常見金屬材料缺陷及危害

1、第八節(jié) 常見鋼鐵材料缺陷和危害一、鑄造缺陷（一）氣孔或氣泡金屬在冷凝過程中，由于溶解度的降低，致使部分氣體來不及析出而殘留到鑄件內部便形成了氣孔。氣體的來源：氣體的溶解度隨金屬溫度的降低而降低，液態(tài)金屬中溶解的過飽和氣體將析出；鋼液內部或型（芯）壁面與液態(tài)金屬發(fā)生化學反應生成的氣體；型壁或芯壁面上存在的氣體侵入；澆鑄過程中產生的氣體卷入液態(tài)金屬中。氣孔或氣泡類型：皮下氣泡、表面氣孔、內部氣孔、針孔，形貌見圖1-32、1-33。氣孔的危害：氣孔的存在減少了鑄件的有效截面，而且由于缺口效應，大大地降低了材料的強度，如果鑄件表面存在氣孔，在熱加工中被氧化，將導致在后續(xù)的加工工序中產生裂紋。圖1-32

2、 皮下氣泡宏觀形貌圖 1-33 皮下氣泡微觀形貌 100×（二）疏松鑄件與鋼錠內部因凝固時體積收縮而引起的細小孔隙或組織不致密現象，稱為疏松。微觀下疏松有晶間疏松和枝間疏松之分，宏觀下疏松分為一般疏松和中心疏松，二者在本質上沒有區(qū)別，只是分布狀態(tài)不同。疏松的存在使金屬致密性變差，用作液體容器或管道的鑄件易出現滲漏。鋼材內部的疏松在壓力加工過程中有可能被焊合或有很大程度的改善，但嚴重時則不易消除，會降低材料的力學性能，以致在使用過程中發(fā)生斷裂。（三）縮孔金屬在冷凝過程中，由于體積的收縮而在鑄錠頭部、鑄件澆冒口、鑄件心部等最后凝固部位得不到液態(tài)金屬的補充而形成的孔洞稱為縮孔，見圖1-34

3、?？s孔是金屬結晶時最后凝固的區(qū)域，形狀特征有漏斗形、喇叭狀及不規(guī)則的孔洞，其附近低熔點雜質富集，常伴有嚴重的疏松、夾雜物和成分偏析。有時縮孔也可能深入到鋼錠中部，形成二次縮孔。縮孔的存在將顯著降低材料的力學性能，甚至在使用過程中引起斷裂或其他事故；有縮孔存在的鋼錠如果未完全切除或熱加工未能良好焊合，在后續(xù)加工中會導致其他缺陷，如分層、縮孔殘余等。縮孔殘余見圖1-35。圖圖1-34 縮孔缺陷 圖1-35 縮孔殘余（四）夾雜物夾雜物可分為非金屬夾雜物、非金屬夾渣和異金屬夾雜。人們習慣把非金屬夾雜物稱作內生夾雜物，把非金屬夾渣和異金屬夾雜稱作外來夾雜物。1非金屬夾雜物金屬在冶煉、澆鑄和冷卻等過程中，

4、各成分之間或金屬與爐氣、容器等接觸所引起的化學反應而形成的產物，以及金屬在冷凝或溫度下降時因溶解度減小等原因析出的顆粒，稱為非金屬夾雜物。它的組成除了與冶煉方法有關外，更主要的取決于脫氧方法，改進冶煉工藝只能減少非金屬夾雜物的組成和數量，但不能完全消除。鋼中非金屬夾雜物見圖1-36。2非金屬夾渣鋼在冶煉時的熔煉渣和澆注時鋼水對爐襯、盛鋼桶的侵蝕以及對澆道的沖刷使得耐火材料落入鋼液中所致。3異金屬夾雜冶煉時操作不當，合金未完全熔化或外來異金屬塊落入澆道未完全熔化完所致。管體表面異性金屬夾雜見圖1-37。夾雜物的危害取決于組分、數量、形態(tài)、大小和分布，它破壞了金屬的連續(xù)性，容易形成應力集中，造成零

5、件開裂或疲勞損壞，主要降低材料的塑性。圖1-36 變形破碎的非金屬夾雜物 100× 圖1-37 管體表面異性金屬夾雜宏觀形貌（五）偏析金屬在冷凝過程中，由于各組元先后凝固順序不同而形成的化學成分不均勻現象，稱為偏析。最常見的宏觀偏析有錠型偏析和點狀偏析，微觀偏析有晶內偏析（枝晶偏析）和晶間偏析，枝晶偏析低倍形貌見圖1-38。偏析會造成材料性能不均勻或產生脆性，但偏析往往是難免的，適當的控制冷凝速度可以使偏析程度得到改善，還可以通過采用一定的熱處理工藝加以改善和消除。圖1-38 低倍枝晶偏析 圖1-39 鍛造裂紋二、鍛造與軋制缺陷（一）鍛造裂紋鍛件在加熱或鍛造過程中，由于加熱速度過快產

6、生熱應力、加熱時保溫時間、產生不均勻變形或存在內部缺陷等原因，導致鍛件發(fā)生開裂，稱為鍛造裂紋。見圖1-39。鍛件出現裂紋后，必須將裂紋打磨清除掉才可以進行后續(xù)熱處理。（二）折疊材料表面金屬在鍛、軋時壓入內部淺表層，形成的缺陷稱為折疊。折疊是金屬變形過程中已氧化過的表層金屬匯合在一起而形成的，是金屬產生非均勻變形所致，通常與原材料表面缺陷、坯料的形狀、模具的設計、成型工序的安排、潤滑情況及鍛造操作等有關。折紋與金屬流線方向一致，尾部一般呈一定弧度或小圓角，兩側會出現氧化脫碳現象，它使材料的整體連續(xù)性遭到破壞，超過加工余量的折疊缺陷是不允許的，見圖1-40、圖1-41。圖1-40 鍛造折疊 100

7、× 圖1-41 鍛造折疊 50×（三）劃痕由于機械損傷造成零件或坯料表面呈一定深度的道痕或凹坑，稱為劃痕。劃痕缺陷一般比較直，長度不等。表面有劃痕的型材進行軋制時易產生細小的裂紋，受壓的薄板材容易在劃痕處產生應力集中，耐壓容器是不允許有嚴重劃痕存在的。（四）帶狀組織金屬材料中兩種組織組分呈條帶狀沿熱變形方向大致平行交替排列的組織。在亞共析鋼中（多見于低碳鋼熱軋后），珠光體和鐵素體呈帶狀分布，過共析鋼在加工變形量較大的情況下，碳化物也能堆積成帶狀。16Mn熱軋狀態(tài)帶狀組織見圖1-42。帶狀組織是成分偏析和熱加工工藝不當兩個原因造成的，鋼材出現帶狀組織使力學性能出現方向性。圖1

8、-42 帶狀組織 100× 圖1-43 脫碳層組織 100×三、加熱過程中的缺陷（一）氧化鋼在氧化性介質中加熱時，與氧原子形成氧化鐵的現象。氧化使工件尺寸變小，表面過厚的氧化皮影響淬火冷卻速度，達不到應有的淬火效果，使硬度降低。（二）脫碳鋼在高溫加熱時，表層的碳濃度被氧化而導致含碳量降低的現象。加熱溫度越高，時間越長，脫碳現象越嚴重。減輕和防止脫碳的辦法是在鹽浴爐中加熱或采用保護氣氛加熱、真空加熱、表面涂層保護加熱等。脫碳層形貌見圖1-43。脫碳會造成鋼淬火后硬度不足，疲勞強度降低，容易形成表面淬火裂紋，氧化與脫碳往往相互伴隨。（三）欠熱又稱加熱不足，是加熱溫度過低或者加熱

9、時間過短造成的缺陷。欠熱會在亞共析鋼淬火組織中出現鐵素體，造成硬度不足；在過共析鋼淬火組織中會存在過多的未溶滲碳體，因碳濃度不夠而硬度不足，并且由于奧氏體中合金元素濃度不夠高，從而影響淬透性；正火時因欠熱不能完全消除網狀組織或帶狀組織；球化退火時因欠熱組織中會殘存粗片狀珠光體。欠熱可通過退火或正火來矯正。（四）過熱鋼材過熱是一種熱加工缺陷，引起的原因是在加熱過程中，由于加熱溫度過高或加熱時間過長，造成奧氏體晶粒明顯長大、組織粗化出現魏氏組織等。鋼材不嚴重的過熱可通過退火或正火來矯正。鋼材過熱降低鋼的強度或影響不明顯，但是顯著降低鋼的塑性和韌性，使脆性增大；出現過熱后，在淬火過程中會導致發(fā)生開裂

10、。（五）過燒鋼材過燒是由于加熱溫度過高達到或接近固相線溫度所致，除具有過熱特征外，還出現奧氏體晶界氧化或局部熔化的現象，致使零件報廢，過燒是無法挽救的缺陷。40鋼過燒組織見圖1-44。圖1-44 40鋼過燒組織 200×鋼材過燒導致晶界結合強度弱化，脆性增加，使力學性能嚴重下降，在鍛、軋塑性變形加工中極易發(fā)生開裂。四、淬火冷卻時的缺陷（一）淬火裂紋在淬火冷卻過程中，由于熱應力和組織應力過大，導致零件發(fā)生開裂，稱為淬火裂紋。其特征是裂紋兩側沒有氧化脫碳現象，裂紋多由外向內擴展，裂紋起始于尖角或形狀尺寸突變處及各種缺陷處，尾部尖銳。淬火裂紋外觀形貌見圖1-45。圖1-45 零件表面淬火裂

11、紋引起淬火裂紋的因素很多，概括起來主要有：1化學成分的影響：一般來說，鋼的含碳量越高，越容易產生淬火裂紋；合金元素Cr、Mn及雜質元素P促進淬火裂紋的形成。2原材料的影響：原材料中存在非金屬夾雜物、氣泡、白點、偏析、粗大第二相等，易引起淬火裂紋。3淬火前組織的影響：晶粒粗大、工具鋼碳化物偏析或脫碳、存在網狀碳化物，易引起淬火裂紋。4零件形狀結構的影響：截面急劇變化或有尖角、缺口、孔洞、槽口、模型界線飛邊、沖壓標記、刻痕、加工刀痕等，易引起淬火裂紋。5淬火介質的影響：淬火介質冷卻能力越強，越容易產生淬火裂紋。6淬火溫度的影響：淬火溫度越高，越容易產生淬火裂紋。裂紋的存在降低了材料實際承載能力，裂

12、紋的失穩(wěn)擴展導致斷裂發(fā)生，造成事故，裂紋是一種具有嚴重危害性的缺陷。（二）淬火變形淬火時由于應力和相變引起的體積變化導致零件尺寸或形狀發(fā)生改變稱為淬火變形。淬火變形件內部往往存在著應力或不穩(wěn)定的組織，如不消除將影響成品零件尺寸的穩(wěn)定，淬火變形缺陷較難避免，過量的變形是不允許的。（三）淬火硬度不足淬火后零件沒有達到應有的硬度要求。造成淬火硬度不足的原因主要有：1加熱溫度低，保溫時間短，致使碳和合金元素沒有充分溶入奧氏體內，組織中存在未溶鐵素體（亞共析鋼）或較多未溶碳化物（過共析鋼），淬火后馬氏體數量不足，造成淬火硬度不足。2表面脫碳，此時磨去表層后，硬度比表面高。3冷卻速度不夠，工件在淬火冷卻過

13、程中發(fā)生或部分發(fā)生了奧氏體向珠光體、屈氏體、貝氏體轉變，即出現非馬氏體組織，此時淬火工件不能得到正常數量的馬氏體組織，造成硬度不足。4過共析鋼加熱溫度過高，保溫時間過長，奧氏體中溶有過量的碳或合金元素，使馬氏體轉變點Ms大大下降，淬火后殘余奧氏體增多，降低硬度。（四）淬火硬度不均勻產生淬火硬度不均勻的原因主要有：1淬火前組織不均，如有嚴重的偏析等。2淬火時淬火介質攪動不夠。3淬火介質中有雜質，如水中有油等。4工件表面狀況不一致，如有氧化皮等。5滲碳件表面碳濃度不均。6爐溫不均勻或工件擺放不合理等。五、其它缺陷（一）回火脆性通常情況下，淬火后鋼的韌性隨回火溫度的升高而連續(xù)升高，某些成分鋼淬火后在

14、特定的溫度范圍內回火或回火后緩冷，韌性反而降低，出現脆性的現象，稱為回火脆性。通常應該避開回火脆性溫度區(qū)間回火，冷卻時在回火脆性溫度區(qū)間采用快速冷卻。1低溫回火脆性發(fā)生在（250400）之間的回火脆性稱為低溫回火脆性，也稱為第一類回火脆性。低溫回火脆性是不可逆的，幾乎所有的鋼都存在這種脆性，它的產生原因是在此溫度回火時，從馬氏體中析出的碳化物在馬氏體條束之間的界面上或晶界上析出，這種硬而脆的碳化物割裂了基體的連續(xù)性，使韌性下降。同時，在此溫度區(qū)間發(fā)生的殘余奧氏體的分解也加重了這種脆性。另外，也與S、P、Sb等有害元素在晶界、相界上的聚集有關。2高溫回火脆性發(fā)生在（450600）之間的回火脆性稱為高溫回火脆性，也稱為第二類回火脆性。高溫回火脆性多發(fā)生含Ni、Cr、Mn的鋼中，它是可逆的，如將已產生回火脆性的工件重新加熱，