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(guò)程中，由于溶解度的降低，致使部分氣體來(lái)不及析出而殘留到鑄件內(nèi)部便形成了氣孔。氣體的來(lái)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(guò)飽和氣體將析出；鋼液內(nèi)部或型（芯）壁面與液態(tài)金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的氣體；型壁或芯壁面上存在的氣體侵入；澆鑄過(guò)程中產(chǎn)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(nèi)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(yīng)，大大地降低了材料的強(qiáng)度，如果鑄件表面存在氣孔，在熱加工中被氧化，將導(dǎo)致在后續(xù)的加工工序中產(chǎn)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(nèi)部因凝固時(shí)體積收縮而引起的細(xì)小孔隙或組織不致密現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)滲漏。鋼材內(nèi)部的疏松在壓力加工過(guò)程中有可能被焊合或有很大程度的改善，但嚴(yán)重時(shí)則不易消除，會(huì)降低材料的力學(xué)性能，以致在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。（三）縮孔金屬在冷凝過(guò)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(bǔ)充而形成的孔洞稱為縮孔，見圖1-34

3、?？s孔是金屬結(jié)晶時(shí)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(diǎn)雜質(zhì)富集，常伴有嚴(yán)重的疏松、夾雜物和成分偏析。有時(shí)縮孔也可能深入到鋼錠中部，形成二次縮孔?？s孔的存在將顯著降低材料的力學(xué)性能，甚至在使用過(guò)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(huì)導(dǎo)致其他缺陷，如分層、縮孔殘余等?？s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(xí)慣把非金屬夾雜物稱作內(nèi)生夾雜物，把非金屬夾渣和異金屬夾雜稱作外來(lái)夾雜物。1非金屬夾雜物金屬在冶煉、澆鑄和冷卻等過(guò)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(xué)反應(yīng)而形成的產(chǎn)物，以及金屬在冷凝或溫度下降時(shí)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(guān)外，更主要的取決于脫氧方法，改進(jìn)冶煉工藝只能減少非金屬夾雜物的組成和數(shù)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(shí)的熔煉渣和澆注時(shí)鋼水對(duì)爐襯、盛鋼桶的侵蝕以及對(duì)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(shí)操作不當(dāng)，合金未完全熔化或外來(lái)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(shù)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(yīng)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(guò)程中，由于各組元先后凝固順序不同而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，稱為偏析。最常見的宏觀偏析有錠型偏析和點(diǎn)狀偏析，微觀偏析有晶內(nèi)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(huì)造成材料性能不均勻或產(chǎn)生脆性，但偏析往往是難免的，適當(dāng)?shù)目刂评淠俣瓤梢允蛊龀潭鹊玫礁纳?，還可以通過(guò)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(guò)程中，由于加熱速度過(guò)快產(chǎn)

6、生熱應(yīng)力、加熱時(shí)保溫時(shí)間、產(chǎn)生不均勻變形或存在內(nèi)部缺陷等原因，導(dǎo)致鍛件發(fā)生開裂，稱為鍛造裂紋。見圖1-39。鍛件出現(xiàn)裂紋后，必須將裂紋打磨清除掉才可以進(jìn)行后續(xù)熱處理。（二）折疊材料表面金屬在鍛、軋時(shí)壓入內(nèi)部淺表層，形成的缺陷稱為折疊。折疊是金屬變形過(guò)程中已氧化過(guò)的表層金屬匯合在一起而形成的，是金屬產(chǎn)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(shè)計(jì)、成型工序的安排、潤(rùn)滑情況及鍛造操作等有關(guān)。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(cè)會(huì)出現(xiàn)氧化脫碳現(xiàn)象，它使材料的整體連續(xù)性遭到破壞，超過(guò)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(jī)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(zhǎng)度不等。表面有劃痕的型材進(jìn)行軋制時(shí)易產(chǎn)生細(xì)小的裂紋，受壓的薄板材容易在劃痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中，耐壓容器是不允許有嚴(yán)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?zé)嶙冃畏较虼笾缕叫薪惶媾帕械慕M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(guò)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(dāng)兩個(gè)原因造成的，鋼材出現(xiàn)帶狀組織使力學(xué)性能出現(xiàn)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(guò)程中的缺陷（一）氧化鋼在氧化性介質(zhì)中加熱時(shí)，與氧原子形成氧化鐵的現(xiàn)象。氧化使工件尺寸變小，表面過(guò)厚的氧化皮影響淬火冷卻速度，達(dá)不到應(yīng)有的淬火效果，使硬度降低。（二）脫碳鋼在高溫加熱時(shí)，表層的碳濃度被氧化而導(dǎo)致含碳量降低的現(xiàn)象。加熱溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳現(xiàn)象越嚴(yán)重。減輕和防止脫碳的辦法是在鹽浴爐中加熱或采用保護(hù)氣氛加熱、真空加熱、表面涂層保護(hù)加熱等。脫碳層形貌見圖1-43。脫碳會(huì)造成鋼淬火后硬度不足，疲勞強(qiáng)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(guò)低或者加熱

9、時(shí)間過(guò)短造成的缺陷。欠熱會(huì)在亞共析鋼淬火組織中出現(xiàn)鐵素體，造成硬度不足；在過(guò)共析鋼淬火組織中會(huì)存在過(guò)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(shí)因欠熱不能完全消除網(wǎng)狀組織或帶狀組織；球化退火時(shí)因欠熱組織中會(huì)殘存粗片狀珠光體。欠熱可通過(guò)退火或正火來(lái)矯正。（四）過(guò)熱鋼材過(guò)熱是一種熱加工缺陷，引起的原因是在加熱過(guò)程中，由于加熱溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大、組織粗化出現(xiàn)魏氏組織等。鋼材不嚴(yán)重的過(guò)熱可通過(guò)退火或正火來(lái)矯正。鋼材過(guò)熱降低鋼的強(qiáng)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(xiàn)過(guò)熱后，在淬火過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致發(fā)生開裂

10、。（五）過(guò)燒鋼材過(guò)燒是由于加熱溫度過(guò)高達(dá)到或接近固相線溫度所致，除具有過(guò)熱特征外，還出現(xiàn)奧氏體晶界氧化或局部熔化的現(xiàn)象，致使零件報(bào)廢，過(guò)燒是無(wú)法挽救的缺陷。40鋼過(guò)燒組織見圖1-44。圖1-44 40鋼過(guò)燒組織 200×鋼材過(guò)燒導(dǎo)致晶界結(jié)合強(qiáng)度弱化，脆性增加，使力學(xué)性能嚴(yán)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(shí)的缺陷（一）淬火裂紋在淬火冷卻過(guò)程中，由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致零件發(fā)生開裂，稱為淬火裂紋。其特征是裂紋兩側(cè)沒有氧化脫碳現(xiàn)象，裂紋多由外向內(nèi)擴(kuò)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(lái)主要有：1化學(xué)成分的影響：一般來(lái)說(shuō)，鋼的含碳量越高，越容易產(chǎn)生淬火裂紋；合金元素Cr、Mn及雜質(zhì)元素P促進(jìn)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(diǎn)、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(wǎng)狀碳化物，易引起淬火裂紋。4零件形狀結(jié)構(gòu)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(biāo)記、刻痕、加工刀痕等，易引起淬火裂紋。5淬火介質(zhì)的影響：淬火介質(zhì)冷卻能力越強(qiáng)，越容易產(chǎn)生淬火裂紋。6淬火溫度的影響：淬火溫度越高，越容易產(chǎn)生淬火裂紋。裂紋的存在降低了材料實(shí)際承載能力，裂

12、紋的失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂發(fā)生，造成事故，裂紋是一種具有嚴(yán)重危害性的缺陷。（二）淬火變形淬火時(shí)由于應(yīng)力和相變引起的體積變化導(dǎo)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(nèi)部往往存在著應(yīng)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(guò)量的變形是不允許的。（三）淬火硬度不足淬火后零件沒有達(dá)到應(yīng)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(shí)間短，致使碳和合金元素沒有充分溶入奧氏體內(nèi)，組織中存在未溶鐵素體（亞共析鋼）或較多未溶碳化物（過(guò)共析鋼），淬火后馬氏體數(shù)量不足，造成淬火硬度不足。2表面脫碳，此時(shí)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(guò)

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(zhuǎn)變，即出現(xiàn)非馬氏體組織，此時(shí)淬火工件不能得到正常數(shù)量的馬氏體組織，造成硬度不足。4過(guò)共析鋼加熱溫度過(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，奧氏體中溶有過(guò)量的碳或合金元素，使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(chǎn)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(yán)重的偏析等。2淬火時(shí)淬火介質(zhì)攪動(dòng)不夠。3淬火介質(zhì)中有雜質(zhì)，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(nèi)回火或回火后緩冷，韌性反而降低，出現(xiàn)脆性的現(xiàn)象，稱為回火脆性。通常應(yīng)該避開回火脆性溫度區(qū)間回火，冷卻時(shí)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(chǎn)生原因是在此溫度回火時(shí)，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(shí)，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(guān)。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(chǎn)生回火脆性的工件重新加熱，