第十二章 缺陷分析2009

SeniorEngineerYangLi缺陷分析杨力缺陷的分类按加工工艺过程分铸造缺陷锻造缺陷热处理缺陷焊接缺陷1.铸造缺陷气泡疏松缩孔夹杂偏析铸造裂纹金相组织缺陷铸造缺陷气泡气泡类型和特征皮下气泡和表面气泡内部气泡气泡形成机理析出气泡侵入气泡反应气泡卷入气泡疏松一般疏松中心疏松疏松形成机理铸件在凝固后期，其最后凝固部分的残留液体金属中，由于温度梯度小，这些残留液体是按同时凝固方式进行。液体金属进一步凝固时产生许多细小的孔洞，形成疏松。缩孔在铸锭头部或铸件浇冒口，因最后凝固部位得不到液体金属的补充而形成的孔洞称为缩孔。因浇注操作不当或锭模设计错误，在钢锭中部或尾部产生的缩孔称为二次缩孔。铸锭在锻轧时因切头量过小而残留在铸锭中的称为残余缩孔。夹杂非金属夹杂物夹渣：形状不规则的非金属夹杂物，在酸蚀试块上呈不同形状和颜色的颗粒，有时形似成簇的空隙或空洞。夹杂：钢在冶炼过程中参与物化反应的金属元素与非金属元素相互作用生成的产物。异金属夹杂物：由于冶炼操作不当，合金料未熔化或浇铸系统中掉入异金属所致。金属夹杂物属于不允许存在的缺陷。偏析偏析通常可分为锭型偏析、斑点状偏析、中心偏析、帽口偏析等铸造裂纹铸造裂纹通常可分为热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹合金在凝固范围内结晶收缩过程中形成的裂纹称热裂纹。热裂纹沿晶界和枝晶扩展，呈连续或断续延伸，裂纹末端无尖尾，裂纹内有氧化皮，裂纹周围有共晶体。冷裂纹裂纹形态连续、刚直尖细、穿晶，有疏松时沿疏松扩展。凝固时铸造应力超过材料强度时产生裂纹。一般是由于浇冒口位置不合理，形成疏松较多，加上模具设计不合理，铸件收缩受阻造成应力集中，在疏松尖角处形成裂纹。金相组织缺陷白口灰口铸铁中出现白口组织，主要是由于冷却速度与铁水中的碳当量或碳与硅比值不确当。反白口铸件断口的四周边缘是正常的灰口组织，中心部位却是完全无过渡区的白口组织，或者主要是麻口区，或者只是小块的白口区，称为反白口。形成原因主要是硫与锰比值太高；氢含量过高；钛和硫的含量过高。石墨粗大形态为较大的不规则的疏松点，出现在厚壁灰铸铁件的上表面，在疏松点内充满粉状石墨。有这种缺陷的铸件一般硬度较低，在压力下容易渗露。形成这种缺陷的原因是含碳量过高，厚壁件冷却速度慢，形成十分粗大的A型石墨片。石墨漂浮在壁厚超过25mm的球铁铸件断口上，于铸件表面处有一层深黑色区。该区域在金相组织或断口微观形貌上可观察到有呈开花状的石墨聚集，以及含有较多的镁的氧化物和硫化物。形成原因有铸件壁厚、碳当量过高；加镁处理和孕育处理温度过低，处理和浇注之间耽搁时间太长，铸件冷却太慢。落料不当造成的锻件缺陷锻件端面与轴线倾斜由于在锻坯落料时棒料剪切未压紧所造成。撕裂切料时如刀片间隙太大，产生撕裂现象，导致端部金属被拉掉。毛刺切料时部分金属被带入剪刀间隙之间，产生尖锐和毛刺，有毛刺的坯料，加热时局部易过烧，锻造时易产生折叠和开裂。端部裂纹主要产生于剪切大断面坯料时发生，通常是在剪切后3~4小时才发现，这是因为剪切时圆形端面压扁成椭圆形，材料中产生很大的内应力引起应力裂纹。另外，气割落料前原材料如没有预热，也可能在坯料的端部产生裂纹。凸芯开裂位于坯料端面的中心部位，车条下料时，棒料端面中心留有凸芯，锻造时凸芯冷却快，在凸芯的周围的端面突变交换处由于应力集中而容易造成开裂。SeniorEngineerYangLi2.锻造缺陷原材料缺陷造成锻件缺陷层状断口碳化物偏析缩管残余锻造工艺不当造成的缺陷过热过烧锻造裂纹脱碳和增碳锻造折叠组织缺陷过热金属材料加热时过热引起晶粒粗大，使材料的强度下降，主要是由于在规定的锻造加热温度内停留时间太长或超过规定的加热温度。晶粒粗大铁素体沿晶界析出魏氏组织断口为粗糙的石状断口过烧金属材料产生过烧时，晶粒特别粗大，镦粗时轻轻一击就裂。其断口呈石状断口。对于碳钢，金相组织出现晶界氧化和熔化；工模具钢晶界因为熔化而出现鱼骨状莱氏体组织；铝合金出现晶界熔化三角区或复熔球。表面呈龟裂状锻造裂纹加热裂纹：对于尺寸大的坯料，如加热速度过快，形成坯料内外温度相差很大，产生热应力造成锻件开裂，其特征沿坯料的横截面开裂，裂纹由中心向四周辐射状扩展，多产生于高合金钢中。心部开裂心部开裂常在坯料的头部，开裂深度与加热和锻造有关，有时贯穿整个坯料。这是由于加热时保温时间不足，坯料未热透，坯料外部温度高，塑性好，变形大；而内部温度低、塑性差、变形小，产生不均匀变形而引起坯料心部开裂。3．材质缺陷开裂锻造时在缩孔、夹渣、碳化物偏析等材料缺陷处形成锻造裂纹。内外温差大，产生热应力造成锻件开裂。脱碳和增碳脱碳金属材料在高温下表层的碳被氧化，发生脱碳，使表层组织含碳量下降，硬度和强度下降。脱碳层的深度与钢的成分、炉内气氛、温度等有关，通常情况下高碳钢易脱碳，氧化性气氛易脱碳。增碳用油炉加热的锻件，有时表面或部分表面发生增碳，增碳厚度可达1.0~1.5mm，增碳量甚至可达ω=2%，可出现莱氏体组织。锻造时引起锻件表面开裂。锻造折叠与表面成一定角度尾端一般呈小圆角裂纹两侧严重脱碳组织缺陷带状组织多出现在两相组织的亚共析钢、奥氏体钢和半马氏体钢中，金相组织呈带状分布，带状严重时影响材料的力学性能。带状组织按GB/T13299-1991《钢的显微组织评定方法评定》。粗晶在锻件的低倍组织上晶粒粗大。产生原因主要是由于始锻温度过高和变形程度不足；终锻温度过高；变形度落入临界变形区。晶粒不均匀锻件晶粒大小不均匀，对于高温合金和耐热钢特别敏感。产生原因主要是局部区域变形度落入临界变形区。冷硬锻件内部仍保留一部分冷变形组织，使锻件塑性下降。主要是由于变形时温度偏低或变形速度太快，以及锻造后冷却过快，导致再结晶引起的软化小于变形引起的硬化，从而出现热加工后的冷硬现象。SeniorEngineerYangLi3.热处理缺陷淬火裂纹淬火裂纹的产生热处理淬火产生的应力大于材料破断强度所致加热温度过高冷却速度过急加热和冷却不均匀淬火裂纹的分布零件的棱角槽口截面突变处空洞边缘机加工刀痕裂纹的类型纵向裂纹：完全淬透横向裂纹：相变应力表面裂纹：加热剥离裂纹回火脆性第一类回火脆性超高强度钢淬火后在200~350C温度范围内回火出现脆性。其特征表现为冲击韧性降低，断裂方式以沿晶脆断为主。其引起脆性的机理目前认为是碳化物沿晶界析出和杂质元素(P、S等)晶界偏聚的综合作用。回火脆性第二类回火脆合金钢尤其是铬镍钢在450~600范围内回火时效或回火后慢冷，产生晶界脆化和沿晶断裂。这类回火脆机理目前比较明确，主要是由于在该温度范围内钢中的一些微量杂质元素向晶界迁移及偏聚。引起晶界脆化最强烈的元素为Sb、Sn、P、S等。合金元素中Ni、Mn、Cr等在回火过程中促进杂质元素的偏聚，而Mo、Ti等元素阻滞杂质元素的偏聚，故在铬镍钢中加入少量的钼可防止第二类回火脆性。回火脆性回火裂纹淬火钢回火时因快速加热或快速冷却发生裂纹称为回火裂纹。回火裂纹有两种，一种是回火时快速加热发生的裂纹，另一种是从回火温度快速冷却时发生裂纹，快速加热产生的回火裂纹形状似磨削裂纹，快速冷却产生的回火裂纹形状与淬火裂纹相同。淬火变形引起尺寸变化的因素引起形状变化的原因其他缺陷冷处理裂纹：淬火零件在淬火后若立即进行冷处理，由于淬火产生的应力和残留奥氏体转变成马氏体的相变应力叠加，会发生与淬火裂纹相同的裂纹自生裂纹：淬过火的零件，其组织是马氏体和残留奥氏体，常温下残留奥氏体不断地转变为马氏体，发生体积膨胀磨削烧伤：热处理零件需经磨削加工，在磨削时，切削区内瞬时高温可达400~1500，发生磨削烧伤和磨削裂纹，形成零件表面的显微组织、显微硬度、残余应力、力学性能等发生变化。磨削裂纹：磨削裂纹与淬火裂纹不同，磨削裂纹形状一般有两种，一种为龟裂状，称第一种磨削裂纹；另一种磨削裂纹与磨削方向成直角的若干平行线，称第二种磨削裂纹淬火软点：淬火零件上未淬硬的部位，称为淬火软点。淬火软点产生的原因主要是由于局部区域冷却速度较慢引起。淬而不硬：淬火件从外观上看好象是淬了火，但实际内部并没有淬火，淬而不硬的原因通常有三种：奥氏体化温度不充分；冷却速度不够；混料。