1.偏析
    鋼中化學成分與雜質(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)。
①“∧”型偏析帶②“∨”型偏析帶③負偏析區(qū)
    防止區(qū)域偏析的對策是：
    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、冒口補澆、振動澆注及發(fā)熱絕熱冒口，增強冒口補縮能力等措施。
    3）嚴格控制注溫與注速，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，沿分模面擴展而呈現(xiàn)為框形。偏析帶由小孔隙及富集元素構(gòu)成，對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，則會形成波紋狀偏析。當電流、電壓增高時，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；當電流、電壓減小時，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狀，稱之為點狀偏析。圖片6-4為分布于整個橫向截面上的點狀偏析。
1:1鹽酸水溶液熱蝕
    （2）枝晶偏析
    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，一般通過高溫擴散加熱，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。它們在鋼中的數(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，當鋼錠經(jīng)鍛壓變形時，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。而大片或密集云團狀分布的夾雜構(gòu)成宏觀缺陷，對鍛件使用有極不良的影響，容易引發(fā)嚴重的失效事故。
外來夾雜系指混人鋼中的爐渣、保護渣、氧化膜、耐火材料和異金屬塊等。通常外來夾雜較粗大，嚴重分布將破壞鋼的連續(xù)性而報廢。
    隨著高參數(shù)，大型化機器設(shè)備的發(fā)展，對大鍛件的質(zhì)量提出了更為嚴格的要求，為此對鋼中鉛、銻、錫、鉍、砷等微量元素需要控制，以提高鍛件的強韌化水平。
    降低鋼中夾雜的一般對策是：
    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，冒口補縮不良，縮孔深入到錠身區(qū)，鍛造時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。進一步解剖，末端存在疏松組織。
防止該類缺陷的對策是：
    1）嚴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）控制鍛造時鋼錠冒口切頭率，充分切凈縮松缺陷。合理鍛壓變形，壓實疏松缺陷。
    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、空氣進人，當冶煉時脫氧不良，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)過鍛壓變形會壓扁或擴展成裂紋。
    防止氣泡的對策是：
    1）充分烘烤爐料與澆注系統(tǒng)；
    2）冶煉時充分脫氣，并采用保護澆注工藝；
    3）高溫擴散、鍛壓焊合孔洞缺陷；
    4）及時燒剝表面裂紋。
    5.鍛造裂紋
    在大型鍛造中，當原材料質(zhì)量不良或鍛造工藝不當時，常易產(chǎn)生鍛造裂紋。下面介紹幾個由于材質(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。這是因為該6t鋼錠凝固時結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮系數(shù)大。冷凝補縮不足，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，該裂紋在鍛造時進一步擴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，增大補縮能力；④采用中心壓實鍛造工藝。
（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，輕微鍛擊就會開裂。
    鋼中含銅在1100～1200℃溫度下的過氧化性氣氛中加熱時，由于選擇性氧化，表層會形成富銅區(qū)，當超過銅在奧氏體中溶解度時，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、銻還會嚴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，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展而形成。
（3）異相（第二相）引起的鍛造裂紋
    鋼中第二相的力學性能往往和金屬基體有很大的差別，因而在變形流動時會引起附加應(yīng)力導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，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，高溫鍛壓就會開裂。圖片6-10是20SiMn鋼 87t錠因細小的 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，鍛造開裂與細小的顆粒狀A(yù)lN沿一次晶晶界大量析出有關(guān)。
防止因氮化鋁沿晶析出引起鍛造開裂的對策是：
    1）限制鋼中加鋁量，去除鋼中氮氣或用加鈦法抑制AlN析出量；
    2）采用熱送鋼錠，過冷相變處理工藝；
    3）提高熱送溫度（＞900℃）直接加熱鍛造；
    4）鍛前進行充分的均勻化退火，使晶界析出相擴散。
    6.過熱、過燒與溫度不均
    加熱溫度過高或高溫停留時間過長時易引起過熱、過燒。過熱使材料的塑性與沖擊韌性顯著降低。過燒時材料的晶界劇烈氧化或者熔化，完全失去變形能力。
    當加熱溫度分布嚴重不均勻，表現(xiàn)為鍛坯內(nèi)外、正反面、沿長度溫差過大，在鍛造時引起不均變形，偏心鍛造等缺陷，亦稱欠熱。
    5tPCrNi3Mo鋼鍛坯過熱組織，因加熱溫度太高引起的過熱特征。試樣用10％（體積分數(shù)）硝酸水溶液和10％（體積分數(shù)）硫酸水溶液腐蝕，金相顯微鏡（LM）觀察，晶粒粗大，晶界呈黑色，基體灰白色，顯示為過熱特征。
    圖片6-12所示為軸承鋼GCr15SiMn鍛件過燒引起的裂紋，晶界上有熔化痕跡及低熔點劇相，裂紋沿晶界擴展。試樣用4％（體積分數(shù)）硝酸酒精溶液侵蝕后呈黑色晶界，明顯燒壞，鍛坯過燒報廢。
防止加熱缺陷的對策是：
    l）嚴格執(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)準測溫儀表，精心加熱操作，控制爐溫、爐氣流動，防止不均勻加熱。
    7.白點
    白點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發(fā)絲狀銳角裂紋，斷口為銀白色斑點。照片6-13為Cr－Ni－Mo鋼鍛件縱向斷口上的白點。其形狀不規(guī)則，大小懸殊，最小長軸尺寸僅2mm，最大的為24mm。
白點實質(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的缺陷。
    白點成因是鋼中氫在應(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)合作用是白點產(chǎn)生的原因。
    防止白點的對策主要是：
    1）降低鋼中氫含量，如注意烘烤爐料，冶煉時充分沸騰，真空除氣，爐外精煉脫氣等。
    2）采用消除白點的熱處理，主要任務(wù)是擴散鋼中氫，消除應(yīng)力，如擴氫退火熱處理等。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，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重不均勻，以致在力學性能試驗，金相組織檢查和無損探傷時不能通過。由于鋼錠中化學成分偏析，夾雜物聚集，各種孔隙性缺陷的影響；加熱時溫度變化緩慢，分布不均，內(nèi)應(yīng)力大，缺陷較多；高溫長時間鍛造，局部受力局部變形，塑流狀況、壓實程度、變形分布差別較大；冷卻時擴散過程緩慢，組織轉(zhuǎn)變復雜，附加應(yīng)力大。以上諸因素都可能導致組織性能嚴重不均勻，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)濟水平。
    9.淬火裂紋與回火脆性
    許多對力學性能與表面硬度要求高的大鍛件，鍛后要經(jīng)粗加工，再進行調(diào)質(zhì)熱處理或表面淬火。在熱處理時，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度，并且沒有塑性變形松弛，將會產(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、冷卻時溫度分布不均勻，相變過程復雜，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展的過程，往往形成即時的或延時的開裂破壞，甚至炸裂與自然置裂等，造成重大經(jīng)濟損失。
    9Cr2Mo鋼軋輥表面淬火橫向裂紋，在調(diào)質(zhì)淬火加熱時出現(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，心部拉應(yīng)力與殘余應(yīng)力迭加，超過該鋼的強度極限，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，表層為細瓷狀的表淬層。
防止淬火裂紋的一般對策是：
    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）避免鍛件中存在嚴重的冶金缺陷與殘余應(yīng)力；
    3）淬火后及時回火。
    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，適當快冷，防止有害組元富集。