低倍组织检验.doc

第三章 钢的宏观检验钢的宏观检验又称低倍检验，它是通过肉眼或借助于30倍以下的放大镜来检验金属材料及其制品的宏观组织和缺陷的试验方法。宏观检验所用试样面积大、检验范围广、视域宽，能够比较直观的显现出材料或产品内部和表面存在的冶金缺陷，因其检验设备比较简单、样品制备要求不高，能较快捷、较全面的反映出材料或产品的品质，因此宏观检验在工厂中得到广泛的应用，对于大型铸、锻件来说它仍然是材质检验的主要手段之一，对于断裂失效分析也是不可缺少的环节。当然宏观检验受其所用方法和设备条件的限制，它只能从表面上直观的显示出缺陷的外观形貌特征，如果要从本质上更全面的对其加以判定，还需要与其它方法相配合，深入进行分析。金属材料在冶炼、浇铸、锻压、热处理过程中，由于某些不当和缺憾因素（例如非金属夹杂物、气体以及工艺选择或操作不当等）的影响，致使金属材料的内部或表面产生缺陷，从而会影响到材料或产品的质量，严重时还将导致报废。钢材中疏松、气泡、缩孔残余、非金属夹杂物、偏析、白点、裂纹以及各种不正常的断口缺陷等，均可以通过宏观检验来发现。宏观检验方法通常有低倍组织检验、断口检验、塔形试验、硫印试验等。第一节 低倍组织检验低倍组织检验所采用的方法就是酸蚀试验法，这种方法设备简单，操作方便，能清楚地显示出钢铁材料中存在的各种缺陷。酸蚀试验原理属于金属电化学腐蚀范畴。因为金属材料的成分与组织不均匀性、物理状态的差别及各种缺陷的存在，在无机酸溶液中造成了试面上许多不同的电极电位，组成了许多微电池，电化学反应使各部分受侵蚀程度不同，进行选择性腐蚀的结果易被腐蚀的部分呈暗色或剥落，从而清晰的显示出低倍组织和缺陷。根据低倍组织的分布以及缺陷存在的情况，可以知道钢材的冶金质量；通过推断缺陷的产生原因，在工艺上采取切实可行的措施，以达到提高产品质量的目的。一、试样的选取为了有效、合理的评价材料质量，不致造成漏检，酸蚀试样的选取原则是要有代表性，能反映待检验内容的真实情况，应取自最易发生各种缺陷的部位。取样的方向根据检验内容来确定，除锻造流线、应变线、带状组织能在纵向试样面显示出来，其它检验项目如钢中白点、偏析、皮下气泡、翻皮、疏松、残余缩孔、轴心晶间裂纹、折叠裂纹等缺陷均取横向，并保留原始外表面。由于钢的化学成分、锭模设计、冶炼及浇注方法、成品形状和尺寸不同，一般宏观缺陷的种类、大小和分布形式也不同，应根据检验目的或技术要求正确选择取样位置和数量，可参照下述原则选取。1. 检验钢材表面缺陷时，应在钢材和零件的外表面位置截取试样。2. 检验钢材质量时，应在钢材的两端分别截取试样，对于有些冶金产品应在其缺陷严重部位取样，最大限度的保证产品的质量。3. 对于铸锭检验时，应在近头部位置取样，因该处冶金缺陷最严重。4. 在解剖钢锭及钢坯时，应选取一个纵向剖面和两个或三个（钢锭或钢坯的两端头或上、中、下三个部位）横截面试样。5. 在做失效分析或缺陷分析时，除应在缺陷处取样外，同时还应在有代表性部位或正常部位取样，以便与缺陷处进行比较。做低倍酸蚀试验时，试样非经特别规定应为退火、正火或热加工状态。对合金结构钢或滚动轴承钢退火前应在室温放置24h以上，对白点敏感的低合金钢则放置时间不少于48h，以保证白点有充分孕育形成时间。二、试样的制备1. 试样切取试样切取可采用剪、锯、切割等方法，要留有足够的余量，取下的试样在进行机械加工时必须消除由取样造成的变形、热影响区及裂纹等加工缺陷。加工后试验面的表面粗糙度应不大于Ra1.6m，冷酸侵蚀法不大于Ra0.8m，试验面不得有油污和加工伤痕，必要时应预先清洗。试面距切割面的参考尺寸为：热切时不小于20mm；冷切时不小于（1.0 10）mm；烧割时不小于40mm。2. 试样尺寸横向试样试面应垂直钢材（坯）的纵轴，厚度一般为20mm，尺寸等于边长或直径，或至少应包括从表面到心部的部分。纵向试样试面一般应通过钢材（坯）的纵轴，长度一般为边长或直径的1.5倍，宽度为边长或直径，或至少应包括从表面到心部的部分，厚度为20mm。钢板试面的尺寸一般长为250mm，宽为板厚。检验钢材表面缺陷时，应在钢材表面位置取横向试样，钢材表面不允许有任何加工。三、试验方法钢铁的酸蚀试验方法按国家标准GB/T226钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法进行，该标准中规定有热酸侵蚀法、冷酸腐蚀法和电解腐蚀法，仲裁检验时，若技术条件无特殊规定，以热酸侵蚀法为准。GB/T 1979-2001结构钢低倍组织缺陷评级图标准中列出了常见的低倍组织和缺陷。其它材料酸蚀试验可参照下列标准进行：GB/T3246.2-2000变形铝及铝合金加工制品低倍组织检验方法；GB/T4297-2004镁合金加工制品低倍组织检验方法；GB/T5168-1985两相钛合金高低倍组织检验方法。四、热酸蚀试验热酸蚀是将一定配比的酸溶液加热到规定温度，对试样进行腐蚀。该法可用于显示铸态结晶组织、钢锭或钢坯的宏观组织及缺陷组织、锻造流线、焊接件的宏观组织等。相比冷酸蚀试验效果要好，因此热酸蚀试验法作为低倍组织检验的仲裁试验方法。由于酸液被加热，加速了化学电极反应，也就加快了试样的腐蚀，因此侵蚀剂成分、侵蚀时间、侵蚀温度、试片检验面粗糙度都会影响热酸蚀的效果。值得注意的是酸溶液加热后产生强烈挥发，操作环境恶劣，应注意加强防护。1. 试验所用的设备酸蚀槽、加热器、碱水槽、流水冲洗槽、温度计、电热吹风机、无色干净毛巾。2. 酸蚀试剂热酸蚀试验应以能清晰、准确地显示钢的低倍组织及缺陷为准，常用热酸蚀试剂和试验规范见表3-1。表3-1 热酸蚀试剂和试验规范试剂名称成分温度侵蚀时间min适用钢种盐酸水溶液工业盐酸1份，水1份（体积分数）60 805 10易切削钢5 20碳素结构钢，碳素工具钢，硅锰弹簧钢，铁素体型、马氏体型、复相不锈耐酸、耐热钢15 20合金结构钢，合金工具钢，轴承钢，高速工具钢20 40奥氏体型不锈钢、耐热钢续表3-1试剂名称成分温度侵蚀时间min适用钢种盐酸、硝酸水溶液盐酸10份，硝酸1份，水10份（体积分数）60 705 25盐酸38份，硝酸12份，水50份（体积分数）60 8015 25碳素结构钢，合金钢，高速工具钢盐酸、硫酸水溶液盐酸38ml，硫酸12ml，水50ml。70 8210 60不锈钢3. 试验操作规范（1）配制酸液：先将水倒入酸蚀槽内，再将一定比例的酸缓缓倒入槽内，边倒入边搅拌，防止飞溅。（2）清洗试样：用蘸有四氯化碳或酒精的棉球擦洗试样上的油污，用水冲洗、吹干，切忌用手触摸检验面。（3）摆放试样：将试样放入酸蚀槽内，溶液没过试样，试样应该有序摆放，避免直接接触，最好检验面朝上，不能叠压，并加以固定便于提取。（4）进行加热：当升到规定温度后开始计时，到达规定的时间后将试样从酸液中取出（也可以先加热酸液后放入试样）。（5）刷洗试样：从酸液中取出的试样立即用清水冲洗，试样面上的腐蚀产物可用尼龙刷在流动的清水中边冲边刷掉，切忌碰伤检验面。小型试样可直接在流动的清水中冲刷，大型试样冲刷后可放入质量分数为3% 5%碳酸钠水溶液或（1090）（1585）硝酸水溶液或20g/L氢氧化钠水溶液清洗，去除检验面上残存的酸液，然后再在流动的清水中冲洗。对冲洗后的试样用沸水喷淋，并快速用无色干净的热毛巾将试样表面的水分吸干，随后再用电热风机吹干试样面上的残余水渍。如果酸蚀过浅或试面上存在水渍及其他污垢，可重新放回酸蚀槽中浸泡或用稀盐酸擦洗，然后再取出重新冲洗吹干；若酸蚀过深，则将试样进行机加工，去除表面约1mm以上的腐蚀层，重新侵蚀。（6）检测：经过酸洗擦干的试样即可用肉眼或放大镜进行观察评级与照相，如果以后要进行复查或留存，则将试样放在干燥器中，或在试面上涂上一层油脂，防止生锈。五、冷酸蚀试验冷酸蚀在室温下进行，也是显示钢的低倍组织和宏观缺陷的一种简便方法，但多数情况下其反差对比度效果不如热酸蚀。冷酸蚀对试面粗糙度要求比较高一些，一般应达到Ra 0.80m。由于这种试验方法不需要加热设备和耐热的盛酸容器，因此特别适合于不能切割的大型锻件和外形不能破坏的大型机械零件，比热酸侵蚀法有更大的灵活性。冷酸蚀对于焊缝、热影响区、未淬透或淬火不均所产生的硬度分布、磨削损伤和操作不当带来的热效应等显示效果很好。冷酸蚀有侵蚀和擦蚀两种方法，腐蚀的时间一般较长，以准确、清晰地显示出钢的低倍组织及宏观缺陷组织为准。几种常用的冷酸蚀试剂见表3-2。表3-2 几种常用的冷酸蚀试剂序号冷蚀液成分使用范围123盐酸500ml，硫酸35ml，硫酸铜150g氯化高铁200g，硝酸300ml，水100ml盐酸300ml，氯化高铁500g加水至1000ml钢与合金45610% 20%过硫酸铵水溶液10% 40%（容积比）硫酸水溶液氯化高铁饱和水溶液加少量硝酸（每500ml加10ml硝酸）碳素结构钢、合金钢78硝酸1份，盐酸3份硫酸铜100g，盐酸和水各500ml合金钢9硝酸60ml，盐酸200ml，氯化高铁50g，过硫酸铵30g，水50ml精密合金、高温合金10100g 350g工业氯化铜氨，水1000ml碳素结构钢、合金钢1. 冷酸侵蚀法的操作过程（1）配制酸液：按照配方将配制成的酸液放入酸蚀容器内。（2）清洗试样：用蘸有四氯化碳或酒精的棉球清洗试样，然后将试样面朝上置入冷酸液中，且被酸液浸没，侵蚀时要不断地用玻璃棒搅拌溶液，使试样受蚀均匀。（3）刷洗试样：试样自冷蚀液中取出后，置于流动的清水中冲洗，与此同时用软毛刷洗擦试面上的腐蚀产物。如果试面上的低倍组织和缺陷未被清晰显示，试样仍可再次置入冷蚀液中继续腐蚀，直至显示出清晰的低倍组织和宏观缺陷为止。清洗后的试样用沸水喷淋并快速用无色干净的热毛巾将试样表面的水分吸干，随后再用电热风机吹干。（4）进行检测：经过酸洗擦干的试样即可用肉眼或放大镜进行观察评级与照相。2. 冷酸擦蚀法的操作过程此方法特别适用于现场腐蚀和不能破坏的大型机件，具体操作过程如下：试样表面的清洗方法如前所述，清洗后取一团干净棉花蘸吸冷蚀液，不断地擦拭试样面，直至清晰地显示出低倍组织和宏观缺陷为止。随后用稀碱液中和试样面上的酸液，并用清水进行冲洗。最后用酒精喷淋试样面，使其迅速干燥，随后即可通过肉眼或放大镜对试样进行检验和评级。六、电解腐蚀试验电解腐蚀试验是近些年发展起来的试验方法，其目的是要改善酸蚀的操作环境，因此试验原理不同于热、冷蚀试验。电解腐蚀操作简便，不会发生酸的飞溅，也无强烈的刺激味，酸的挥发性和空气污染小，特别适用于钢材厂的大批量大型试验检验，但腐蚀效果不如热酸蚀好。1. 电解腐蚀基本原理在装有电解液的槽内，把试样放在两电极之间，通以交流低电压大电流，对试样进行选择性的电化学腐蚀。试样被腐蚀的过程本身也是一种电化学反应，利用钢材在结晶时产生的偏析、夹杂、气孔、析出相及组织缺陷等存在电极电位不同，在电解液中形成了复杂和多极的微电池，又在外加电压的作用下，试样面上各部位的电极电位和电流密度发生了改变，加快了腐蚀速度，从而达到显示钢的低倍组织和宏观缺陷的目的。2. 电解腐蚀装置电解腐蚀设备主要由变压器、电解液槽、电极钢板、耐酸增压泵等组成。电解腐蚀需要有一台大电流低电压的变压器，输出电压小于36V，电流在0 400A内调节；电解液槽用耐酸的硬塑料制成，底部安装有阀门，为使酸液有效地保存和利用，在电解液槽底下再安装一个盛酸液的储存槽，使用时通过增压泵将下面储存槽内的酸液压入上面的电解槽里；电解槽中安放两块普通碳素钢板制成的电极板，电极板的尺寸及厚度视电解槽和被电解腐蚀试样（阳极）大小而定，电极板借助于多股铜导线来连接变压器。电解腐蚀设备示意图见图3-1。图3-1 电解腐蚀设备示意图1酸槽；2电解钢板；3试样电解腐蚀酸液的成分为10%30%（体积分数）工业盐酸水溶液，电解液的温度为室温，电解时通常使用的电压小于20V，电流密度为0.11（A/cm2），腐蚀时间以准确清晰地显示出钢的低倍组织及宏观缺陷为准，一般为（530）min。 3. 电解腐蚀操作（1）安放试样：将制备好、去污处理干净的试样放在两电极钢板之间的支架上，腐蚀面要平行于阴极板，可排成数行，试样之间、试样与电极板之间的间距不得小于20mm。（2）选择参数：试样放置完毕，酸液经增压泵进入电解槽，直到全部淹没试样为止。确定试验温度、时间、电压、电流等参数，接通电源，试样即可腐蚀，切断电源反应即停止。如果试样电蚀过浅，可继续通电进行。（3）冲洗试样：经电解腐蚀后的试样放在清水中冲洗，并用软刷子清除试样表面上的腐蚀产物，随后用电热风机吹干，进行检测和评级。（4）安全防护：在电解腐蚀过程中要注意安全防护，防止出现烫伤、电场和腐蚀伤害。七、常见低倍组织缺陷钢的低倍组织和缺陷评定按照国家标准GB/T1979-2001结构钢低倍组织缺陷评级图进行，该标准适用于碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢钢材（锻、轧坯）横截面试样的缺陷评定，标准中列出了15种缺陷：一般疏松、中心疏松、锭型偏析、斑点状裂纹、中心偏析、冒口偏析、内部气泡、皮下气泡、残余缩孔、翻皮、白点、白亮带、非金属夹杂物、异金属夹杂物、轴心晶间裂缝。下面介绍几种常见缺陷及形成原因。1. 一般疏松钢液凝固时各结晶核心以树枝状晶形式长大，在树枝晶主轴和各次轴之间存在着钢液凝固时产生的微空隙和析集一些低熔点组元、气体和非金属夹杂物。特征：在经酸侵试面上表现为组织不致密，呈分散分布在整个截面上的空隙和暗点。见图3-2。2. 中心疏松钢液凝固时体积收缩引起的组织疏松，因钢锭中心部位最后凝固使气体和夹杂物聚集较为严重所致。特征：在酸侵试片的中心部位呈集中分布的空隙和暗点。与一般疏松本质上没有区别，只是分布范围在中心部位。见图3-3。图3-2 一般疏松 图3-3 中心疏松3. 锭型偏析钢锭在结晶过程中由于结晶规律的影响，柱状晶区与中心等轴晶区交界处易产生成分偏析和杂质元素聚集，因此在等轴晶与柱状晶的交界处形成与原锭型形状相似的框带，称为锭型偏析。特征：在酸侵试片上呈腐蚀较深的、由暗点和空隙组成，与原锭型截面形状相似的框带，一般为方形，有时也会变形。根据方框形区域的大小及组织疏松程度和框带宽度来评定。见图3-4。4. 点状偏析在酸洗的低倍试片上呈不同形状和大小的暗色斑点。由于结晶条件不良，钢液在结晶过程中冷却较慢产生成分偏析，尤其是气体和夹杂物大量存在时，点状偏析更严重，多发现于钢锭的上部。特征：在酸侵试片上呈分散分布、形状不规则、尺寸较大的暗色斑点，有的类似钢笔水滴，呈规律排列。5. 皮下气泡由于钢锭模内壁清理不良和保护渣不干燥等原因，