鍛件缺陷成因分析

1、鍛件缺陷成因分析鍛件缺陷成因分析鍛件受力狀況及其破壞類型 缺陷的檢驗(yàn)手段 一、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件1. 自由能的變化自然界一切事物的變化過(guò)程分為自發(fā)過(guò)程和非自發(fā)過(guò)程，自發(fā)過(guò)程就是不需要外界的任何幫助就可以自動(dòng)進(jìn)行的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中還可能伴隨著對(duì)外界做功或其它影響。任何自發(fā)過(guò)程都有一定的方向和限度。如熱只能自發(fā)從高溫向低溫傳遞，氣體只能從高壓向低壓處擴(kuò)散，而非自發(fā)過(guò)程則只有在外界幫助下才能實(shí)現(xiàn)，如將重物從低處移到高處需外界對(duì)其做功才能實(shí)現(xiàn)。圖1：固、液兩相自由能與溫度的關(guān)系T0為熔點(diǎn) TT0時(shí) F液F固 固體熔化 TT0時(shí) F液F固 液體結(jié)晶轉(zhuǎn)為固體 2. 晶核的形成 晶核的形成可以分為自發(fā)形

2、核和非自發(fā)形核 。 2.1 自發(fā)形核 F=-V（f液-f固）+s 為表面張力，s為體積V的固相與液相交界面面積，假定新相為球形（體積一定時(shí)表面積最小為球形）。 F= （4/3）r3fv+4r2 其中r：新相粒子半徑 圖2：晶坯自由能隨半徑變化的示意圖 在液相中形成半徑為rk新固相晶粒時(shí)系統(tǒng)的自由能F0，宏觀看是非自發(fā)的，但微觀理論中液體內(nèi)部有能量起伏，在局部有高于平均自由能的區(qū)域。 只有在rr0時(shí)不需外援，但可能性極小。 液相中存在著自由能高于平均自由能的局部區(qū)域叫能量起伏，液相中局部存在與固相結(jié)構(gòu)相似的區(qū)域稱之為結(jié)構(gòu)起伏或短程有序，兩者在空間某點(diǎn)的結(jié)合，就是晶粒晶核產(chǎn)生的條件，至于隨后的晶粒

3、長(zhǎng)大已經(jīng)是自發(fā)現(xiàn)象了，不再敘述。2.2 非自發(fā)形核絕對(duì)純的金屬是不存在的，液體中有外來(lái)雜質(zhì)的固相粒子時(shí)新相就可以在這些雜質(zhì)上形成。新相表面能1S1+2S2在1S1+2S2（S1+S2）1 即：21外來(lái)質(zhì)點(diǎn)能作為新相形成的核心的條件是結(jié)構(gòu)相似，點(diǎn)陣常數(shù)相近。Al2O3，氧化釩可以作為鐵基合金的非自發(fā)核心 3. 晶核的長(zhǎng)大原子先堆積成足夠大的原子集團(tuán)（平面、1個(gè)原子厚）稱2度晶核向晶粒轉(zhuǎn)移，晶粒的長(zhǎng)大也伴隨著自由能的變化，也需要液體內(nèi)的能量起伏等，不再論述。晶粒長(zhǎng)大的外形一般以樹枝晶形式存在，其主要原因是結(jié)晶潛熱放出，使周圍液體溫度升高，減少了過(guò)冷度，而處于棱角處對(duì)流作用大、散熱快，因此比平面處容

4、易長(zhǎng)大，同時(shí)在結(jié)晶過(guò)程中，低熔點(diǎn)的雜質(zhì)被排擠出來(lái)，聚集在晶粒周圍的液體中，阻礙了晶粒的長(zhǎng)大，在棱與角處因?qū)α麟s質(zhì)易被沖走所以阻礙作用變小，容易長(zhǎng)大，再就是晶格缺陷處原子容易添加上去，在棱、角處晶格缺陷較多，所以這些地方長(zhǎng)得快些。由于以上原因，晶體在成長(zhǎng)過(guò)程中向某個(gè)方面突入液體中而呈現(xiàn)出一次軸，進(jìn)而在一次軸上形成分枝，即二次軸，再在二次軸上形成三次軸，依次發(fā)展，直至相鄰的枝晶相遇為止（見圖3）圖3：樹枝晶生長(zhǎng)示意圖由于雜質(zhì)最后都被排擠在各樹枝間，最終晶體中，枝與枝間的成分不同，枝間容易被腐蝕。所以低倍可觀察到。二、鋼錠的不同區(qū)域的組織及其形成原因鋼錠結(jié)晶重要區(qū)域及缺陷的分布見圖4。 1：表面細(xì)晶

5、區(qū)域；2：柱狀晶區(qū)域； 3：中心等軸晶區(qū)域。鋼錠缺陷的分布 1：縮孔；2：氣泡；3：疏松；4：表面細(xì)晶區(qū)域； 5：柱狀晶區(qū)域；6：中心等軸晶區(qū)域；7：沉積錐 三、鑄錠組織的主要低倍缺陷1 缺陷形成的主要原因a. 結(jié)晶過(guò)程中的選分結(jié)晶 圖5：鐵碳相圖 包晶反應(yīng)，共析和共晶反應(yīng)等 b. 冶煉過(guò)程中有害元素和夾雜的混入 c. 其它原因 諸如鍛造不充分，切頭切尾不夠，熱處理不當(dāng)?shù)纫矔?huì)造成材料的缺陷 。2、宏觀缺陷的主要類型 a. 縮孔 b. 偏析帶 正偏析和負(fù)偏析；V型偏析和倒V型偏析； c. 澆注時(shí)飛濺造成的濺疤、皮下氣泡、重皮和裂紋等工藝缺陷 d. 疏松 e. 非金屬夾雜，外來(lái)金屬夾雜等 f. 裂

6、紋四、鋼錠解剖實(shí)例 我國(guó)曾對(duì)一些大鋼錠進(jìn)行過(guò)解剖分析（國(guó)外例很多，不用），現(xiàn)將七十年代上重解剖的55t 鋼錠實(shí)例介紹如下：材質(zhì)34CrMo1A，氧化還原法堿性電爐冶煉，終脫氧Si-Ca0.5kg/t鋼，Al1.1kg/t鋼，出鋼溫度15201530，澆注溫度14701480，化學(xué)成分如下，C=0.33%，Mn=0.52%，Si=0.27%，P=0.015%，S=0.008%，Cr=0.96%，Mo=0.45%，錠身高2735mm，帽口850mm，上口直1680mm，H/D=1.77，錐度10.95%?；瘜W(xué)元素的偏析C底部負(fù)偏析區(qū)最低C=0.22%，集中縮孔下正偏析區(qū)C=0.45%，其它在型偏析

7、區(qū)C=0.370.39%，負(fù)偏析區(qū)0.220.29%。Cr的偏析與C相近但差別較小。H 鋼錠錠身上、中、下進(jìn)行了氣體分析 上：5ppm芯部 中：4ppm 表層均在1ppm左右 下：3ppmO 在型偏析帶中含量較高，平均達(dá)87ppm 芯部含氧較低在58ppm夾雜分布氧化物主要分布在鋼錠上部與下部硫化物主要分布在鋼錠冒口下端以及型偏析帶硅酸鹽主要分布在鋼錠的沉積區(qū)內(nèi) 五、鋼錠缺陷的預(yù)防和減輕 鋼錠缺陷是客觀存在的，但可以在冶煉和澆注過(guò)程中采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧p輕其危害程度。 盡量減少鋼水中原始夾雜和氣體含量，純凈鋼液。 盡量減少澆注系統(tǒng)混入的外來(lái)夾雜。 采用真空、電渣等手段。 對(duì)鍛造要求足夠的切頭切

8、尾，去除縮孔、正偏析帶和底部沉積錐，利用率偏高和肥頭大耳將使上下兩部分中部分缺陷留在鍛件內(nèi)是報(bào)廢現(xiàn)象中經(jīng)常發(fā)生的。 六、空心鋼錠的特殊要求 用空心鋼錠制造的空心鍛件具有如下特征： 1、最終凝固位置在近內(nèi)壁1/31/4壁厚的范圍內(nèi)。 2、倒V形偏析容易在內(nèi)側(cè)面發(fā)生，并在此位置上有負(fù)偏析。 3、最終凝固區(qū)域的疏松較輕微，140t空心錠中最大只有2mm。 4、偏析率比實(shí)心鋼錠小得多 。 由于空心鋼錠容易在內(nèi)壁附近產(chǎn)生偏析，在內(nèi)部機(jī)械加工量偏大的情況下容易造成缺陷在內(nèi)表面露頭。壓力容器內(nèi)表面受力最大，在反應(yīng)堆壓力容器的內(nèi)表面還要進(jìn)行堆焊，因此使用空心鋼錠在RCCM標(biāo)準(zhǔn)中需要進(jìn)行最終凝固線的評(píng)定。 M2

9、111 零件采購(gòu)技術(shù)規(guī)范承受強(qiáng)輻照的反應(yīng)堆壓力容器筒節(jié)用的空心鋼錠制成的Mn-Ni-Mo合金鋼鍛件規(guī)定： 相對(duì)于筒節(jié)成品表面鋼錠最后凝固點(diǎn)的位置應(yīng)在由鋼錠頭部所制的鍛件上尋找。 至少在相互夾角為60的六個(gè)半徑方向上通過(guò)測(cè)定筒節(jié)壁厚內(nèi)最高含碳量來(lái)確定該位置。 如果在每個(gè)半徑方向上，最高含碳量的位置距筒節(jié)外表面的距離至多是筒節(jié)名義壁厚的75%，則不要求附加檢驗(yàn)。第2章 鍛件受力狀況及其破壞類型 1. 傳遞扭矩的運(yùn)動(dòng)件：主要受力為扭轉(zhuǎn)和外力（包括支撐）引起的彎矩，材料外部和內(nèi)部受力是不均勻的。一般情況下是外部受力較大，破壞的裂紋源產(chǎn)生于外表受力集中處。這類零件主要有軸類。破壞的主要類型是疲勞破壞。疲

10、勞斷口的特征：裂紋源區(qū)，擴(kuò)展區(qū)（含擴(kuò)展前沿線和放射形線）和快速脆性斷口。 2. 結(jié)構(gòu)支撐用桿類零件：主要受力為結(jié)構(gòu)決定的拉力或壓力，有時(shí)也有自重和支撐引起的彎矩。桿內(nèi)材料受力情況比較均勻。這類零件主要有拉桿和支撐件。細(xì)長(zhǎng)壓桿將涉及壓桿穩(wěn)定的問(wèn)題。 3. 壓力容器：主要是內(nèi)部受壓的封閉的容器，因內(nèi)部壓力產(chǎn)生的材料應(yīng)力是不均勻的，一般除了兩端過(guò)度部分存在應(yīng)力集中外，以內(nèi)壁受力為最大。缺陷一般是在內(nèi)表面產(chǎn)生并發(fā)展最終導(dǎo)致破壞。壓力容器的主要破壞形式有泄露和爆炸。一般小直徑管道以泄露為主，大直徑管道容易產(chǎn)生裂紋快速擴(kuò)展而導(dǎo)致爆炸的事故。分析手段以斷裂力學(xué)為主 第3章 缺陷的檢驗(yàn)手段 材料質(zhì)量檢驗(yàn)分破壞

11、性試驗(yàn)和無(wú)損檢驗(yàn)兩大類。破壞性實(shí)驗(yàn)是為了得到材料各方面的物理化學(xué)特性，核電各種材料或零件、設(shè)備的采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書中已有明確的規(guī)定。無(wú)損檢驗(yàn)有表面檢驗(yàn)和內(nèi)部體積檢驗(yàn)。表面缺陷的發(fā)現(xiàn)和評(píng)定一般有目視檢驗(yàn)、液體滲透檢驗(yàn)、磁粉檢驗(yàn)和渦流檢驗(yàn)。材料內(nèi)部缺陷的發(fā)現(xiàn)和評(píng)定主要有超聲波檢驗(yàn)，渦流檢驗(yàn)和射線照相檢驗(yàn)等?，F(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下：1. 表面目視檢驗(yàn) 表面目視檢驗(yàn)是很重要但也很容易被忽視。表面目視檢驗(yàn)除專門的人員進(jìn)行成品檢驗(yàn)外，還包括在整個(gè)加工過(guò)程中注意切削過(guò)程中金屬斷屑是否正常，若金屬切屑總在一個(gè)地方斷，就應(yīng)注意是否有表面缺陷的存在。成品檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意零件的照明和檢查時(shí)視線的角度等。仔細(xì)的目視檢驗(yàn)應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)尺

12、寸為0.5mm以上的表面缺陷。目視檢驗(yàn)中對(duì)于開口很小的裂紋容易漏檢，而這類缺陷又是絕對(duì)不允許存在的，因此，重要零件的表面檢驗(yàn)還應(yīng)進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)或磁粉檢驗(yàn)。 2. 液體滲透檢驗(yàn) 液體滲透檢驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)幾乎所有表面開口缺陷，但對(duì)于在表面沒(méi)有露頭的近表面缺陷沒(méi)有反應(yīng)。液體滲透檢驗(yàn)比較直觀，不易產(chǎn)生分歧。 3. 磁粉檢驗(yàn) 磁粉檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)鐵磁性材料表面或近表面的缺陷，因此廣泛用于鋼鐵材料的表面檢驗(yàn)。但是磁粉檢驗(yàn)不能用來(lái)進(jìn)行非鐵磁性材料的表面檢驗(yàn)，因此奧氏體不銹鋼和鎳基合金等不能使用磁粉檢驗(yàn)。另外，磁粉檢驗(yàn)中的顯示磁痕即磁粉的堆積，有相關(guān)與非相關(guān)之分。因此經(jīng)常會(huì)成為爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。非相關(guān)磁痕是由于零件的表面

13、形狀、磁化方式等其它非缺陷原因造成的磁痕，或由材料偏析或組織異常引起的磁粉堆積，非常復(fù)雜，處理原則是在未確定磁痕為非相關(guān)磁痕之前把它當(dāng)作缺陷磁痕處理。必要時(shí)使用液體滲透檢驗(yàn)確定是否開口或使用顯微鏡檢驗(yàn)組織是否異常。具體分析應(yīng)請(qǐng)制造方有關(guān)材料方面的專家參與共同研究。 4. 超聲波檢驗(yàn) 超聲波檢驗(yàn)是檢驗(yàn)材料是否有內(nèi)部缺陷的主要手段之一。因?yàn)樵跈z驗(yàn)中經(jīng)常需要調(diào)整靈敏度，而且是使用底波反射進(jìn)行比較或調(diào)整，因此零件完全加工成形后會(huì)影響正常的超聲波檢驗(yàn)。比如螺紋、油孔、鍵槽、臺(tái)階等加工后會(huì)影響檢驗(yàn)的進(jìn)行，還會(huì)影響結(jié)果的判斷，因此超聲波檢驗(yàn)應(yīng)在制造的適當(dāng)階段進(jìn)行。所謂適當(dāng)階段一般是指材料最終熱處理后（因?yàn)闊?/p>

14、處理有形成內(nèi)部缺陷的可能）。最終熱處理之前的超聲波檢驗(yàn)只能算作預(yù)先探傷，內(nèi)部控制，不能作為最終檢驗(yàn)結(jié)果。 （1） 超聲波檢驗(yàn)中的盲區(qū) 通常使用的直探頭縱波檢驗(yàn)是使用機(jī)油耦合的表面接觸法檢驗(yàn)，晶片發(fā)射的超聲波在進(jìn)入零件時(shí)，在表面有一個(gè)與晶片大小成比例的盲區(qū)（見下圖）。在近表面的一段范圍內(nèi)，由于雜波較高，即使沒(méi)有缺陷也有較高的反射波，有缺陷時(shí)也難以判斷。不過(guò)，一般情況下從前面說(shuō)明的鋼錠結(jié)構(gòu)來(lái)看，零件表面以及近表面處于鋼錠的柱狀晶帶，其內(nèi)部質(zhì)量是比較好的，缺陷比較少。而且還可以在零件的對(duì)面進(jìn)行遠(yuǎn)區(qū)探測(cè)。特殊情況下可以采取一些措施減小盲區(qū)（如使用小晶片探頭）或水浸探傷等。 厚壁管道的橫波檢驗(yàn)中要注意避

15、免產(chǎn)生近內(nèi)表面的探傷盲區(qū)。比如使用K1探頭，在與切線呈45的包絡(luò)線內(nèi)部是探傷盲區(qū)，其中有缺陷會(huì)遺漏。因此需要計(jì)算，或使用相同尺寸的對(duì)比試塊。發(fā)現(xiàn)有盲區(qū)時(shí)應(yīng)調(diào)整入射角度或采用其它措施。 圖6 探傷盲區(qū)示意圖 （2） 使用6dB方法測(cè)量缺陷的大小 使用6dB方法測(cè)量缺陷的大小是基于將缺陷當(dāng)成是平底孔來(lái)進(jìn)行的。一般是假設(shè)缺陷較大，晶片發(fā)射的所有射線被缺陷反射回來(lái)，這時(shí)反射波最高。然后移動(dòng)晶片，當(dāng)一部分發(fā)射波脫離缺陷時(shí)反射波降低，當(dāng)晶片中心移動(dòng)到缺陷邊緣時(shí)，晶片發(fā)射波的一半反射回來(lái)，反射波幅度為原來(lái)的一半，正好是6dB。由此確定缺陷的邊緣和尺寸。使用該方法確定的缺陷尺寸小于或等于晶片尺寸時(shí)，測(cè)量的結(jié)果

16、是錯(cuò)誤的，必須使用其它方法確定缺陷的大小?；蛘f(shuō)明缺陷較小，只使用平底孔當(dāng)量而不計(jì)其尺寸。 另外對(duì)于平底孔，6dB方法可以用來(lái)比較缺陷的大小，增加6dB缺陷的當(dāng)量面積就擴(kuò)大到原來(lái)的2倍，當(dāng)量直徑就增加到原來(lái)的根號(hào)2倍。這種評(píng)價(jià)方法絕對(duì)不能用于其它場(chǎng)合。在以長(zhǎng)橫孔為基準(zhǔn)時(shí)，以上所有內(nèi)容均不正確，6dB可以使缺陷的當(dāng)量直徑擴(kuò)大達(dá)16倍。這些在缺陷的計(jì)算和評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)特別注意。焊縫的超聲波檢驗(yàn)所用對(duì)比試塊就是長(zhǎng)橫孔，判斷計(jì)算一定要經(jīng)過(guò)公式計(jì)算，不能按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。 超聲波檢驗(yàn)很靈敏，特別是對(duì)于裂紋，可以用多種方法進(jìn)行確認(rèn)。試驗(yàn)方法和設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)于缺陷的定性有一定的難度。細(xì)小夾雜物、晶粒粗大、疏松等缺陷的草狀波有時(shí)難以分辨。再加之