鍛造過程中(zhōng)常見的失效形式與防止措施
1、氧化
（1）鋼的氧化特征 在氧化性氣氛中(zhōng)加熱時，鋼與氧、二氧化碳、水蒸氣、二氧化硫等發生(shēng)互相作用生(shēng)成鐵的氧化物(wù)，在鋼材表面形成了氧化鐵皮。在鋼的氧化過程中(zhōng)，鐵以離(lí)子狀态由内層向外(wài)層表面擴散，氧化性氣體(tǐ)則以原子狀态由外(wài)表層經吸附後向内層擴散。在外(wài)表面因氧的含量多，形成Fe2O3，而内部則形成FeO，即由外(wài)層至内層氧化程度逐漸減輕。氧化皮與鐵的膨脹系數不同，易從鋼上剝離(lí)，從而加速了鋼的氧化。
（2）氧化對鍛件質量的影響 氧化不僅燒損大(dà)量的鋼材，而且表面粘結有氧化皮的鋼，在拔絲、沖壓、模鍛時易引起模具損壞，切削加工(gōng)晨易引起刀具磨損。氧化對鍛件質量也有—定的影響，如鍛件表面粘結的氧化皮，不僅降低鍛件（特别是精密模鍛件）的表面質量和尺寸精度，而且在熱處理時引起組織和性能不均勻。
（3）影響鋼氧化的因素 影響鋼氧化的因素很多，主要是加熱溫度、加熱時間、爐氣成分(fēn)和鋼的化學成分(fēn)等。
首先是加熱溫度與時間的影響，加熱熱越高，擴散速度越快，鋼的氧化也越嚴重。加熱時間越長，氧化損失也越大(dà)。其次是爐氣成分(fēn)的影響，當過剩系數控制在0.4~0.5時，可以形成保護性氣氛，避免發生(shēng)氧化。低于800℃時，SO2對鋼的氧化作用不強。但在1000~1200℃時，含0.1％SO2就會使氧化速度增加兩倍；再次是鋼的化學成分(fēn)的影響，當鋼中(zhōng)含碳量大(dà)于0.3％時，随含碳量的增多，氧化速度減小(xiǎo)。另外(wài)。一(yī)些元素如Cr、Ni、Si、Mo等在金屬表面形成牢固緻密的保護薄膜，阻止氧向内部擴散，使氧化速度減慢(màn)。而當鋼中(zhōng)鉻及鎳含量大(dà)于13％~20％時，實際上就很少發生(shēng)氧化。
（4）防止氧化的措施 減少金屬與氧的接觸時間，如采用快速加熱、感應加熱等，以減少金屬在高溫下(xià)保溫停留的時間。在保護性介質中(zhōng)加熱，常用的保護性介質有：①氣體(tǐ)介質；②液體(tǐ)介質，例如在玻璃液中(zhōng)加熱，在鹽浴爐中(zhōng)加熱；③固體(tǐ)介質，例如把金屬埋在石墨粉中(zhōng)加熱，塗抹玻璃潤滑劑加熱等。采用先進加熱技術，如在懸浮介質中(zhōng)加熱（光亮加熱）。
2 、脫碳
（1）脫碳的特征 脫碳是指鋼加熱時表層含碳量降低的現象。脫碳的過程就是鋼中(zhōng)的碳在高溫下(xià)與氫或氧發生(shēng)反應生(shēng)成甲烷或一(yī)氧化碳。脫碳時，一(yī)方面是氧向鋼内擴散。另一(yī)方面鋼中(zhōng)的碳向外(wài)擴散。脫碳層隻有在脫碳速度超過氧化速度時才能形成，當氧化速度很大(dà)時。可以不發生(shēng)明顯的脫碳現象，即脫碳層産生(shēng)後，鐵即被氧化而生(shēng)成氧化皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中(zhōng)，可形成較深的脫碳層。
脫碳層含碳量較正常組織低，滲碳體(tǐ)（Fe3C）的數量較正常組織少，故其強度或硬變較低對大(dà)多數鋼來說，脫碳會降低其性能。對高碳工(gōng)具鋼、軸承鋼、高速鋼及彈簧鋼，脫碳是一(yī)種嚴重的失效。
（2）脫碳對鋼性能的影響 脫碳對鍛造和熱處理等工(gōng)藝性能均有影響：①2Crl3不鏽鋼加熱溫度過高、保溫時間過長時，表層金屬脫碳，促使高溫占鐵素體(tǐ)在表面過早地形成，使鍛件表面塑性大(dà)大(dà)降低，模鍛時容易開(kāi)裂；②奧氏體(tǐ)錳鋼表層脫碳以後，奧氏體(tǐ)組織不均勻，不僅使冷變形時的強度達不到要求，而且可能由于變形不均勻産生(shēng)裂紋；③鋼的表面脫碳以後，使表層與心部的組織和線膨脹系數不同，淬火(huǒ)時發生(shēng)的不同組織轉變及體(tǐ)積變化将引起很大(dà)的内應力；同時，由于表層脫碳後強度下(xià)降，淬火(huǒ)時零件表面甚至可能産生(shēng)裂紋。
脫碳對零件性能也有影響，鋼的表面脫碳後，淬火(huǒ)時不發生(shēng)馬氏體(tǐ)轉變或馬氏體(tǐ)轉變不完全，就得不到所要求的硬度。軸承鋼表面脫碳後會造成淬火(huǒ)軟點，使用時易發生(shēng)接觸疲勞損壞；高速工(gōng)具鋼表面脫碳會使紅硬性下(xià)降。
（3）影響鋼脫碳的因素 影響鋼脫碳的因素主要有鋼的化學成分(fēn)、加熱溫度、保溫時間和爐氣成分(fēn)等。鋼的化學成分(fēn)對脫碳有很大(dà)影響。鋼中(zhōng)含碳量愈高，脫碳傾向愈大(dà)。合金元素W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加，而Cr等元素能阻止鋼脫碳。随着加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一(yī)般情況下(xià)，加熱溫度低于1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴散，脫碳比氧化慢(màn)。但随着溫度的升高，雖然氧化皮形成速度增加，但氧化皮下(xià)面碳的擴散速度也加快，達到某一(yī)溫度後脫碳反而比氧化快，此時氧化皮失去(qù)保護能力。加熱時間愈長，加熱次數愈多，脫碳層愈深。但脫碳層并不與時間成正比增加。例如，高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達0.4mm；加熱4h達1.0mm；加熱12h達1.2mm。爐内氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中(zhōng)脫碳能力最強的介質是H2O（汽），其次CO2與O2，最後是H2；而CO和CH4則使鋼中(zhōng)增碳。在中(zhōng)性介質中(zhōng)加熱時，脫碳最少。
（4）防止脫碳的措施 工(gōng)件加熱時，盡可能地降低加熱溫度及在高溫下(xià)的停留時間，合理地選擇加熱速度，以縮短加熱的總時間。控制加熱氣氛，使之呈現中(zhōng)性或采用保護性氣體(tǐ)加熱，在脫氧良好的鹽浴爐中(zhōng)加熱，要比普通箱式爐中(zhōng)加熱的脫碳傾向小(xiǎo)。熱壓力加工(gōng)過程中(zhōng)，如果生(shēng)産中(zhōng)斷，應降低爐溫，如停頓時間很長，則應将坯料從爐内取出或随爐降溫。進行冷變形成形時，盡可能減少中(zhōng)間退火(huǒ)次數及降低中(zhōng)間退火(huǒ)溫度。高溫加熱時。鋼的表面用覆蓋物(wù)或塗料進行保護，以防止氧化與脫碳。
3、折疊
（1）折疊的特征 折疊與周圍金屬的流線方向一(yī)緻；折疊尾端一(yī)般成小(xiǎo)圓角。有時，折疊之前先有折皺，這時折疊尾端一(yī)般呈枝杈形；折疊兩側有較重的氧化、脫碳現象。
（2）折疊的類型和形成原因 各種鍛件的折疊形式和位置一(yī)般是有規律的，折疊的類型和形成原因有以下(xià)幾種：由兩股（或多股）金屬對流彙合而形成折疊；由一(yī)股金屬的急速大(dà)量流動将鄰近部分(fēn)的表層金屬帶着流動，兩者彙合而形成折疊；由于變形金屬發生(shēng)彎曲、回流而形成折疊；部分(fēn)金屬局部變形，被壓入另一(yī)部分(fēn)金屬内形成折疊。
模鍛過程中(zhōng)，如果某處金屬充填慢(màn)，在其相鄰部分(fēn)均已基本充滿時，該處仍缺少大(dà)量的金屬而形成空腔，則相鄰部分(fēn)的金屬在此處彙流而形成折疊。模鍛時，坯料尺寸不合适，打擊速度過快，模具圓角、斜度不合适，或某處金屬充填阻力過大(dà)都會産生(shēng)折疊。模鍛時，彎軸和帶枝權的鍛件常易由兩股金屬彙合形成折疊。
環形鍛件和齒輪鍛件折疊形成的原因與工(gōng)字形件類似。
細長（或扁薄鍛件，先被壓彎，然後發展成折疊。由于金屬回流形成彎曲，繼續模鍛時發展成折疊。拔長堅，當送進量很小(xiǎo)，壓下(xià)量很大(dà)時，上、下(xià)兩端金屬局部變形形成折疊。避免産生(shēng)這種折疊的措施是增大(dà)送進量，使每次送進量與單邊壓縮量之比大(dà)于1~1.5。
模鍛時，上、下(xià)模錯移時，啃掉鍛件上一(yī)塊金屬，再壓入鍛件，便形成了折疊。
（3）防止折疊的措施 合理選擇毛坯尺寸；清除毛坯上毛刺和氧化皮；提高模具光潔度；增大(dà)模具圓角半徑；加強潤滑；注意鍛造時的送進量和操作方法等。
4 、裂紋
（1）裂紋形成的原因分(fēn)析 材料的斷裂一(yī)般有兩種形式：一(yī)種是斷裂面平行于最大(dà)切應力或最大(dà)切應變方向的切斷，另一(yī)種是斷裂面垂直于最大(dà)正應力或最大(dà)正應變方向的正斷。材料以何種形式斷裂，主要取決于所受正應力σ與切應力τ之比。對高塑性材料的扭轉，由于最大(dà)切應力與正應力之比σ/τ＝1，發生(shēng)的破壞是剪切破壞；對低塑性材料由于不能承受大(dà)的拉應力。扭轉時則發生(shēng)45°方向開(kāi)裂。對于某一(yī)定成分(fēn)的材料，受力狀态及周圍介質對裂紋的發生(shēng)和發展有很大(dà)的影響。
鍛造生(shēng)産中(zhōng)，除了由模具給工(gōng)件施加壓力外(wài)。還有由于變形不均勻引起的附加應力、溫度不均勻引起的熱應力和因組織轉變不同時進行而産生(shēng)的組織應力，這些都可以使鍛件産生(shēng)裂紋。
1）由模具施加的外(wài)力引起的鍛件裂紋。如果工(gōng)件的斷面是矩形且邊長相差較大(dà)，則沿窄邊鍛打時易發生(shēng)彎曲，工(gōng)件一(yī)側受拉應力，另一(yī)側受壓應力。當工(gōng)件彎曲比較嚴重時，在随後的校正工(gōng)序中(zhōng)凹的一(yī)面受拉應力，使工(gōng)件開(kāi)裂。由于彎曲産生(shēng)的拉應力不僅在自由鍛時可以産生(shēng)，在模鍛中(zhōng)由于工(gōng)件下(xià)部與模具不接觸造成彎曲也可能拉裂。如果工(gōng)件變形時下(xià)表面不是自由彎曲，而受到一(yī)定的壓應力，便不緻引起開(kāi)裂。
與鑄鐵冷壓時易産生(shēng)近45°的斜裂相似，镦粗時軸向雖受壓應力，但與軸向成45°方向有最大(dà)剪應力而産生(shēng)斜裂。對于多數金屬，尤其是塑性較高的金屬，镦粗時一(yī)般不出現斜裂，而是出現縱裂，這與明顯的鼓形而使工(gōng)件幾何形狀改變造成應力改變有關。呈凹形的試樣镦粗時出現了45°的斜裂，而呈鼓肚形的鍛件镦粗時則出現了縱裂。這是因爲沿鍛件表層除了壓應力外(wài)，、凹試件還受徑向壓應力分(fēn)量的作用，阻止縱向開(kāi)裂；而凸試件由于受徑向拉應力産生(shēng)的切向拉應力作用，促使表層縱向開(kāi)裂。
2）由附加應力及殘餘應力引起的裂紋。鍛件變形時，伸長較多的部分(fēn)和伸長較少的部分(fēn)相互牽制，伸長較大(dà)的部位受到附加壓應力作用，而伸長較少的部位則受到附加拉應力的作用。當附加拉應力超過材料的變形極限時，就會産生(shēng)裂紋。矩形斷面的坯料拔長時，如果送進量l相對于坯料高度h較小(xiǎo)（l＜0.5h），則變形區與镦粗時形成的雙鼓形類似，中(zhōng)間部分(fēn)鍛不透，上、下(xià)兩部分(fēn)金屬強制其延伸，而使其受到拉應力，産生(shēng)橫向裂紋。
3）由熱應力及組織應力引起的裂紋。鍛件在加熱或冷卻時，由于溫度不均勻造成熱脹或冷縮不均勻，引起内應力。在降溫較快或升溫較慢(màn)處材料受拉應力，反之，則受到壓應力的作用。當組織轉變不能同時發生(shēng)時，則産生(shēng)組織應力。增加比容的轉變區受壓應力，減小(xiǎo)比容的轉變區則受拉應力。當拉應力超過材料的強度極限時，鍛件上就會産生(shēng)裂紋。奧氏體(tǐ)冷卻時，發生(shēng)馬氏體(tǐ)轉變的材料在冷卻過程中(zhōng)形成的熱應力和組織應力使工(gōng)件在冷卻過程中(zhōng)聽(tīng)形成的熱應力和組織應力不斷發生(shēng)變化，其分(fēn)布恰好相反，但并不能相互抵消。熱應力在高溫時已經形成，而淬火(huǒ)組織應力則在較低的溫度時才開(kāi)始出現。室溫時，殘餘應力的大(dà)小(xiǎo)與分(fēn)布取決于熱應力與組織應力的相互疊加的結果。
（2）裂紋的特征 裂紋一(yī)般與流線成一(yī)定的夾角，尾部是尖的。這與折疊不同，折疊與附近的流線平行，尾部呈圓角，對中(zhōng)高碳鋼來說折疊表面有氧化脫碳現象。
具有裂紋的鍛件加熱後，裂紋附近有嚴重脫碳現象，冷卻裂紋則沒有這種現象。由于冷校正及冷切邊引起的裂紋。在裂紋周圍有滑移帶等冷變形痕迹。
（3）防止裂紋産生(shēng)的措施 裂紋的産生(shēng)與受力情況和材料的塑性有關。當溫度和應變速度一(yī)定時，由拉應力引起的開(kāi)裂條件爲：
Cσ≈a—bp+cε
由切應力引起的開(kāi)裂條件爲：
C τ≈A—Bp+Cε
式中(zhōng)，p爲靜水壓力，即三個主應力的平均值，拉應力取正，壓應力取負。ε是有效應變，代表加工(gōng)硬化。a、b、c和A、B、C爲系數。可見，防止裂紋産生(shēng)的主要措施如下(xià)。
1）變形時盡量減小(xiǎo)拉應力。三向等壓應力不僅不會使裂紋擴展，而且微小(xiǎo)未被氧化的裂紋在高的三向壓應力作用下(xià)被鍛合。低塑性材料采用反推力擠壓及帶套筒镦粗可防止開(kāi)裂。擠壓和拔長時減小(xiǎo)附加應力，是防止開(kāi)裂的非常有效的措施。
2）選擇合适的變形溫度。變形溫度低，冷變形硬化嚴重，塑性下(xià)降；變形溫度過高，則易引起過熱與過燒。
3）控制應變速度。應變速度對低塑性材料有很大(dà)的影響，應根據具體(tǐ)材料選用合适的鍛造設備，以控制變形速度。
4）中(zhōng)間退火(huǒ)。冷變形程度過大(dà)，往往引起鍛件開(kāi)裂，經過中(zhōng)間退火(huǒ)，可以消除硬化和變形引起的部分(fēn)缺陷。
5）提高材料的塑性。材料晶界上出現低熔點物(wù)質和脆性化合物(wù)，在鍛造時易引起開(kāi)裂，應盡量避免這些缺陷。
5 、鍛件其他常見的失效形式
鍛造生(shēng)産中(zhōng)，鍛件其他常見的失效形式見表。
鍛件其他常見的失效形式
失效種類
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主要特征
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産生(shēng)的原因及影響
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過熱
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一(yī)般指金屬由于加熱溫度過高引起粗大(dà)晶粒的現象。碳鋼（亞共析鋼或過共析鋼）以出現魏氏組織爲特征。工(gōng)模具鋼（或高合金鋼）以一(yī)次碳化物(wù)角狀化爲特征。一(yī)些合金結構鋼過熱後除晶粒粗大(dà)外(wài)，沿晶界還有析出物(wù)，而且用一(yī)般熱處理辦法也不易消除
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加熱溫度過高或在規定的鍛造與熱處理溫度範圍内停留時間太長引起的
過熱組織由于晶粒粗大(dà)，将使力學性能降低，尤其是沖擊性能
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過燒
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過燒嚴重的金屬，镦粗時輕輕一(yī)擊就開(kāi)裂，拔長時在過燒處出現橫向裂口
過燒部位的晶粒特别粗大(dà)。裂紋間的表面呈淺灰藍(lán)色。過燒的鋁合金鍛件，表面呈黑色或暗黑色，并且表面形成雞皮狀氣泡。從組織上看，一(yī)般以晶界出現氧化和熔化現象爲特征
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加熱溫度過高或高溫加熱時間過長引起的。爐中(zhōng)的氧及金屬晶粒間的空隙，并與鐵、硫、碳等氧化，形成了易熔相，破壞晶粒間的聯系
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銅脆
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鍛造時鍛件表面龜裂。高倍顯微鏡下(xià)觀察時，有淡黃色的銅（或銅的固溶體(tǐ)）沿晶界分(fēn)布
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爐内殘餘氧化銅屑，加熱時氧化銅還原爲自由銅，銅在高溫下(xià)沿奧氏體(tǐ)晶界擴展，削弱了晶粒間的聯系。另外(wài)，當鋼中(zhōng)含銅量＞0.2%時，在氧化性氣氛中(zhōng)加熱，在氧化皮下(xià)形成富銅層，也引起銅脆
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大(dà)晶粒
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鍛件在低倍顯微鏡下(xià)觀察，晶粒粗大(dà)
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始鍛溫度過高和變形程度不足；終鍛溫度過高；變形程度落入臨界變形區；鋁合金變形程度 過大(dà)，形成織構；高溫合金變形溫度過低，形成混合變形組織等，均能形成粗大(dà)晶粒
粗晶使鍛件的塑性、韌性降低，疲勞性能明顯下(xià)降
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晶粒不均勻
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鍛件某些部位的晶粒特别粗大(dà)，某些部位卻較小(xiǎo)，形成整個鍛件内部晶粒大(dà)小(xiǎo)不均
耐熱鋼及高溫合金對晶粒不均勻特别敏感
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變形不均勻使晶粒破碎不一(yī)或局部區域變形程度落入臨界變形區，高溫合金局部加工(gōng)硬化，淬火(huǒ)加熱時局部晶粒粗大(dà)
晶粒不均勻使鍛件的持久性能、疲勞性能等明顯下(xià)降
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冷硬現象
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熱鍛後鍛件内部仍保留冷變形組織，鍛件強度和硬度比正常的熱鍛高，但塑性和韌性下(xià)降
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變形時溫度偏低或變形速度過快以及鍛後冷卻速度過快，再結晶引起的軟化跟不上變形引起的強化，從而出現熱加工(gōng)後的冷硬現象
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脫碳層堆積
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鍛件 上局部地方出現脫碳層堆積，該處硬度低于正常組織的硬度
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這種缺陷是由于鍛造工(gōng)藝不當引起的。例如，圓棒料拔長時，由于錘擊過重和壓下(xià)量過大(dà)，翻轉90°壓縮時成雙鼓形，再拔長時，雙鼓形的一(yī)部分(fēn)金屬向外(wài)流動，增加寬度的同時，一(yī)部分(fēn)金屬向中(zhōng)間部位流動，形成了中(zhōng)間部位脫碳層堆積現象
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龜裂
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鍛件表面出現較淺的龜狀裂紋
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原材料含Cu、Sn等易熔元素量過多；高溫長時間加熱時，鋼表面銅析出、表面晶粒粗大(dà)、脫碳，或經多次加熱的表面；加熱時，燃料中(zhōng)含硫量過高，造成鍛件表面增硫；鍛件成形中(zhōng)受拉應力的表面（例如，未充滿的凸出部分(fēn)或受彎曲的部分(fēn)）最容易産生(shēng)這種缺陷
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穿流
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穿流是流線分(fēn)布不當的一(yī)種形式。在穿流區，原先成一(yī)定角度分(fēn)布的流線彙合在一(yī)起。穿流區内、外(wài)晶粒大(dà)小(xiǎo)常常相關較懸殊
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穿流産生(shēng)的原因與折疊相似，它是由兩股金屬或一(yī)股金屬帶着另一(yī)股金屬彙流而形成的，但穿流部分(fēn)的金屬仍是一(yī)整體(tǐ)。穿流使鍛件的力學性能降低，尤其當穿流帶兩側晶粒相差較懸殊時，性能降低較明顯
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鍛件流線分(fēn)布不當
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鍛件上發生(shēng)流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現象
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模具設計不當或鍛造方法選擇不合理，預先毛坯流線紊亂；操作不當及模具磨損使金屬産生(shēng)不均勻流動
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當前位置：