鋼中的裂紋與白點(diǎn)

鋼中的裂紋與白點(diǎn)1、白點(diǎn)的危害白點(diǎn)是在第一次世界大戰(zhàn)期間銘銀鋼中首先發(fā)覺(jué)，1917年美國(guó)發(fā)覺(jué)全部銘銀鋼制成的飛機(jī)曲軸都有白點(diǎn)。白點(diǎn)缺陷在鋼中造成應(yīng)力集中，并使鋼性能變脆。白點(diǎn)的存在簡(jiǎn)單使工件在熱處理時(shí)開(kāi)裂并常常造成突然破壞的人身設(shè)施事故。例如美國(guó)芝加哥瑞吉南電站一臺(tái)16萬(wàn)5千瓦汽輪機(jī)低壓缸主軸，因有白點(diǎn)，1954年12月9日突然發(fā)生爆裂事故。發(fā)生事故時(shí)僅運(yùn)轉(zhuǎn)三個(gè)月。我們也曾遇到多起白點(diǎn)引起的破壞，例如1976年我廠供攀鋼軋制156字鋼大型軋輯①800mm,由于內(nèi)部存在白點(diǎn)而發(fā)生斷裂（照片1）斷裂時(shí)第一輻坯未軋完。照片2、3都是白點(diǎn)引起的熱處理開(kāi)裂。白點(diǎn)對(duì)鋼的機(jī)械性能影響很大。其中斷面收縮率、延長(zhǎng)率和沖擊值降低較多，對(duì)強(qiáng)度的影響取決于所取試樣有無(wú)白點(diǎn)及白點(diǎn)與試樣軸線的相對(duì)位置。白點(diǎn)的存在嚴(yán)峻地降低了鋼的抗疲憊性能。我們?cè)鲞^(guò)純彎曲疲憊試驗(yàn)證明，白點(diǎn)對(duì)40鋼車軸鋼純彎曲疲憊壽命影響極大，以破斷的循環(huán)次數(shù)來(lái)看，無(wú)白點(diǎn)試棒與有白點(diǎn)試棒相比可差幾倍到幾十倍甚至更多。同時(shí)隨著施加應(yīng)力的減小，倍數(shù)有明顯增加的趨勢(shì)。這說(shuō)明在應(yīng)力作用下（一般使用應(yīng)力都較小），白點(diǎn)對(duì)循環(huán)次數(shù)的影響更大。同時(shí)有白點(diǎn)的試棒都斷與白點(diǎn)處。白點(diǎn)有如此之大的危害，有人稱它為鋼的缺陷中的“癌癥”，一般標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定，發(fā)覺(jué)白點(diǎn)都要報(bào)廢。2白點(diǎn)特征（1）白點(diǎn)的縱向端口特征及白點(diǎn)的定義白點(diǎn)的縱向端口特征是呈圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn)，因此取名“白點(diǎn)”，他實(shí)際上是存在于鋼中的片狀裂紋群。白點(diǎn)的縱向端口有以下四個(gè)特征：a）外形為斑點(diǎn)狀、圓形、橢圓形伸長(zhǎng)的雪片狀及其它外形。b）顏色一般是銀白色的，隨化學(xué)成分及加工條件不同也可能是灰色的。c）白點(diǎn)的大小由于鋼種及形成條件不同而差別很大，從零點(diǎn)幾毫米到幾十毫米，白點(diǎn)面積大小與白點(diǎn)裂紋長(zhǎng)短相對(duì)應(yīng)，白點(diǎn)裂紋的寬度微小。d）白點(diǎn)區(qū)域的斷口與其四周基體斷口有明顯區(qū)分。由于打斷口時(shí)的熱處理狀態(tài)不同，白點(diǎn)區(qū)的晶?？梢员然w金屬的粗，也可能比基體金屬的細(xì)。在淬火后打斷的斷口上，白點(diǎn)區(qū)是粗晶粒的，而且常常是有光澤的和未變形的，有時(shí)白點(diǎn)較基體顯著凹陷。當(dāng)消失與折斷方向相垂直的白點(diǎn)時(shí)，端口上看到一條裂紋，裂紋兩側(cè)斷口有突跳，有時(shí)兩側(cè)的金屬會(huì)隨著裂紋突出金屬斷口表面，形成所謂“鴨嘴形”。白點(diǎn)的縱向斷口可見(jiàn)照片4、5o白點(diǎn)的垂直斷口平面時(shí)的狀況，見(jiàn)照片6、7o（2）白點(diǎn)的橫向低倍特征：（指受蝕平面垂直于白點(diǎn)裂紋）白點(diǎn)試驗(yàn)的試片應(yīng)在規(guī)定部位切取，以保證所取試片上確有白點(diǎn)，在剛材中，一般要離開(kāi)端頭肯定距離?；蛴贸暡ㄌ絺_定有白點(diǎn)的位置。表面V6?▽7,用熱蝕或冷蝕均可。白點(diǎn)在酸浸后的橫向低倍試片上表現(xiàn)為鋸齒狀裂紋，或稱發(fā)絲狀裂紋，因此也有人稱它為“發(fā)裂”（也有人誤稱為發(fā)紋，現(xiàn)在多數(shù)人不這樣叫）。裂紋的兩端與兩壁很明顯，由裂紋到正常金屬是突變而不是漸漸過(guò)渡（與夾渣偏析區(qū)分）。白點(diǎn)裂紋多數(shù)位于試樣的心部或心部四周，靠近（鍛坯）試樣的表面不會(huì)有白點(diǎn)。由于生成條件的不同，白點(diǎn)有呈無(wú)位向分布的；有呈輻射狀分布的；有呈同心圓狀分布的；有的則沿鍛造十字的偏析區(qū)分布。除此之外，鋼的某些低強(qiáng)度區(qū)（象區(qū)域偏析），單向延長(zhǎng)造成的各向異性等都對(duì)白點(diǎn)的位置方向外形產(chǎn)生影響。照片8、9、10、11、12、13是各種白點(diǎn)的分布特征。碳素鋼中的白點(diǎn)一般較合金鋼中的白點(diǎn)短小和不明顯，它多分布于中心四周和近中心四周；而合金剛中白點(diǎn)多呈“環(huán)狀分布”（照片12）o在小型鍛件中，并未發(fā)覺(jué)白點(diǎn)與偏析有什麼關(guān)系。在大型鍛件中，白點(diǎn)位于或起始于偏析區(qū)，在這個(gè)區(qū)域里富有碳、磷、硫和合金元素。由于元素的偏析使得偏析區(qū)較基體組織硬度高，所以在車光后的硬度試片上?？吹胶芏嗔咙c(diǎn)，這些斑點(diǎn)與偏析區(qū)及白點(diǎn)對(duì)應(yīng)。照片14是白點(diǎn)裂紋與偏析（點(diǎn)）的關(guān)系。（3）白點(diǎn)的顯微組織特征對(duì)白點(diǎn)裂紋的光學(xué)金相顯微鏡觀看表明，白點(diǎn)裂紋呈鋸齒狀，裂紋多半是穿晶的，裂紋四周并不發(fā)生塑性變形，沒(méi)有夾雜物和氧化脫碳現(xiàn)象。白點(diǎn)四周的金相組織與基體部分的正常組織沒(méi)有什么不同。進(jìn)入七十年月以來(lái)，由于電子顯微鏡的大量使用，為觀看白點(diǎn)斷口的顯微形貌供應(yīng)了分析手段，北京鋼鐵討論總院，中國(guó)科學(xué)院金屬討論所等單位先后對(duì)不同鋼種白點(diǎn)的斷口微觀形貌進(jìn)行大量的觀看和分析討論，發(fā)覺(jué)：無(wú)論什么合金或處于什么狀態(tài)，它們的白點(diǎn)形貌均為穿晶脆性斷裂和沿晶脆性斷裂。我們也對(duì)50Mn鋼鍛件（淬火狀態(tài)）的白點(diǎn)斷口進(jìn)行了掃描電子顯微鏡觀看，白點(diǎn)區(qū)除發(fā)覺(jué)有沿晶脆斷外，還發(fā)覺(jué)解理斷口。其主要形貌見(jiàn)照片15、16、17、18o（4）白點(diǎn)的可鍛合這是它與夾雜物，夾渣缺陷相區(qū)分的重要特征。由于白點(diǎn)是鋼內(nèi)部的小面積開(kāi)裂，其表面未被氧化和沾染，所以只要改鍛時(shí)鍛造方向合適或鍛比足夠大，白點(diǎn)完全可以鍛合，并且機(jī)械性能完全合格。為使鋼中白點(diǎn)焊合，需要肯定的鍛造比，不同材質(zhì)，不同級(jí)別的白點(diǎn)，鍛比也不相同,可由L8?7.3不等。（5）鋼的白點(diǎn)敏感性白點(diǎn)主要產(chǎn)生在珠光體、珠光體一馬氏體和馬氏體級(jí)合金鋼中，碳素鋼中也產(chǎn)生白點(diǎn);鐵素體鋼、奧氏體鋼及萊氏體鋼（例：Crl2、W18Cr4V.Crl2MoV）在生產(chǎn)中未發(fā)覺(jué)過(guò)白點(diǎn),他們被公認(rèn)為，沒(méi)有白點(diǎn)敏感性。白點(diǎn)主要產(chǎn)生在經(jīng)鍛軋等熱變形后的鋼材中，在鋼錠難得發(fā)覺(jué)白點(diǎn)，即使有，主要是在鋼錠頭部。鑄鋼中雖然也發(fā)覺(jué)白點(diǎn)，但較為罕見(jiàn)；焊接工件的熔焊金屬中，間或也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。在其它條件相同的狀況下，鋼材截面越大越簡(jiǎn)單產(chǎn)生白點(diǎn)。一般說(shuō)來(lái)橫斷面直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產(chǎn)生白點(diǎn)。由于堿性爐鋼比酸性爐含有較多的氫，使用堿性爐冶煉的鋼比酸性爐鋼簡(jiǎn)單產(chǎn)生白點(diǎn)。目前，對(duì)鋼的白點(diǎn)敏感性尚無(wú)準(zhǔn)確的定義，我們現(xiàn)在把在相同條件下（指鋼中氫含量相同，鋼的截面相同、夾雜物與偏析程度相同，熱處理或鍛后冷卻條件相同），不同鋼中產(chǎn)生白點(diǎn)的難易程度定義為鋼的白點(diǎn)敏感性。依據(jù)有關(guān)資料和生產(chǎn)實(shí)踐閱歷，我們把不同鋼種白點(diǎn)敏感性由強(qiáng)到弱列于下面：白點(diǎn)敏感性高的鋼——34CrNi3Mo>34CrNi4Mo>34CrNi3W.37CrNi3AK34CrNiMo、20Cr3Ni4A等。白點(diǎn)敏感性較高的鋼——5CrNiMo>5CrNiB、5CrMnMo>Crl7Ni2、12CrNi3Mo^18CrNiBA>GCr6>GCrl5>9Cr2>9CrMoV>9Cr2Wo白點(diǎn)敏感性中常的鋼——60CrNi>60CrMnMo>50CrNi、55Cr>50Cr>50Mn2.40CrMnMo>40CrNi、60CrMo>45CrNiMoV>40Cr>38CrMnMoSi>38SiMnMo、38CrMnNi>42CrMo>35CrMo>34CrMoA、35SiMno白點(diǎn)敏感性較低的鋼——碳鋼：60鋼、55鋼、50鋼、45鋼、40鋼、35鋼、30鋼。30Cr、20MnMo>20Cr>20CrMo>20CrNi、20CrMn.20CrV>20MnV、20MnMoVo低碳的10鋼、15鋼、20鋼的白點(diǎn)敏感性極低。3白點(diǎn)在鋼中的分布規(guī)律白點(diǎn)的成因：白點(diǎn)的成因目前尚無(wú)公認(rèn)的理論，四十年月“白點(diǎn)熱”時(shí)期提出的很多假說(shuō)，比較有說(shuō)服力的有以下幾種：分子氫假說(shuō)一一高溫時(shí)鋼中溶解有大量的氫，隨著溫度的降低，溶解度減小，當(dāng)冷卻速度較快時(shí)，氫來(lái)不及集中至大氣中，聚集在鋼的顯微空隙中并結(jié)合成分子狀態(tài)，形成巨大的局部壓力，使鋼產(chǎn)生內(nèi)部裂開(kāi)一一白點(diǎn)。原子氫一一組織應(yīng)力假說(shuō)：這種假說(shuō)認(rèn)為鋼中原子狀態(tài)的氫使鋼變脆，組織轉(zhuǎn)變先后不同形成的應(yīng)力是使鋼裂開(kāi)的動(dòng)力。除以上兩種假說(shuō)之外，尚有分子氫一一成分假說(shuō)；甲烷假說(shuō)；原子氫一一容積假說(shuō)；氫一一甲烷一一熱力假說(shuō)等。我們認(rèn)為下面的觀點(diǎn)比較說(shuō)明問(wèn)題。即鋼中原子狀態(tài)的氫使鋼變脆，鋼在冷卻時(shí)的應(yīng)力使引起裂開(kāi)的動(dòng)力，這個(gè)應(yīng)力包括有熱應(yīng)力、組織應(yīng)力，氫結(jié)合成分子狀態(tài)形成巨大的局部壓力，這些應(yīng)力可能是共同作用、也可能是單獨(dú)起作用。無(wú)論那種假說(shuō)，都與鋼中氫有關(guān)。實(shí)踐證明，氫含量低于2.5nd/100克鋼，便不再產(chǎn)生白點(diǎn)，因此，必需設(shè)法降低鋼中的氫含量，其中，使氫從鋼中逸出是很重要的環(huán)節(jié)。（2）白點(diǎn)在鋼中的分布規(guī)律鑒于白點(diǎn)的形成與氫的逸出和材料的變形方向有關(guān)。白點(diǎn)在鋼中分布有以下幾種特點(diǎn):a）、白點(diǎn)的消失往往具有批量特性，即相同冶煉爐次，相同處理工藝，相同鍛件和段后冷卻工藝，往往都會(huì)消失白點(diǎn)。b）、白點(diǎn)簡(jiǎn)單消失在大截面部分。c）、由于氫的集中外逸，靠近鍛坯端頭及表面不會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)（經(jīng)機(jī)加工后白點(diǎn)暴露至表面的狀況例外）。概括起來(lái)，白點(diǎn)在鋼中的分布大體有以下幾種形式：（為清楚起見(jiàn)，剖面線省去）有時(shí)因特殊的冷卻條件白點(diǎn)也可能分布在工件的長(zhǎng)度的一半上或在圓形截面的半圓上，但比較罕見(jiàn)。（見(jiàn)下圖）4. 白點(diǎn)的其它檢驗(yàn)方法：超聲波探傷法：依據(jù)多次反射底波多少，把握白點(diǎn)在鋼中的分布特征，便比較簡(jiǎn)單對(duì)白點(diǎn)進(jìn)行推斷，照片19o富利試劑檢驗(yàn)法:取樣方法與低倍相同,它可以區(qū)分是白點(diǎn)還是疏松。配方：鹽酸1000ml、水1000ml、CuC12100克。操作：用脫脂棉蘸取富利試劑溶液在試樣表面擦拭10?40分鐘，然后用無(wú)水乙醇洗去銅的沉淀。(3)磁粉探傷留意磁力線與白點(diǎn)裂紋垂直。照片20。(4)金相顯微鏡與電子顯微鏡檢驗(yàn)。照片21是有白點(diǎn)的45鋼瓦座在淬火過(guò)程中開(kāi)裂的斷口，中心銀白色區(qū)域除小白點(diǎn)外，還有大面積區(qū)，顏色與白點(diǎn)相同，為鑒別是否白點(diǎn)，做了掃描電鏡觀看，發(fā)覺(jué)該區(qū)域以解理為主，有準(zhǔn)解理和微裂紋，它與白點(diǎn)區(qū)斷口形態(tài)相同，照片22。二、鋼中裂紋鑄鋼中的裂紋熱裂一一熱裂是鑄鋼件，特殊是合金鑄鋼件生產(chǎn)中常見(jiàn)的鑄造缺陷之一，熱裂是在高溫下形成的，所以裂口表面往往被氧化呈氧化色。熱裂又是沿晶粒邊界產(chǎn)生和進(jìn)展的。故裂口外形曲折而不規(guī)章(照片23)。熱裂又格外裂與內(nèi)裂兩種，照片24就是內(nèi)裂的例子。關(guān)于熱裂的形成機(jī)理，多年來(lái)主要有兩種理論流行，一種是強(qiáng)度理論，他認(rèn)為鑄件在凝固末期，當(dāng)結(jié)晶骨架已形成并開(kāi)頭線性收縮后，由于受阻產(chǎn)生應(yīng)力，這時(shí)鋼的高溫強(qiáng)度很低,塑性很差，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂紋。另一種理論叫液膜理論，它認(rèn)為鑄件在凝固過(guò)程中必定要經(jīng)過(guò)一個(gè)“液膜”期，即低熔點(diǎn)的成分在晶粒間形成一層膜，當(dāng)鑄件收縮受阻時(shí)，液膜被拉斷形成熱裂紋。1981年第6卷第1號(hào)國(guó)際鑄造金屬雜志(InternationalCastMetalsJournal)DrEng.kigoshiKita發(fā)表了他用掃描電子顯微鏡討論鑄鋼熱裂的成果，討論發(fā)覺(jué)，MnS液膜對(duì)形成熱裂起特別重要的作用。觀看表明，在熱裂紋與基體金屬相連接的微觀區(qū)域內(nèi)s和Mn元素較高，而在裂紋的中心區(qū)則富集有大量的MnO和Mn0?Si()2(照片25)。冷裂一一它是在鑄件處于彈性狀態(tài)時(shí)，鑄造應(yīng)力超過(guò)合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。冷裂紋的特征與熱裂紋不同，外形是圓滑直線或連續(xù)直線狀，往往是穿晶斷裂，斷口表面潔凈,具有金屬光澤或有稍微的氧化色。冷裂有外表可見(jiàn)的與外表不行見(jiàn)的內(nèi)冷裂兩種。前者多是在拉應(yīng)力大的部位或鑄件應(yīng)力集中的薄弱部位；后者則產(chǎn)生在大型鑄件(特殊是合金鋼鑄件)中，它主要是由于冷卻時(shí)的熱應(yīng)力造成的。內(nèi)裂在圓柱形鑄造截面上多系橫向內(nèi)裂。照片26是鑄鋼80CrMo軋輻內(nèi)冷裂的橫向斷口。鋼的熱處理裂紋鋼的淬火應(yīng)力與殘余應(yīng)力熱應(yīng)力一一它是熱處理過(guò)程中，鋼件的表面和中心或薄的地方與厚的地方之間，由于加熱或冷卻速度的不全都(形成溫差)導(dǎo)致體積脹縮不勻稱產(chǎn)生的應(yīng)力。組織應(yīng)力一一由于相變引起的比容變化的不等時(shí)性所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。馬氏體比容：0.1271+0.0025(%C)厘米7克奧氏體比容：0.1212+0.0035(%C)厘米3/克大型工件截面上組織不同產(chǎn)生的應(yīng)力一一大型工件不易淬透，表面一層為馬氏體(貝氏體)，心部則是珠光體(鐵素體+滲碳體)。(鐵素體卜滲碳體)比容:0.1271+0.0005(%C)淬火殘余應(yīng)力一一熱處理只要伴隨有相變過(guò)程，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力將同時(shí)發(fā)生。鋼的最終殘余應(yīng)力取決于各種應(yīng)力作用之和，殘余應(yīng)力一般都比較簡(jiǎn)單，用圖表示之。(2)鋼的熱處理裂紋的形態(tài)鋼的熱處理裂紋主要有縱向裂紋，它是由于組織應(yīng)力引起的開(kāi)裂多從表面往里裂，裂紋平直，有時(shí)貫穿整個(gè)工件?？v向裂紋產(chǎn)生在淬透性好的的合金鋼中小鍛件(零件)，見(jiàn)照片27、28o橫向裂紋，多產(chǎn)生在大截面的零件中，它是大型工件在淬不透的狀況下由心部較大的拉應(yīng)力引起的內(nèi)部開(kāi)裂。它的縱向低倍特征是裂紋垂直于軸線，一般不延長(zhǎng)到表面（離表面一般30~40毫米）。其橫向斷口特征是裂痕從中心四周開(kāi)頭，向外呈輻射狀，輻射狀裂痕一般不延長(zhǎng)到表面。（見(jiàn)照片29、30）弧形裂紋一一它往往消失在工件未淬透或滲碳淬火的工件上。裂紋多消失在表面肯定深度的拉應(yīng)力峰值區(qū)。它易于消失在工件棱角處，它處于三向拉應(yīng)力作用。弧形裂紋有時(shí)在內(nèi)部，有時(shí)也會(huì)伸到邊緣成為刷邊。表面裂紋一一它是