第十二章 缺陷分析2009

缺陷分析楊力SeniorEngineerYangLi

缺陷的分類

按加工工藝過程分鑄造缺陷鍛造缺陷熱處理缺陷焊接缺陷1.鑄造缺陷氣泡疏松縮孔夾雜偏析鑄造裂紋金相組織缺陷鑄造缺陷氣泡氣泡類型和特征皮下氣泡和表面氣泡內(nèi)部氣泡氣泡形成機(jī)理析出氣泡侵入氣泡反應(yīng)氣泡卷入氣泡

疏松

一般疏松中心疏松疏松形成機(jī)理鑄件在凝固后期，其最后凝固部分的殘留液體金屬中，由于溫度梯度小，這些殘留液體是按同時(shí)凝固方式進(jìn)行。液體金屬進(jìn)一步凝固時(shí)產(chǎn)生許多細(xì)小的孔洞，形成疏松?？s孔在鑄錠頭部或鑄件澆冒口，因最后凝固部位得不到液體金屬的補(bǔ)充而形成的孔洞稱為縮孔。因澆注操作不當(dāng)或錠模設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，在鋼錠中部或尾部產(chǎn)生的縮孔稱為二次縮孔。鑄錠在鍛軋時(shí)因切頭量過小而殘留在鑄錠中的稱為殘余縮孔。夾雜非金屬夾雜物夾渣：形狀不規(guī)則的非金屬夾雜物，在酸蝕試塊上呈不同形狀和顏色的顆粒，有時(shí)形似成簇的空隙或空洞。夾雜：鋼在冶煉過程中參與物化反應(yīng)的金屬元素與非金屬元素相互作用生成的產(chǎn)物。異金屬夾雜物：由于冶煉操作不當(dāng)，合金料未熔化或澆鑄系統(tǒng)中掉入異金屬所致。金屬夾雜物屬于不允許存在的缺陷。偏析偏析通?？煞譃殄V型偏析、斑點(diǎn)狀偏析、中心偏析、帽口偏析等

鑄造裂紋

鑄造裂紋通?？煞譃闊崃鸭y和冷裂紋兩種。熱裂紋合金在凝固范圍內(nèi)結(jié)晶收縮過程中形成的裂紋稱熱裂紋。熱裂紋沿晶界和枝晶擴(kuò)展，呈連續(xù)或斷續(xù)延伸，裂紋末端無尖尾，裂紋內(nèi)有氧化皮，裂紋周圍有共晶體。冷裂紋裂紋形態(tài)連續(xù)、剛直尖細(xì)、穿晶，有疏松時(shí)沿疏松擴(kuò)展。凝固時(shí)鑄造應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂紋。一般是由于澆冒口位置不合理，形成疏松較多，加上模具設(shè)計(jì)不合理，鑄件收縮受阻造成應(yīng)力集中，在疏松尖角處形成裂紋。金相組織缺陷白口灰口鑄鐵中出現(xiàn)白口組織，主要是由于冷卻速度與鐵水中的碳當(dāng)量或碳與硅比值不確當(dāng)。反白口鑄件斷口的四周邊緣是正常的灰口組織，中心部位卻是完全無過渡區(qū)的白口組織，或者主要是麻口區(qū)，或者只是小塊的白口區(qū)，稱為反白口。形成原因主要是硫與錳比值太高；氫含量過高；鈦和硫的含量過高。石墨粗大形態(tài)為較大的不規(guī)則的疏松點(diǎn)，出現(xiàn)在厚壁灰鑄鐵件的上表面，在疏松點(diǎn)內(nèi)充滿粉狀石墨。有這種缺陷的鑄件一般硬度較低，在壓力下容易滲露。形成這種缺陷的原因是含碳量過高，厚壁件冷卻速度慢，形成十分粗大的A型石墨片。石墨漂浮在壁厚超過25mm的球鐵鑄件斷口上，于鑄件表面處有一層深黑色區(qū)。該區(qū)域在金相組織或斷口微觀形貌上可觀察到有呈開花狀的石墨聚集，以及含有較多的鎂的氧化物和硫化物。形成原因有鑄件壁厚、碳當(dāng)量過高；加鎂處理和孕育處理溫度過低，處理和澆注之間耽擱時(shí)間太長，鑄件冷卻太慢。落料不當(dāng)造成的鍛件缺陷

鍛件端面與軸線傾斜由于在鍛坯落料時(shí)棒料剪切未壓緊所造成。撕裂切料時(shí)如刀片間隙太大，產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)致端部金屬被拉掉。毛刺切料時(shí)部分金屬被帶入剪刀間隙之間，產(chǎn)生尖銳和毛刺，有毛刺的坯料，加熱時(shí)局部易過燒，鍛造時(shí)易產(chǎn)生折疊和開裂。端部裂紋主要產(chǎn)生于剪切大斷面坯料時(shí)發(fā)生，通常是在剪切后3~4小時(shí)才發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)榧羟袝r(shí)圓形端面壓扁成橢圓形，材料中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力引起應(yīng)力裂紋。另外，氣割落料前原材料如沒有預(yù)熱，也可能在坯料的端部產(chǎn)生裂紋。凸芯開裂位于坯料端面的中心部位，車條下料時(shí)，棒料端面中心留有凸芯，鍛造時(shí)凸芯冷卻快，在凸芯的周圍的端面突變交換處由于應(yīng)力集中而容易造成開裂。2.鍛造缺陷SeniorEngineerYangLi

原材料缺陷造成鍛件缺陷層狀斷口碳化物偏析縮管殘余鍛造工藝不當(dāng)造成的缺陷過熱過燒鍛造裂紋脫碳和增碳鍛造折疊組織缺陷過熱金屬材料加熱時(shí)過熱引起晶粒粗大，使材料的強(qiáng)度下降，主要是由于在規(guī)定的鍛造加熱溫度內(nèi)停留時(shí)間太長或超過規(guī)定的加熱溫度。晶粒粗大鐵素體沿晶界析出魏氏組織斷口為粗糙的石狀斷口過燒金屬材料產(chǎn)生過燒時(shí)，晶粒特別粗大，鐓粗時(shí)輕輕一擊就裂。其斷口呈石狀斷口。對(duì)于碳鋼，金相組織出現(xiàn)晶界氧化和熔化；工模具鋼晶界因?yàn)槿刍霈F(xiàn)魚骨狀萊氏體組織；鋁合金出現(xiàn)晶界熔化三角區(qū)或復(fù)熔球。表面呈龜裂狀鍛造裂紋加熱裂紋：對(duì)于尺寸大的坯料，如加熱速度過快，形成坯料內(nèi)外溫度相差很大，產(chǎn)生熱應(yīng)力造成鍛件開裂，其特征沿坯料的橫截面開裂，裂紋由中心向四周輻射狀擴(kuò)展，多產(chǎn)生于高合金鋼中。心部開裂心部開裂常在坯料的頭部，開裂深度與加熱和鍛造有關(guān)，有時(shí)貫穿整個(gè)坯料。這是由于加熱時(shí)保溫時(shí)間不足，坯料未熱透，坯料外部溫度高，塑性好，變形大；而內(nèi)部溫度低、塑性差、變形小，產(chǎn)生不均勻變形而引起坯料心部開裂。3．材質(zhì)缺陷開裂鍛造時(shí)在縮孔、夾渣、碳化物偏析等材料缺陷處形成鍛造裂紋。內(nèi)外溫差大，產(chǎn)生熱應(yīng)力造成鍛件開裂。脫碳和增碳脫碳金屬材料在高溫下表層的碳被氧化，發(fā)生脫碳，使表層組織含碳量下降，硬度和強(qiáng)度下降。脫碳層的深度與鋼的成分、爐內(nèi)氣氛、溫度等有關(guān)，通常情況下高碳鋼易脫碳，氧化性氣氛易脫碳。增碳用油爐加熱的鍛件，有時(shí)表面或部分表面發(fā)生增碳，增碳厚度可達(dá)1.0~1.5mm，增碳量甚至可達(dá)ω=2%，可出現(xiàn)萊氏體組織。鍛造時(shí)引起鍛件表面開裂。鍛造折疊與表面成一定角度尾端一般呈小圓角裂紋兩側(cè)嚴(yán)重脫碳

組織缺陷帶狀組織多出現(xiàn)在兩相組織的亞共析鋼、奧氏體鋼和半馬氏體鋼中，金相組織呈帶狀分布，帶狀嚴(yán)重時(shí)影響材料的力學(xué)性能。帶狀組織按GB/T13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法評(píng)定》。粗晶在鍛件的低倍組織上晶粒粗大。產(chǎn)生原因主要是由于始鍛溫度過高和變形程度不足；終鍛溫度過高；變形度落入臨界變形區(qū)。晶粒不均勻鍛件晶粒大小不均勻，對(duì)于高溫合金和耐熱鋼特別敏感。產(chǎn)生原因主要是局部區(qū)域變形度落入臨界變形區(qū)。冷硬鍛件內(nèi)部仍保留一部分冷變形組織，使鍛件塑性下降。主要是由于變形時(shí)溫度偏低或變形速度太快，以及鍛造后冷卻過快，導(dǎo)致再結(jié)晶引起的軟化小于變形引起的硬化，從而出現(xiàn)熱加工后的冷硬現(xiàn)象。3.熱處理缺陷SeniorEngineerYangLi

淬火裂紋淬火裂紋的產(chǎn)生熱處理淬火產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料破斷強(qiáng)度所致加熱溫度過高冷卻速度過急加熱和冷卻不均勻

淬火裂紋的分布

零件的棱角槽口截面突變處空洞邊緣機(jī)加工刀痕裂紋的類型縱向裂紋：完全淬透橫向裂紋：相變應(yīng)力表面裂紋：加熱剝離裂紋回火脆性第一類回火脆性超高強(qiáng)度鋼淬火后在200~350C溫度范圍內(nèi)回火出現(xiàn)脆性。其特征表現(xiàn)為沖擊韌性降低，斷裂方式以沿晶脆斷為主。其引起脆性的機(jī)理目前認(rèn)為是碳化物沿晶界析出和雜質(zhì)元素(P、S等)晶界偏聚的綜合作用?；鼗鸫嘈缘诙惢鼗鸫嗪辖痄撚绕涫倾t鎳鋼在450~600范圍內(nèi)回火時(shí)效或回火后慢冷，產(chǎn)生晶界脆化和沿晶斷裂。這類回火脆機(jī)理目前比較明確，主要是由于在該溫度范圍內(nèi)鋼中的一些微量雜質(zhì)元素向晶界遷移及偏聚。引起晶界脆化最強(qiáng)烈的元素為Sb、Sn、P、S等。合金元素中Ni、Mn、Cr等在回火過程中促進(jìn)雜質(zhì)元素的偏聚，而Mo、Ti等元素阻滯雜質(zhì)元素的偏聚，故在鉻鎳鋼中加入少量的鉬可防止第二類回火脆性?；鼗鸫嘈曰鼗鹆鸭y淬火鋼回火時(shí)因快速加熱或快速冷卻發(fā)生裂紋稱為回火裂紋?；鼗鹆鸭y有兩種，一種是回火時(shí)快速加熱發(fā)生的裂紋，另一種是從回火溫度快速冷卻時(shí)發(fā)生裂紋，快速加熱產(chǎn)生的回火裂紋形狀似磨削裂紋，快速冷卻產(chǎn)生的回火裂紋形狀與淬火裂紋相同。淬火變形引起尺寸變化的因素引起形狀變化的原因其他缺陷冷處理裂紋：淬火零件在淬火后若立即進(jìn)行冷處理，由于淬火產(chǎn)生的應(yīng)力和殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的相變應(yīng)力疊加，會(huì)發(fā)生與淬火裂紋相同的裂紋自生裂紋：淬過火的零件，其組織是馬氏體和殘留奧氏體，常溫下殘留奧氏體不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生體積膨脹磨削燒傷：熱處理零件需經(jīng)磨削加工，在磨削時(shí)，切削區(qū)內(nèi)瞬時(shí)高溫可達(dá)400~1500，發(fā)生磨削燒傷和磨削裂紋，形成零件表面的顯微組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力、力學(xué)性能等發(fā)生變化。磨削裂紋：磨削裂紋與淬火裂紋