《失效分析》课件-7

17金属构件加工缺陷与失效227.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌1、冷隔冷隔是存在于铸件表面或表皮下的不连续组织，是由两股未能相互融合的金属液流汇合所形成的不规则线性缺陷。冷隔多呈裂纹状或具有光滑边缘的水纹外貌。其显微特征是金相组织比基体组织粗大，树枝状结晶明显，周围常被氧化皮所包围，因而与基体组织有明显界线，冷隔缺陷一般出现在铸件顶壁上，薄的水平面和垂直面上，厚薄转接处及薄肋处等部位。327.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌2、气孔金属在熔融状态溶解大量气体，在冷凝过程中，绝大部分气体逸出，残余的少量气体则在金属构件内部形成气孔或称为气泡。在砂型铸造时，砂中的水分与液态金属发生作用，也可能形成气泡。此外，液态金属在浇注和在铸型腔内流动的过程中，空气或铸型内的特殊气氛可能被机械地卷入而引起气泡。427.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌气孔常呈大小不等的圆形、椭圆形及少数不规则形状（如喇叭形），产生于钢锭边缘一带的气泡常垂直于型壁。孔内一般无氧化和夹杂，气孔的断口形貌特征为光滑、干净的内壁。但因空气卷入而引起的气泡，则常因氧化而呈现暗蓝色或褐黑色。气孔常出现在铸件最后凝固的厚大处或厚薄截面的交接处。527.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌3、针孔溶解于合金液中的气体在凝固过程中析出时，因某种原因而残留在铸件中形成的针状孔洞，是小于或等于1毫米的小气孔。针孔在铸件中呈狭长形，方向与表面垂直、有一定深度，孔内表面光滑，一般在表面处孔径较小，向内逐渐增大。通常，针孔无规则地分布在铸件的各个部位，特别是厚大截面处，内转角及冷却速度缓慢的部位。但在有色金属内有时也在晶粒内呈规则的排列。627.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌4、缩孔由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。727.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌5、疏松铸件组织不致密，存在着细小且分散的孔穴称为疏松（或缩松）。疏松产生的基本原因与缩孔相似。在有色金属铸件内，有时会发现沿晶界分布的疏松，也称为晶间疏松，黑色金属中很少见。通常，疏松细小而分散，表面或内壁不光滑，常可见到明显的较粗大的树枝状结晶，严重时可产生裂纹。一般情况下，疏松区域的夹杂也比较集中。827.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌6、夹杂物固态金属基体内的非金属物质。铸件中常见的夹杂物包括耐火材料、熔渣、熔剂、脱氧产物及铸造金属氧化物等的颗粒，一般又可分为硫化物、氧化物、氮化物和硅酸盐等。绝大多数非金属夹杂物没有金属光泽；不同的夹杂物具有不同的色泽与形状，其熔点和性质亦各不相同。非金属夹杂物在反射光下的色泽，随显微镜观察时所用的光源的性质不同而有改变；只有在暗场或偏振光下才能看到夹杂物的固有色彩。927.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌鉴别夹杂物的方法有宏观的和微观的两大类：宏观鉴别法：较为常用的有断口鉴别法、硫印、酸侵和热蚀、超声波鉴定法等；微观鉴别法：常用的有化学分析法、岩相法、金相法、X-Ray衍射和电子显微镜观察等，可以确定夹杂物的种类、形状、性质和分布，其中金相法的使用最为广泛。1027.1铸造加工缺陷与失效MnS与FeS固溶体型夹杂物，球状或共晶状，良好的塑性，抛光时不易剥落，明场中FeS为淡黄色，MnS呈蓝灰色。随MnS含量的增加由带浅蓝的灰色变为深灰色，然后再变得稍微透明而具有黄绿色；暗场下不透明；偏光下各向异性，不透明。易受10%铬酸、碱性苦味酸钠和20%氢氟酸溶液的侵蚀。硫化物1127.1铸造加工缺陷与失效SiO2夹杂物石英（六方晶系）、磷石英（斜方晶系）、方石英（属立方晶系，属四方晶系）。非晶体SiO2，大小不同的典型小球，明场中呈深灰色，常随其中所含的杂质不同而具有不同的色彩，中心有亮点，边缘有亮环；暗场中无色透明，鲜明地发亮；偏光下透明并有暗十字。1227.1铸造加工缺陷与失效Al2O3夹杂物无确定形状。硬脆，不易磨光，易剥落，常在磨光面上留下曳尾。明场中呈深灰带紫色；暗场中透明，呈亮黄色；偏光下各向异性，但颗粒小时各向异性不明显。1327.1铸造加工缺陷与失效TiN夹杂物立方晶系。呈有规则的几何形状，如正方形或长方形等。无可塑性，易剥落。受煮沸的20%氢氟酸溶液侵蚀。明场中呈淡黄色；随基体中含碳量的增加，其色彩依淡黄粉红紫红而变动。暗场中不透明，周界为光亮的线条所围绕；偏光下各向同性，不透明。1427.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌7、偏析合金在冷凝过程中，由于某些因素导致的化学成分不一致称为偏析。（1）区域偏析（2）比重偏析（3）枝晶偏析1527.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌8、热裂纹热裂纹发生在金属完全凝固之前，在固相线附近的液固共存区，由于收缩受阻而形成的裂纹。该裂纹常常延伸到铸件表面，暴露于大气之中，受到严重氧化和脱碳或发生其它大气反应。显微形貌特征为呈连续或断续分布，有时呈网状或半网状，裂纹短而宽，无尖尾，形状曲折，无金属光泽(呈氧化色)。微观上为沿晶断裂，伴有严重的氧化脱碳，有时有明显的偏析、疏松、杂质和孔洞等。1627.1铸造加工缺陷与失效7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌9、冷裂纹冷裂纹发生在金属凝固之后，由于冷却时所形成的热应力、组织应力及搬运、清理、校正时的热振作用而产生。冷裂纹不如热裂纹明显，裂纹细小，呈连续直线状。微观上为穿晶扩展，基本上无氧化脱碳，两侧组织和基体相差不大。冷裂纹大多出现在铸件的最后凝固的部位，特别是在应力集中的内尖角、缩孔、夹杂部位及结构复杂的铸件上。1727.2锻造加工缺陷与失效7.2.1常见锻造加工缺陷及形貌1、折叠锻件一部分表面金属折入锻件内部、使金属形成重叠层缺陷，称为折叠。折叠是金属在锻轧过程中，变形流动金属与已氧化的金属汇合在一起而形成。轧锻时产生的尖角，耳子一般均较薄，冷却速度较基体快，易氧化而形成一层氧化皮，因而不能再与基体金属互相焊合而产生折叠。在锻件的截面突变出、枝杈结构处，由于金属的多向流动易于形成折叠。182常见的有：存在于轧件一侧的贯穿全长的折叠；在轧件两边相对称的侧面上贯穿全长的折叠；或存在于锻、轧件全长上断续状的分散折叠（模锻件或轧件上的分散折叠石具有周期性分布的）；拔长件横断面上的横向折叠；线材、管材上的横向全长折叠或局部折叠等。形成折叠的主要原因有：铸锭或坯料表面存在缺陷（疤痕和不平整、粗大的刮伤、轧辊表面有磨损或剥落；模具表面缺陷）；锻、轧前金属加热不良；锻模、轧槽设计不合理；锻、轧工艺或操作不当；冷拔工艺不当等。7.2锻造加工缺陷与失效192锻、轧件表面上存在的折叠，在很多情况下与裂纹等缺陷难以区别，因此正确地判断与区分这些缺陷的性质，对失效件的分析和以后采取相应得工艺和措施以防止其产生，是极其重要的。折叠从表面开始，其高倍特征是开口较大，两侧较平滑，有程度不同的氧化脱碳现象，尾端圆秃，内存氧化物夹杂，一般与金属表面呈锐角，或与金属流线方向一致。对有色金属型材上的折叠进行微观分析时，在折叠缝内及其两侧，通常见不到氧化物夹杂，两侧无脱碳组织。7.2锻造加工缺陷与失效2022、分层锻件金属局部不连续而分隔为两层或多层称为分层。缺陷产生的主要原因是金属中存在未焊合的裂纹，非金属夹杂物、缩孔、气孔等缺陷，在锻造后使金属局部不连续而分隔为两层或多层。7.2锻造加工缺陷与失效2123、锻入的氧化皮一般情况下，金属表面极易氧化，尤其在锻造加热过程中，极易形成表面氧化皮，如Fe、Si和Mn的氧化物，铝合金则形成Al2O3氧化膜。这些氧化皮(氧化膜)是在合金熔炼，浇注或前道轧锻工序中形成的，并且在锻压之前或之中都不能消除，它的作用如同非金属夹杂物，其显微特征为沿金属流线呈点状或线状(条状)分布。7.2锻造加工缺陷与失效2224、流线不顺锻件流线不沿零件主要轮廓外形分布，严重时会形成涡流，穿流或紊流流线。涡流即锻件流线呈旋涡状或树木年轮状。穿流即在锻件肋条或凸台根部金属流线被穿断，破坏了金属流线的连续性。紊流则呈不规则而紊乱的流线。7.2锻造加工缺陷与失效2325、裂纹锻件内部的裂纹有两种类型：内部纵向裂纹和内部横向裂纹。（1）内部纵向裂纹在锻坯横断面上呈十字型（所以也称为十字裂纹）或条状，有的甚至穿透锻坯中心延伸至表面与空气接触而被氧化。有的裂纹没有暴露在锻坯端部，因此不与大气相通，开裂面未被氧化。由于在锻造过程中开裂面之间存在摩擦，当剖开时可以观察到开裂面有磨光和发亮的情况。7.2锻造加工缺陷与失效242十字形裂纹形成的原因是锻造温度低，锻坯拔长时，沿着切应力最大的对角线上产生的交变应力引起。当锻坯中保留着粗大柱状晶时易导致裂纹形成。高速钢由于内部组织中存在着莱氏体共晶、网状及块状碳化物或疏松等缺陷，在锻造过程中易出现此种裂纹。7.2锻造加工缺陷与失效252（2）内部横向裂纹主要位于锻坯中心部位：裂纹断面呈粗糙状，属沿晶断裂性质。内部横向裂纹产生的主要原因是毛坯在加热或锻造过程中，由于加热不均或工艺参数不当，其表层金属的变形(如伸长)大于心部金属的变形，而导致心部受拉应力，当拉应力超过材料自身的抗拉强度时，心部将出现横向裂纹。7.2锻造加工缺陷与失效262（3）龟裂锻件表面呈龟壳网络状的裂纹称龟裂或网状裂纹。其形成的主要原因是过热、过烧、渗硫、渗铜等。锻件加热温度过高，引起晶粒粗大或过烧，氧沿晶渗入生成氧化物，削弱了晶粒间结合力，降低了塑性变形能力，或热疲劳使锻件局部强度降低，应力增大，以致在锻造加工时沿晶界出现表面龟裂。7.2锻造加工缺陷与失效272钢材或燃料中含硫量过高，引起金属晶界渗硫，在晶界上形成低熔点的硫化亚铁和Fe的共晶体，其共晶温度低于1000℃，在正常的锻造温度下，晶界即被熔化，经锻造后形成龟裂(称热脆)。锻件含铜量过高(0.2%)，并在氧化气氛中加热，在钢的表面氧化皮下，富集一层熔点低于1100℃的富铜合金，在锻造加热温度下即熔化，并浸蚀表面层的晶界，锻造时形成龟裂〔称为铜脆〕。在加热炉中含有残存的铜杂质时，也会因融熔的铜沿晶界渗入而引起龟裂。7.2锻造加工缺陷与失效2826、过热与过烧金属坯加热温度超过始锻温度，或在高温下长时间保温，致使奥氏体晶粒迅速长大，或终锻温度过高而剩余变形量(剩余锻造比)又小，这时高温引起的晶粒长大，不能由剩余变形量对晶粒的破碎作用所抵消，因而形成粗晶粒组织的现象，称为过热。过热钢锻件，断面粗糙灰暗，属沿晶断裂，高速钢锻件，断口晶粒粗大，有金属光泽，属穿晶断裂。7.2锻造加工缺陷与失效292锻件加热温度接近熔点温度，或长时间在氧化性气氛的高温炉中保温，不仅使奥氏体晶粒极为粗大，而且炉中的氧以原子形式渗入晶界处，使Fe，S等元素氧化，形成低熔点的氧化物或共晶体，造成晶界早期熔化，破坏了晶粒间的联系，这种现象称为过烧或烧毁。过烧的钢在锻造时一触即裂，裂口宽大，裂纹沿晶扩展，两侧严重氧化脱碳，沿晶界形成网状氧化物夹杂及脱碳组织。7.2锻造加工缺陷与失效3021、焊接裂纹焊接裂纹是指焊件在焊接或焊后的退火、存放、装配，使用过程中产生的各种裂纹，它是焊接缺陷和焊接应力共同作用的结果。焊接裂纹按其性质可分为热裂纹、冷裂纹和延迟裂纹三种。7.3焊接加工缺陷与失效312（1）热裂纹热裂纹大部分是在结晶过程中产生的裂纹，所以又叫结晶裂纹或高温裂纹。根据所焊材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，因此又把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种。形貌焊接热裂纹必然是沿晶裂纹，呈光滑的锯齿形边缘，连续或不连续地沿着晶界或枝晶边界分布于焊缝下面，有时呈蟹脚状或网状。焊缝内腔及附近晶界或多或少地存在有硫化物、磷化物、碳化物、氧化物、硼化物夹杂，其断口具有明显的氧化色特征。7.3焊接加工缺陷与失效322结晶裂纹主要产生在含杂质较多的碳钢、低合金钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝