[工学]优质钢缺陷.ppt

第二部分 优质钢缺陷 第一章 绪 论 钢的分类 1按钢的化学成分分类 2按钢的品质分类 1）普通钢（P0.045%, S0.055%, 或P,S0.050%） 2）优质钢（S，P0.04%） 3）高级优质钢（P0.035%, S0.03%） 3按钢的冶炼方法分类 4按钢的金相组织分类 5按钢的用途分类 *1 第二章 钢中缺陷的检验和研究方法 21 钢中缺陷的传统检验方法 目前钢厂使用最多的仍是那些传统的检验 方法，其中最主要的是： 低倍酸检验；断口检验；硫印试验；塔形 试验；超声检验以及高倍金相检验； 在上述各种检验方法中，除高倍金相以外 ，均为宏观检验方法。 Date2 所谓宏观检验，就是用肉眼或借助于10 倍以下放大镜的检验。 由于低倍检验（包括低倍酸浸检验、断 口检验和塔形检验）可直观地检查出钢在 冶炼、浇注、热加工和热处理过程中所产 生的缺陷，而且具有工艺简单、对检验设 备要求不高、操作方便、成本低谦等优点 ，因此，为国内外所广泛采用。 Date3 金相检验用于检验钢中高倍组织缺陷， 其中包括脱碳、 碳化物网状、 碳化物带状、 碳化物液析、 碳化物不均性、 石墨碳、 奥氏体钢中相、 晶粒度等。 Date4 211 低倍酸浸检验 低倍酸浸检验就是将预先制备好的试样用酸浸 蚀，以显示其宏观组织及缺陷的一种试验方法。 国家标准规定：结构钢、轴承钢、高速钢、弹 簧钢及各种不锈钢、耐热钢在出厂前必须进行酸 浸腐蚀检验，以保证其质量。 酸浸试验试样多取横向，从最易于形成缺陷的 部位取样。 Date5 低倍酸浸试验分为： 热酸浸蚀法； 冷酸腐蚀法； 电解腐蚀法三种。 仲裁时，一般以热酸浸蚀法为准。 酸浸试验所显示的低倍组织缺陷共12种 ，如下： （1） 一般疏松 在酸浸试片上表现为组 织不致密，分散在整个截面的暗点和空隙 。（14级）。 Date6 （2）中心疏松 在酸浸试片的中心部位 呈现集中分布的空隙和暗点。（14级） （3） 锭型偏析 （14级） （4） 点状偏析：一般点状偏析和边缘点 状偏析均分为（14级） （5） 皮下气泡 （6） 残余缩孔（13级） Date7 （7） 翻皮 在酸浸试片上呈亮白色弯曲条带 ，并在其上或周围有气孔和夹杂物（13级）。 （8） 白点 在酸浸试片上为锯齿形小裂纹， 呈放射状，同心圆形或呈不规则分布（13级） （9） 轴心晶间裂纹 一般多出现在高合金不 锈耐热钢和高合金结构钢中，为蜘蛛网状（13 级） （10） 内部气泡 （11） 非金属夹杂物和夹渣 （12） 异金属夹杂物 Date8 在各种钢的技术条件中都明确规定不允 许存在的低倍缺陷及其合格级别。 优质钢低倍缺陷的允许界限 钢类 一般疏 中心疏松 偏析 优质钢 3 3 3 高级优质钢 2 2 2.5 最新研究表明：长寿命模具钢的低倍缺 陷一般要求01级。 Date9 2.1.2 断口检验 断口检验是检查钢材宏观缺陷的重要方 法之一 断口检验不需要贵重的检验仪器，方法 简便，结果可靠，是检验钢材质量的一种 通用方法。 一般结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢 等都规定在出厂前和验收时要作断口检验 。 Date10 断口检验较酸浸检验更能显示钢中白点 、钢的过烧和过热。 断口检验的断口可分为： 淬火断口； 退火断口； 调质断口三种。 其断口类型的选取决定受检钢的类型和 检验要求，其目的在于能够真实地显露钢 中缺陷。 Date11 （1） 淬火断口：较易发现的缺陷有： 白点、夹杂、气孔、层状、石状、萘状等 。在工厂中断口检验多用淬火断口。 （2） 退火断口：在退火断口上较易显 露的缺陷有黑脆、夹杂、缩孔残余等，除 冶金缺陷外，还可判断钢材的晶粒均匀程 度。 （3） 调质断口：兼具检验钢中缺陷（ 如白点、层状、气孔等）和显示钢的基本 组织。 Date12 GB1814-79钢材断口检验法 （1） 纤维状断口 （2） 瓷状断口 （3） 结晶状断口 （4） 台状断口 （5） 撕痕状断口 （6） 层状断口 Date13 （7） 缩孔残余断口 （属于不允许缺陷 ） （8） 白点断口 （属于不允许缺陷） （9） 气泡断口（属于不允许缺陷） （10）内裂断口（属于不允许缺陷） （11）非金属夹杂物及夹渣断口（属于 不允许缺陷） （12） 异金属夹杂断口（属于不允许缺 陷） （13）黑脆断口（属于不允许缺陷） Date14 （14） 石状断口 （15） 萘状断口 Date15 2.1.3 硫印检验 硫在钢中一般认为是有害元素之一，因为它会 引起热脆和使钢的韧性变坏，所以在优质钢中规 定其含量不得超过0.040%. 硫在钢中主要以硫化物形式存在； 硫对钢的强度影响不大，但却降低钢的塑性和 韧性，特别是冲击韧性。 为检查钢中硫的偏析情况常用硫印法。 Date16 硫印检验法亦称包曼(Baumann)法，是一 种宏观检验方法。 其目的是通过将预先在稀硫酸溶液中浸 泡过的相纸敷在试片上，使之发生反应， 取下后由相纸上所形成的印痕来确定钢中 硫的分布情况，并根据硫印色泽深浅，大 小判定钢中硫化物的多少。 Date17 注意： （1） 硫印试验只是一种定性试验，不能 按硫印确定钢中硫含量数值。 （2） 根据硫印可对所检验部位钢的纯净 度作出判断，如可根据硫印判断钢的化学 成分的不均匀以及某些形体上的缺陷。 Date18 2.1.4 塔形试验 塔形试验是用以检验钢中发纹的一种试验方法 ，因其所用试样为三级台阶状，形似塔状，故称 塔形试验。 发纹是钢中的一种宏观缺陷，它的存在对钢的 性能，特别是疲劳强度有不利影响。 发纹：是在热酸浸过后的塔形试样上，沿轧制 方向分布有一定长度和深度的小裂纹。一般用肉 眼或10倍放大镜检查。 Date19 2.1.5 金相检验 金相检验项目包括： 脱碳、 退火组织、 碳化物网状、 碳化物带状、 碳化物不均匀、 碳化物液析、 晶粒度、 石墨碳、 奥氏体钢中的相、 非金属夹杂物等。 Date20 第三章 钢中的宏观偏析 在低倍检验中常见的宏观偏析缺陷有： 方框形偏析、点状偏析、碳化物偏析等。 不太常见的有锭尾偏析、轴心偏析以及 电渣重熔钢的波纹状偏析。 宏观偏析的形成与钢的凝固和结晶过程 密切相关。 Date21 由于钢凝固过程中体积收缩所造成冶金 缺陷可分为缩孔、中心疏松，一般疏松等 。 缩孔、二次缩孔钢材中不允许有未 切尽的残余缩孔。 Date22 体积收缩的规律： 1）液态收缩 2）凝固收缩 3）固态收缩 碳素钢钢锭从浇注到室温的总收缩达1014% ，但主要是其占3.55.7%的液态收缩和凝固收缩 ，它们对形成缩孔和疏松起作用。 Date23 影响收缩的因素： 1）含碳量的影响：随含碳量增加而增大。 2）合金元素的影响：不同合金元素对收缩的 影响不同。 3）浇注温度和浇注速度的影响：注温高、速 度快收缩大。 4）锭型的影响：锭型高宽比越大和锥度越小 ，则缩孔越深。 Date24 结晶偏析： 钢中凝固时产生各种元素分布不均匀的 现象叫：偏析 C大于C0称为正偏析，C小于C0则负偏析 。 枝晶偏析 区域偏析（定向晶区的偏析，倒V形正偏 析，轴心偏析，上部正偏析） Date25 方框形偏析 点状偏析 下注镇静钢的锭尾偏析 Date26 影响偏析的因素 1锭型的影响； 2.浇注温度和浇注速度影响 Date27 第四章 气体在钢中形成的缺陷 钢中气体一般指：氢、氧、氮。 氢含量高时，会使钢材产生白点或氢脆 ； 氮的含量过高时会形成氮化铝，氮化钛 或碳氮化钛，它们在晶界上呈薄片状析出 使钢变脆； 氧含量过高使钢中产生过多的氧化物夹 杂； Date28 在冶炼过程中有时钢中还有CO、CO2、 H2O、SO2等气体； 在浇注时，由于上述气体过高还会产生 皮下气泡，内部气泡，点状偏析和发纹等 缺陷。 Date29 钢中气体的来源： （1） 金属炉料表面的铁锈 （2） 矿石表面吸附和化合水 （3） 造渣材料特别是石灰带来的水； 增碳剂和脱氧剂吸附的水 （4） 大气中的水蒸汽 （5） 炉衬材料带入的水 Date30 气体对钢质量的影响 溶解在钢液中的氢、氮、氧，其溶解度 在凝固时剧烈降低，必然出现相应气体的 析出，从而产生钢中缺陷。 氢的溶解度降低量为60%或20ppm；氮的 溶解度降低75%或300ppm;氧在钢液中的最 大溶解量为0.21%, 而在室温下为0.05%. Date31 4.1 氢的影响： 氢在钢中以原子或离子形式溶入钢中， 在钢中造成许多严重的缺陷： 如白点、内部气泡以及焊缝热影响区内 的裂纹等； 氢被看作是钢中危害最大的一种元素 Date32 在工业用钢中，通常总是含有一定量的 氢，结果导致在铸锭中形成气孔和裂纹， 特别容易在大型锻钢件中形成。 氢含量的增加，使钢的面缩率明显地降 低，使钢的屈服点消失，当氢含量达到 610-4%时，就足以使钢的塑性降至最低限 。 Date33 4.2 氮的影响 氮在钢中是一种重要的合金元素： 优点： 1）氮可以改善高铬和高铬镍钢的宏观组织， 使之致密坚实，并提高其强度。 2）渗氮钢中采用热处理工艺，将氮渗入钢的 表面层使之与铬、铝等合金元素形成氮化物，提 高钢表面层的硬度及耐磨性。 3）氮作为合金元素加入钢中，与许多合金元 素生成细小弥散的化合物，如形成AlN, TiN, TiCN, VN等，有阻碍晶粒长大的趋向，可提高 钢的过热敏感温度。 Date34 害处： 1）氮化物以薄片形式析出在晶界上时， 将使钢发生时效脆性； 2）微量氮的低碳钢在冷加工变形后，其 性能将随时间发生变化，即强度和硬度提 高，韧性降低，缺口敏感性增加所谓 低碳钢的应变时效现象。 3）氮是导致钢产生蓝脆的主要原因。 Date35 4.3 氧的影响 氧在铁中的溶解度极小，有资料表明：氧的溶 解度在铁中约为0.004%； 在铁中约为0.002%0.003%; 在铁中最大值约为0.03%(T910)， 在700时约为0.007%, 在500时约为0.001%； Date36 在1600下钢中氧的溶解度为0.229%,而在室温 下氧是以氧化物的形式存在的，以原子状态存在 的氧几乎为零。 由此表明，固溶在钢中的氧数量极少， 但是钢中的氧含量要高得多，其余的氧 是以各种氧化物夹杂的形式存在的。 由于氧及其反应气体逸出的困难，产生 如下缺陷： Date37 1）生成的气泡大部分滞留于钢中，形成 气孔和疏松，常常引起钢锭在加工时的开 裂现象。 2）FeO与FeS形成FeO-FeS夹杂，这种夹 杂物的熔点很低（940），在钢液凝固完 毕时，它将以薄膜状保留在晶界上，易产 生热裂纹。 Date38 3）溶解度下降而析出的氧，与钢中其它 元素如Mn,Si,Al,Ti,Cr等元素发生反应，形 成内在夹杂物，导致钢的机械性能，特别 是钢的塑和韧性及疲劳强度下降。 4）钢的切削加工性能带来不利的影响。 Date39 4.4 钢中气体所造成的缺陷 气体在钢中弊多利少，冶金工作者在钢 的冶金过程中，总是采取一切措施把气体 含量降到最低限度，以提高钢的质量。 常采取的方法有： 真空脱气，钢包精炼，保护浇注等措施 ，来减少钢中气体的含量。 Date40 气体产生的缺陷 皮下气泡：分布在钢锭的表皮下或一定的深 度（几毫米或十几毫米），沿钢锭纵向排列的内 壁光滑的单个或成簇的小孔洞或短而粗的裂纹。 内部气泡和点状偏析：它们通常共存。在 电炉或平炉冶炼的碳素结构钢、合金结构钢中常 常出现这种缺陷。 镇静钢内部气泡和点状偏析的主要形成原是由 于在冶炼或浇注不正常的情况下，带入大量的气 体到钢液中或由于脱氧不良而产生。 Date41 白点 钢中白点是由氢所引起的一种内部裂纹缺陷， 多在钢坯或钢材中形成。 在钢的纵向断口上显现为圆形或椭圆形银白色 斑点，故称为白点。 白点是一种危险的冶金缺陷，历史上由于这种 缺陷造成的恶性事故很多。如： 1916年，美国曾发生过由于在重轨钢中有白点所造成的重大事故 ，引起铁路运输的中断。 1938年英国皇家空军的一架喷火式战斗机在训练飞行中突然从空 中摔下来，机毁人亡。事故分析表明是因引擎主轴中含有白点引起 断裂所致。 二十世纪五十年代，美国来利桑那电站转子断裂也是由钢中白点 所引起的。 Date42 白点的检验方法 （1）断口检验法，按国标GB1814-79 （2）酸浸低倍检验法， 按国标GB1979-80 （3）超声波检验法。 Date43 白点出没规律及其形成原因 1）白点一般出现在钢坯或锻件的芯部，通常 距表面20mm以上，很少有靠近或露出表面的情 况，而且其分布规律常与钢坯的外形相似。 2）钢中氢含量愈高，所形成的白点就愈多， 其尺寸一般为几毫米至12cm，很少有更大的。 （与钢的化学成分有关） 3）白点是中碳合金结构钢所固有的缺陷，特 别是常在大截面钢坯或锻件中出现。 4）在马氏体和珠光体钢中容易形成白点，而 在奥氏体、铁素体和莱氏体钢中一般是不形成白 点。 Date44 白点主要在体心立方金属和合金中 出现，而在具有面心立方点阵的奥氏体钢 中或者根本没有，或者只有极少量的白点 形成。 这主要是因为： 面心立方结构的奥氏体具有良好的范性 和较大的氢的溶解度，即可安置氢的位置 多。 非金属夹杂物，特别是长条状或薄片状 的硫化物，对形成白点有利。 钢中含有足够数量的氢是形成白点的必 要条件，同时还必须有足够大的应力。 Date45 白点形成阶段 白点与钢中缩孔、气泡等缺陷不同，它 不是在钢的凝固过程中形成的， 而是在轧（锻）后，当钢坯冷到比较低 的温度以下才形的， 甚至有时是在钢被冷却到室温以后，在 存放过程中形成的。 白点不是瞬间形成的，而是逐渐形成的 。 Date46 冶金缺陷是白点形成的核心 铸造缩孔、疏松和偏析等一般多分布在 钢材中心部位，恰好这些地方为扩散氢提 供了藏身之处，因而这些地方便成了白点 的核心。 Date47 白点断口 白点为产生在钢中含氢量高的区域内的 内部裂纹，在断口上白点为圆形或椭圆形 银白色斑点。 白点主要在中碳合金结构钢大锻件或毛 坯中，在大型铸件中亦有发现。 白点断口大部分为穿晶脆性断裂，表面 起伏不平，含波浪式条纹和片层状特征组 织。 Date48 白点对力学性能的影响 白点为钢中的细微裂纹，它破坏了钢的 连续性，实为钢的内部缺口。使钢的韧性 、塑性大为降低，并往往成为疲劳裂纹源 。 含有白点的钢，其各种力学性能指标（ 强度、韧性、塑性、疲劳性能等）均下降 。 白点是钢中不允许有的冶金缺陷。 白点在一定的加热变形条件下是可以焊 合的。 Date49 扩散除氢处理 通常选择在铁素体状态下的最高温度区 进行加热扩散除氢处理。 氢在体心立方点阵中的溶解度小于面心 立方点阵，而扩散系数大于面心立方点阵 ，因此，选择在铁素体状下进行扩散除氢 是有利的。 而选择在铁素体状态的最高温度区加热 ，则是为了得到尽可能大的氢扩散系数。 Date50 珠光体钢的典型等温退火除氢工艺 两种： 1）在锻造终了之后，先将钢冷至A1以下 50150，保持一定时间后，再加热到 A1以下20 50 进行等温去氢处理。 2）在锻造完了之后，先将钢冷至A1以下 50150，保持一定时间之后，再加热到 A3以上20 30 或A1以上20 30 ， 进行再结晶处理，然后再降温至A1以下20 50 进行等温去氢处理。 Date51 第五章 钢中的非金属夹杂物 钢中非金属夹杂物的来源 1）脱氧、脱硫产物，特别是一些比重比较大 的产物没有及时排除。 2）随着钢液温度降低，硫、氧、氮等杂质元 素的溶解度相应下降，于是这些脱溶的夹杂元素 与金属化合生成非金属夹杂物在钢中沉淀。 3）带入钢液中的炉渣，熔渣或耐火材料。 4）钢液被大气氧化形成氧化物。 前两类夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物 称为外来夹杂物。 Date52 内生夹杂物的类型和组成取决于冶炼的 脱氧制度和钢的成分； 影响夹杂物的根本原因是与氧、硫、氮 亲合力强的元素的含量。这些元素含量的 变化，将对夹杂物的类型、组成和形态等 产生强烈影响。 钢中非金属夹杂物通常被认为是有害的 ，使其含量尽可能降低。 Date53 非金属夹杂物在热加工过程中的变化 在不同温度下，夹杂物与钢的塑性差异 ，是各种夹杂物最主要的物理性能之一。 钢中夹杂物的变形性能可用变形指数表 示： Date54 第六章 热加工造成的缺陷 热加工造成的缺陷包括： 由于材料带来的，即由冶炼的原因引起 的，在热加工过程中暴露出来的缺陷，以 及在热加工过程中由于加热、变形、冷却 制度不当所造成的缺陷。 Date55 热加工缺陷 61 表皮裂纹 62 高速工具钢的锻、轧裂纹 63 轴心晶间裂纹 64 显微空隙 65 晶粒粗大 66 折叠 67 钢的过热和过烧 671 钢的过热 Date56 671 钢的过热 1过热对奥氏体晶粒度的影响 2钢过热后的金相组织 3过热对钢机械性能的影响 4过热钢的萘状断口和石状断口 Date57 （1）钢过热形成石状断口与钢中含硫量 有关，硫含量越高在粗大的原始奥氏体晶 界上沉淀的MnS就越多，形成石状也就越 多，反之亦然。 （2）当钢严重过热后，出现以微细- MnS形核的石状断口时，采用任何热处理 工艺均不能改善或消除。 Date58 672 钢的过烧 钢的过烧亦称烧毁，它是由于钢在高温 加热时，超过严重过热温度使钢表面氧化 严重，甚至产生龟裂的现象。 Date59 673 过热的改善与过热过烧的防止措施 （1） 改善方法 1重新热处理 2重新热加工 （2） 预防措施 Date60 67 钢的淬火与回火缺陷 681 热处理工件的变形 1产生变形的原因 （1）热应力及其所引起的变形：由于加 热或冷却不均匀使工件表里存在温差因而 造成热胀冷缩的不一致，由此而产生的内 应力称为热应力。 急冷热应力有两个特点： (a)使零件表面产生压应力，心部产生拉 应力； (b)大型轴类零件心部的轴向拉应力特别 大。 Date61 （2）组织应力及其所引起的变形：由于 奥氏体和其转变产物的比容不同以及工件 的表里或各部分之间组织转变的时间不同 所造成的内应力，称为组织应力。 奥氏体的比容最小，而马氏体的比容最 大 组织应力的两个特点是： (a)工件表面受拉应力，心部受压应力； (b)靠近表面层，切向拉应力大于轴向拉 应力 ； Date62 2. 影响变形的因素 钢的化学成分 (a) 低碳钢：淬火后一般表现为以热应力为主的 变形特征。 (b) 中碳钢：在全部淬透的情况下，表现为以 组织应力为主的变形特征。 在未淬透的情况下，随着淬硬层的减薄 ，组织应力引起的变形也渐减小，在个别情况下 还可能出现以热应力为主的变形特征。 (c) 高碳钢：在淬不透的情况下，表现为以热应 为主的变形特征。 在全部淬透的情况下，由于马氏体的比 容很大，组织应力仍起主导作用。 Date63 钢的淬透性 钢的原始组织 工件的几何形状 3减小变形的途径与措施 (a) 正确选择钢材与合理设计工件形状 (b) 合理锻造与预先热处理 (c) 采用合理的热处理工艺 (d) 采用正确的操作方法 Date64 682 淬火裂纹的产生及防止方法 淬火裂纹是由许多方面的因素造成的， 但根本的原因有二： 一是拉应力超过材料的强度极限； 一是内应力虽不太高，但由于材料内部 的缺陷而引起强度的降低。 Date65 原材料缺陷：缩孔、白点、冷加工刀痕、钢中 非金属夹杂物及碳化物偏析。 锻造缺陷：锻造过程中已形成的裂纹在淬火时 会使之扩大。 这种淬火前已形成的裂纹，其显微组织特 征是在裂纹两侧有严重的脱碳，这是因锻造与淬 火加热所造成的；同时，锻造裂纹内部往往还有 大量的氧化物夹杂。这些都是分析判断锻造裂纹 的依据。 淬火工艺不当：加热温度过高；在Ms点以下冷 却过快； 回火工艺不当：回火不足或淬火后未及时回火 ，都可能导致工件的开裂 钢的回火脆性 Date66 683 其它淬火缺陷 1硬度不足： 加热温度过低或保温时间不足，冷 却速度不够，操作不当，表面脱碳，淬透 性不够，奥氏体成分不当。 Date67 2软点 工件原来的金相组织不均匀或夹杂物过多； 加热温度不足或保温不充分，形成不完全淬火 （对亚共析钢）； 渗碳件经渗碳处理后，表面碳浓度不均匀； 工件表面局部脱碳； 淬火剂冷却能力不够，工件浸入淬火剂的方式 不当； 工件表面不清洁 3过热与过烧 4氧化与脱碳 Date68 684 回火缺陷 1硬度过高 2硬度不足 3回火脆性 Date69 (a) 低温回火脆性（第一类回火脆性 ） 碳钢和低合金钢在250400回火时出 现的脆性称为低温回火脆性。 将这种已产生脆性的工件在更高一些温 度回火后，其脆性即消失。再置于300左 右重新回火时，脆性也不会重复出现。因 此这种低温回火脆性又叫做不可逆回火脆 性。 Date70 钢中含碳量越高，脆化的程度越严重。 钢中所含合金元素的种类及合金量一般都不能 抑止第一类回火脆性，但可改变脆性产生的温度 范围。 一般是使脆性推向更高的温度，其中硅、铬、 锰的作用较为显著，尤其是硅。 目前还无有效方法来完全消除低温回火脆性， 只是尽量避免在这个温度范围内回火。 实验指出，在这一温度区间回火时，时间越短 ，脆性越小。用快速加热回火的办法可以减小脆 性，但仅适用于较薄的零件。对某些合金结构钢 尚可采用降温淬火的方法加以克服。 Date71 此外，还有资料介绍，加入Ti、AI、B、 Be等元素有一定的抑制效果。 可见，从本质上弄清第一类回火脆性产 生的原因及找出有效的防止方法，仍是需 要研究的课题。 Date72 (b) 高温回火脆性（第二类回出脆性） 在450或更高至650