过热、过烧鉴别方法

过热、过烧(一)概述锻造工艺过程中，如果加热温度控制不当常常容易引起锻件过热的现象。过热将引起材料的塑性、冲击韧度、疲劳性能、断裂韧度及抗应力腐蚀能力下降。例如18CrZNi4WA钢严重过热后，冲击韧度由0.8～1.OMJ／m2下降为0.5MJ/m2。一般认为，金属由于加热温度过高或高温保温时间过长而引起晶粒粗大的现象就是过热。至于晶粒粗大到什么程度算过热，应视具体材料而有所不同。碳钢（包括亚共折钢和过共折钢）、轴承钢和一些钢合金，过热之后往往出现魏氏组织（图片8-56）；马氏体和贝氏体钢过热之后往往出现晶内织构组织（见图片3-10）；1Cr18Ni9Ti、1Cr13和Cr17Ni2等不锈钢过热之后α相（或δ铁素体）显著增多；工模具钢（或高合金钢）往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织（见图片3-11）。钛合金过热后出现明显的β晶界和平直细长的魏氏组织（图片8-423），这些通过金相检查便可以判定。对铝合金的过热现在没有明确的判定标准。图片8-56过热的魏氏组织100×图片3-1020Cr2Ni4A钢模锻件晶内织构320×图片3-11W18Cr4V钢的过热组织500×图片8-423过热的魏氏组织500×一般过热的结构钢经正常热处理（正火、淬火）之后，组织可以得到改善，性能也随之恢复。但是Cr—Ni、C—Ni—Mo、Cr—Ni—W、Cr—Ni—Mo—V系多数合金结构钢严重过热之后，冲击韧度大幅度下降，而且用正常热处理工艺，组织也极难改善，因此对过热组织，按照用正常热处理工艺消除的难易程度，可以分为不稳定过热和稳定过热两种情况。不稳定过热是用热处理方法能消除所产生的过热组织，亦称一般过热；稳定过热是指经一般的正火（包括高温正火）、退火或淬火处理后，过热组织不能完全消除。合金结构钢的严重过热常常表现为稳定过热。碳钢、9Cr18不锈钢、轴承钢、弹簧钢中也发生类似情况。过烧，加热温度比过热的更高，但与过热没有严格的温度界限。一般以晶粒边界出现氧化及熔化为特征来判定过烧。如对碳素钢来说，过烧时晶界熔化、严重氧化（见图片3-12），工模具钢（高速钢、Cr12Mo等钢）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体（见照片5-8）。铝合金过烧时，出现晶界熔化三角区和复熔球等现象（见图片3-13）。锻件过烧后往往无法挽救，只好报废。图片3-1250A钢过烧组织（4%硝酸酒精溶液腐蚀）150×图片5-8锻裂外过烧的组织250×图片3-13LY2合金的过烧组织500×下面侧重介绍稳定过热的机理及影响的因素。在此基础上简要介绍过热对力学性能的影响，过热、过烧的鉴别方法以及防止措施。应当指出，这里讨论的稳定过热是对有同素异构转变的钢而言的。对没有同素异构转变的金属材料根本不存在这种问题，因为只要过热就是稳定的，用热处理的办法不能消除。对于有同素异构转变的钢，明确提出稳定和不稳定的概念，对指导锻压和热处理工艺具有重要的实际意义，因为在实际生产中，有时将稳定过热的锻件按不稳定过热的情况进行处理，结果，稳定过热引起的缺陷组织遗传在零件中，降低材料的性能，甚至在使用中造成严重事故。（α＋β）钛合金和（α＋β）铜合金虽有同素异构转变，但过热之后也不能用热处理方法消除，性能显著下降。一些双相不锈钢，如1Cr18Ni9Ti、1Cr13、Cr17Ni2等，过热之后α相（或δ铁素体）显著增加，使性能降低，用热处理方法也不易改善和恢复。在钢中引起稳定过热的机理有两种：①由析出相引起的稳定过热；②由于晶粒遗传（组织遗传）引起的稳定过热。（二）析出相引起的稳定过热1.析出相引起的稳定过热的机理钢在奥氏体区加热，随着温度升高，奥氏体晶粒粗大，特别是在机械阻碍物大量固溶于奥氏体以后，晶粒迅速长大，高温固溶于奥氏体的第二相（例如硫化锰），在冷却过程中沿原高温奥氏体晶界（或孪晶界）析出。由于它们的固溶温度高（一般都在1000℃以上），因此，一般热处理（淬火、退火、正火）时，在较低的奥氏体化温度（除莱氏体工具钢外都低于930℃）下，不再溶入基体。因此，这些第二相的分布、大小、形态和数量不会有多大程度的改变或基本不变，形成了稳定的原高温奥氏体晶界（或孪晶界）。概括起来就是：稳定过热是指钢过热后，除原高温奥氏体晶粒粗大外，沿奥氏体晶界（或李晶界）大量析出第二相质点或薄膜，以及其它促使原高温奥氏体晶界（或孪晶界）或其它过热组织稳定化的因素，这种过热用一般热处理的方法（扩散退火除外）不易改善或不能消除。存在有稳定过热组织的零件受力时，沿晶界（或孪晶界）析出的第二相质点，常常是促成微观裂纹的起因，引起晶界弱化，促使沿原高温奥氏体晶界（或孪晶界）断裂（尤其当基体韧性较好时）。图片3-14为裂纹沿有析出相的原奥氏体晶界扩展的情况。过热温度越高，高温稳定相固溶的越多，晶粒越粗大，冷却时析出的密度也愈大。这样的过热组织也愈稳定，晶界弱化也愈严重。图片3-14断裂沿析出相网络扩展160×近年来研究结果表明，引起稳定过热的析出相不仅有硫化物（MnS），还有碳化物，氮化物、硼化物（M23CB）以及碳氮化钛（TiCN）、硫碳化钛（Ti2SC）等。例如Cr—Ni、Cr—Ni—W和Cr—Ni—Mo系合金结构钢稳定过热后，大量析出的主要是较细的MnS、图片3-15为35CrNiMo钢过热石状断口，图片3-16为石状断口过热小平面微观形态，是以MnS为显微裂纹核心的沿晶孔坑型断裂。图片3-1535CrNiMo钢石状断口图片3-16石状断口的微观形态5000×除合金结构钢出现稳定过热外，在碳钢、9Cr18不锈钢、GC15轴承钢、60SiMo弹簧钢、高速钢等钢种也常出现这种缺陷，而且不仅沿奥氏体晶界析出，沿孪晶界也有析出。形成稳定过热的充分和必要条件是：①高温加热使奥氏体晶粒粗化；②冷却后沿原高温奥氏体晶界（或孪晶界等）大量析出高温稳定的第二相或者存在其它促使原高温奥氏体晶界稳定和弱化的因素。必须指出，单纯奥氏体晶粒粗化引起的过热只是一种不稳定过热；而奥氏体晶粒不粗大，单纯由大量第二相沿晶界析出引起的原奥氏体晶界弱化不属于过热问题。2.影响稳定过热与不稳定过热的主要因素由析出相引起的稳定过热程度，主要取决于析出相的成分和析出的密度。因此，影响稳定过热与不稳定过热的主要因素除与加热温度高低和保温长短有关外，还主要和钢的化学成分、钢中微量元素（包括杂质元素）及含量、过热后的冷却速度、锻造变形程度等有关。奥氏体晶粒愈粗大，愈易沿晶界析出。析出相的密度愈大，则沿晶界封闭的愈完整。如果沿奥氏体晶界析出的密度小或不完全封闭，则稳定性小。因此，在奥氏体晶粒大小一定的条件下，沿原高温奥氏体晶界析出相的密度大小，就决定着稳定程度的大小。如果析出相的质点很大，但密度极低，也不易形成稳定过热。（1）钢的化学成分及微量元素的影响由前面的例子中可以看出，钢的化学成分决定着析出相的种类，例如Cr—Ni、Cr—Ni—Mo—V、Cr—Ni—W系合金结构钢中的析出相是MnS；25MnTiB钢中由于Ti与S比Mn与S有更大的亲合力，主要析出Ti2SC、Ti（CN）等；而在高碳的9Cr18不锈钢中主要析出一次碳化物。不同成分的析出相固溶于奥氏体中的温度不同，因而对稳定程度有重要影响。例如MnS、AlN大量固溶的温度约在1200℃左右，TiCN的固溶温度在1350℃左右，Ti2SC在1350℃时还没有固溶。9Cr18不锈钢的一次碳化物固溶温度也在1000℃以上。析出相的固溶温度愈高，高温愈稳定，形成稳定过热的敏感性则愈低，但一经固溶和析出后，则很难消除。稀土元素减少形成稳定过热与不稳定过热有重要影响。例如25MnTiB钢中，当RE/S=1.5～2时，由于形成高温下稳定颗粒状稀土硫化物，可以细化1350～1400℃以下的奥氏体晶粒，减少原奥氏体晶界上脆性第二相（TiSC、M23（CB）6）的析出，降低过热敏感性。（2）过热后冷却速度的影响过热后冷却速度对是否形成稳定过热及其稳定程度有重要影响，它影响着析出相的数量和密度。冷却速度过快，第二相可能来不及沿晶界析出；冷却速度过于缓慢则析出相聚集成较大的质点，这两种情况均不易形成稳定过热。只有在第二相充分析出而又来不及聚集的冷却速度下才易形成稳定过热。因此相对的中等冷却速度最易形成稳定过热。（3）塑性变形及热处理对稳定过热的影响塑性变形可以破碎过热形成的粗大奥氏体晶粒并破坏其沿晶界析出相的连续网状分布，因此可以改善或消除稳定过热。40MnB钢自1150℃直接空冷和经热轧后空冷呈现两种不同的断口情况。直接空冷的坯料原奥氏体晶粒粗大，析出相呈粗大的网状分布，经调质处理后为石状断口。而经热轧后空冷的原高温奥氏体晶粒细小，析出相分散，经调质处理后为纤维状断口。试验表明已经形成稳定过热，呈现石状断口的18Cr2Ni4WA和45钢，经重新加热改锻，当锻造比大于4时，可基本消除稳定过热的组织，获得正常的纤维状断口。用热处理方法改善或消除稳定过热是困难的，有时是不可能的。某些合金结构钢的试验表明：只有轻度稳定过热（即析出相密度较小，在断口上呈现细小，分散的石状情况）经二次正火或多次正火可以改善或消除。对于一般的稳定过热（在断口上分布的石状较多，石状尺寸较大）需经多次高温扩散退火和正火才可能得到改善，而对于较严重的稳定过热（石状较大、遍及整个断面），多次长时间高温扩散退人加正火也极难改善。根据以上分析，为避免锻件稳定过热，从锻造工艺方面有下列有效对策：1）严格控制加热温度，尽可能缩短高温保温时间。加热时坯料应避开炉子的局部高温区。2）保证锻件有足够的变形量，一般当锻造比为1.5～2时，便有明显效果，锻造比愈大，效果愈显著。对模锻件来说，如预制坯后需再一次加热时，应保证锻件各部分均有适当的变形量。3）适当控制冷却速度。根据我们协同某厂解决炮尾锻件石状断口的体会，恰当地采用上述对策，便可以有效地避免形成稳定过热石状断口。（三）晶粒遗传引起的稳定过热按传统的概念，钢在加热至正火温度时即发生相变和重结晶，使粗大晶粒得到细化。但是，有些钢种（主要是马氏体钢和贝氏体钢）过热后形成的粗晶，经正火后仍为粗大晶粒（指奥氏体晶粒）。这种部分或全部由原粗大奥氏体晶粒复原的现象称为晶粒遗传。马氏体和贝氏体钢锻件，如果锻造加热温度与停锻温度较高和变形程度较小，容易形成粗大的奥氏体晶粒，冷却到室温后，在原来的一颗颗粗大奥氏体晶粒内，由于相变形成许多颗小晶粒，这些小晶粒的空间取向与原来奥氏体晶粒的空间取向保持一定的关系。例如马氏体的｛110｝面平行于奥氏体的｛111｝面，马氏体的＜111＞方向平行于奥氏体的＜110＞方向。从一个奥氏体晶粒形成的许多马氏体片与原奥氏体晶粒之间都有着这种位向关系（见图3-8和图片3-10）。也就是说，形式上是一颗大晶粒分割成许多颗小晶粒，而实质上还是原来的一颗大晶粒。正火加热时，这些小晶粒还原成原来的奥氏体晶粒，且空间取向基本上没有多大的变化。正火冷却时，一颗奥氏体晶粒又再次重新分割成若干个小晶粒。这样，正火前（即锻后）原来粗大的奥氏体晶粒经正火后形式上虽细化了（分割成许多小晶粒），但实质上由于很多小晶粒的位向与原来的奥氏体晶粒一致，由于在位向和大小上都继承了原始粗大奥氏体晶粒，所以在性能与断口上仍保留了原来粗大奥氏体晶粒的特征。这种粗大晶粒的遗传，使材料的力学性能，特别是韧性明显降低。由于这种晶粒遗传现象，马氏体钢、贝氏体钢锻件过热后的粗大奥氏体晶粒，用一般热处理工艺不易细化。图3-8马氏体、贝氏体钢过热组织加热时的重结晶示意图产生晶粒遗传的条件是：1）加热前的组织为奥氏体的有序转变产物（马氏体或贝氏体），它具有保留原始奥氏体晶粒取向的能力；2）加热至奥氏体化温度时，铁素体和奥氏体均不发生再结晶，保持晶粒位向；3）针状奥氏体得到充分发展。马氏体、贝氏体组织在加热相变时可能产生两种奥氏体形态，即针状（条状）奥氏体和球状奥氏体、针状奥氏体与母相保持一定的位向关系，才导致晶粒遗传，而球状奥氏体则不然。某些珠光体类型的钢，例如38CrMoAlA钢等，也易出现这种晶粒遗传现象。38CrMoAlA钢在退火状态是珠光体加铁素体，由于Cr和M