯料的夹杂物水平较低， 对热塑性影响不大， 化学成分在合理范围内 ， 这些均不是热扩孔裂纹形成的主要原因。但是， 原始坯料的组织均匀较差， 混晶严重， 会导致合金在热变形过程中出现变形不协调的现象最终降低材料的热塑性而产生热裂纹。另一方面， 热扩孔过程中表层金属受到的拉应力较大， 如果扩延系数过大或者坯料表层的润滑选择不当亦会导致热裂纹的产生。 由于扩延系数过大或润滑不当造成的热裂纹通常为垂直于扩孔方向的横向裂纹， 而根据上述对该合金的裂纹特征来看， 裂纹首先在表层混晶区域处形成横向裂纹， 然后再沿着粗晶和细晶的界面处扩展。因此， 解决 Inconel601 合金的热扩孔裂纹最有效的方式是控制坯料的晶粒尺寸均匀性， 另外当坯料存在晶粒不均匀的情况可尝试降低热扩孔的扩延系数以减少表层的应力水平， 进而缓解裂纹的产生。

图 7 （ a ）为晶粒均匀分布、平均尺寸为 40μm 的Inconel601 合金坯料经过同样热扩孔工艺扩孔后的表面质量， 可以观察到， 表面质量较好， 无裂纹存在。再者， 对晶粒尺寸不均匀的坯料， 将扩延系数从 1.3降低到 1.15 ， 热扩孔温度不变， 经过扩孔后的表面质量如图 7 （ b ）所示。 外表裂纹已经得到消除， 但可以观察到表面相对晶粒均匀的坯料要粗糙多， 这是由于晶粒粗大且不均匀在热扩孔过程中变形不协调而造成的。 这两种改进方式的结果也进一步证实以上的分析和推理。

本文针对 Inconel601 合金热扩) 孔裂纹形成的原因， 从裂纹形貌、组织特征以及热扩孔过程中的金属流动和应力状态几方面进行了深入分析， 得出以下主要结论： （ 1 ） 热扩孔裂纹附近为混晶组织， 在粗晶和细晶的界面处并沿着晶界扩展， 裂纹附近无有害析出相存在， Inconel601 合金在热扩孔的温度范围内 ， 为单一的奥氏体组织。 （ 2 ） 在热扩孔过程中， 金属流动速度最快的部位为坯料内孔与扩口 头端部接触的位置， 内 表金属沿垂直于扩口 头界面向下流动， 表层金属则沿与扩孔方向相反的上方流动， 且外表面的拉应力较高， 径向上金属流动及应力分布不均匀。 （ 3 ） 初始组织的不均匀性是热扩孔裂纹产生的主要原因， 改善坯料组织均匀性及降低扩延比均能避免热扩孔裂纹的产生。