锻件缺陷成因分析

1、锻件缺陷成因分析锻件缺陷成因分析锻件受力状况及其破坏类型 缺陷的检验手段 一、金属结晶的热力学条件1. 自由能的变化自然界一切事物的变化过程分为自发过程和非自发过程，自发过程就是不需要外界的任何帮助就可以自动进行的过程，在这个过程中还可能伴随着对外界做功或其它影响。任何自发过程都有一定的方向和限度。如热只能自发从高温向低温传递，气体只能从高压向低压处扩散，而非自发过程则只有在外界帮助下才能实现，如将重物从低处移到高处需外界对其做功才能实现。图1：固、液两相自由能与温度的关系T0为熔点 TT0时 F液F固 固体熔化 TT0时 F液F固 液体结晶转为固体 2. 晶核的形成 晶核的形成可以分为自发形

2、核和非自发形核 。 2.1 自发形核 F=-V（f液-f固）+s 为表面张力，s为体积V的固相与液相交界面面积，假定新相为球形（体积一定时表面积最小为球形）。 F= （4/3）r3fv+4r2 其中r：新相粒子半径 图2：晶坯自由能随半径变化的示意图 在液相中形成半径为rk新固相晶粒时系统的自由能F0，宏观看是非自发的，但微观理论中液体内部有能量起伏，在局部有高于平均自由能的区域。 只有在rr0时不需外援，但可能性极小。 液相中存在着自由能高于平均自由能的局部区域叫能量起伏，液相中局部存在与固相结构相似的区域称之为结构起伏或短程有序，两者在空间某点的结合，就是晶粒晶核产生的条件，至于随后的晶粒

3、长大已经是自发现象了，不再叙述。2.2 非自发形核绝对纯的金属是不存在的，液体中有外来杂质的固相粒子时新相就可以在这些杂质上形成。新相表面能1S1+2S2在1S1+2S2（S1+S2）1 即：21外来质点能作为新相形成的核心的条件是结构相似，点阵常数相近。Al2O3，氧化钒可以作为铁基合金的非自发核心 3. 晶核的长大原子先堆积成足够大的原子集团（平面、1个原子厚）称2度晶核向晶粒转移，晶粒的长大也伴随着自由能的变化，也需要液体内的能量起伏等，不再论述。晶粒长大的外形一般以树枝晶形式存在，其主要原因是结晶潜热放出，使周围液体温度升高，减少了过冷度，而处于棱角处对流作用大、散热快，因此比平面处容

4、易长大，同时在结晶过程中，低熔点的杂质被排挤出来，聚集在晶粒周围的液体中，阻碍了晶粒的长大，在棱与角处因对流杂质易被冲走所以阻碍作用变小，容易长大，再就是晶格缺陷处原子容易添加上去，在棱、角处晶格缺陷较多，所以这些地方长得快些。由于以上原因，晶体在成长过程中向某个方面突入液体中而呈现出一次轴，进而在一次轴上形成分枝，即二次轴，再在二次轴上形成三次轴，依次发展，直至相邻的枝晶相遇为止（见图3）图3：树枝晶生长示意图由于杂质最后都被排挤在各树枝间，最终晶体中，枝与枝间的成分不同，枝间容易被腐蚀。所以低倍可观察到。二、钢锭的不同区域的组织及其形成原因钢锭结晶重要区域及缺陷的分布见图4。 1：表面细晶

5、区域；2：柱状晶区域； 3：中心等轴晶区域。钢锭缺陷的分布 1：缩孔；2：气泡；3：疏松；4：表面细晶区域； 5：柱状晶区域；6：中心等轴晶区域；7：沉积锥 三、铸锭组织的主要低倍缺陷1 缺陷形成的主要原因a. 结晶过程中的选分结晶 图5：铁碳相图 包晶反应，共析和共晶反应等 b. 冶炼过程中有害元素和夹杂的混入 c. 其它原因 诸如锻造不充分，切头切尾不够，热处理不当等也会造成材料的缺陷 。2、宏观缺陷的主要类型 a. 缩孔 b. 偏析带 正偏析和负偏析；V型偏析和倒V型偏析； c. 浇注时飞溅造成的溅疤、皮下气泡、重皮和裂纹等工艺缺陷 d. 疏松 e. 非金属夹杂，外来金属夹杂等 f. 裂

6、纹四、钢锭解剖实例 我国曾对一些大钢锭进行过解剖分析（国外例很多，不用），现将七十年代上重解剖的55t 钢锭实例介绍如下：材质34CrMo1A，氧化还原法碱性电炉冶炼，终脱氧Si-Ca0.5kg/t钢，Al1.1kg/t钢，出钢温度15201530，浇注温度14701480，化学成分如下，C=0.33%，Mn=0.52%，Si=0.27%，P=0.015%，S=0.008%，Cr=0.96%，Mo=0.45%，锭身高2735mm，帽口850mm，上口直1680mm，H/D=1.77，锥度10.95%。化学元素的偏析C底部负偏析区最低C=0.22%，集中缩孔下正偏析区C=0.45%，其它在型偏析

7、区C=0.370.39%，负偏析区0.220.29%。Cr的偏析与C相近但差别较小。H 钢锭锭身上、中、下进行了气体分析 上：5ppm芯部 中：4ppm 表层均在1ppm左右 下：3ppmO 在型偏析带中含量较高，平均达87ppm 芯部含氧较低在58ppm夹杂分布氧化物主要分布在钢锭上部与下部硫化物主要分布在钢锭冒口下端以及型偏析带硅酸盐主要分布在钢锭的沉积区内 五、钢锭缺陷的预防和减轻 钢锭缺陷是客观存在的，但可以在冶炼和浇注过程中采取适当的工艺措施减轻其危害程度。 尽量减少钢水中原始夹杂和气体含量，纯净钢液。 尽量减少浇注系统混入的外来夹杂。 采用真空、电渣等手段。 对锻造要求足够的切头切

8、尾，去除缩孔、正偏析带和底部沉积锥，利用率偏高和肥头大耳将使上下两部分中部分缺陷留在锻件内是报废现象中经常发生的。 六、空心钢锭的特殊要求 用空心钢锭制造的空心锻件具有如下特征： 1、最终凝固位置在近内壁1/31/4壁厚的范围内。 2、倒V形偏析容易在内侧面发生，并在此位置上有负偏析。 3、最终凝固区域的疏松较轻微，140t空心锭中最大只有2mm。 4、偏析率比实心钢锭小得多 。 由于空心钢锭容易在内壁附近产生偏析，在内部机械加工量偏大的情况下容易造成缺陷在内表面露头。压力容器内表面受力最大，在反应堆压力容器的内表面还要进行堆焊，因此使用空心钢锭在RCCM标准中需要进行最终凝固线的评定。 M2

9、111 零件采购技术规范承受强辐照的反应堆压力容器筒节用的空心钢锭制成的Mn-Ni-Mo合金钢锻件规定： 相对于筒节成品表面钢锭最后凝固点的位置应在由钢锭头部所制的锻件上寻找。 至少在相互夹角为60的六个半径方向上通过测定筒节壁厚内最高含碳量来确定该位置。 如果在每个半径方向上，最高含碳量的位置距筒节外表面的距离至多是筒节名义壁厚的75%，则不要求附加检验。第2章 锻件受力状况及其破坏类型 1. 传递扭矩的运动件：主要受力为扭转和外力（包括支撑）引起的弯矩，材料外部和内部受力是不均匀的。一般情况下是外部受力较大，破坏的裂纹源产生于外表受力集中处。这类零件主要有轴类。破坏的主要类型是疲劳破坏。疲

10、劳断口的特征：裂纹源区，扩展区（含扩展前沿线和放射形线）和快速脆性断口。 2. 结构支撑用杆类零件：主要受力为结构决定的拉力或压力，有时也有自重和支撑引起的弯矩。杆内材料受力情况比较均匀。这类零件主要有拉杆和支撑件。细长压杆将涉及压杆稳定的问题。 3. 压力容器：主要是内部受压的封闭的容器，因内部压力产生的材料应力是不均匀的，一般除了两端过度部分存在应力集中外，以内壁受力为最大。缺陷一般是在内表面产生并发展最终导致破坏。压力容器的主要破坏形式有泄露和爆炸。一般小直径管道以泄露为主，大直径管道容易产生裂纹快速扩展而导致爆炸的事故。分析手段以断裂力学为主 第3章 缺陷的检验手段 材料质量检验分破坏

11、性试验和无损检验两大类。破坏性实验是为了得到材料各方面的物理化学特性，核电各种材料或零件、设备的采购技术规格书中已有明确的规定。无损检验有表面检验和内部体积检验。表面缺陷的发现和评定一般有目视检验、液体渗透检验、磁粉检验和涡流检验。材料内部缺陷的发现和评定主要有超声波检验，涡流检验和射线照相检验等。现简单介绍如下：1. 表面目视检验 表面目视检验是很重要但也很容易被忽视。表面目视检验除专门的人员进行成品检验外，还包括在整个加工过程中注意切削过程中金属断屑是否正常，若金属切屑总在一个地方断，就应注意是否有表面缺陷的存在。成品检验时应注意零件的照明和检查时视线的角度等。仔细的目视检验应该能够发现尺

12、寸为0.5mm以上的表面缺陷。目视检验中对于开口很小的裂纹容易漏检，而这类缺陷又是绝对不允许存在的，因此，重要零件的表面检验还应进行液体渗透检验或磁粉检验。 2. 液体渗透检验 液体渗透检验能够发现几乎所有表面开口缺陷，但对于在表面没有露头的近表面缺陷没有反应。液体渗透检验比较直观，不易产生分歧。 3. 磁粉检验 磁粉检验可以发现铁磁性材料表面或近表面的缺陷，因此广泛用于钢铁材料的表面检验。但是磁粉检验不能用来进行非铁磁性材料的表面检验，因此奥氏体不锈钢和镍基合金等不能使用磁粉检验。另外，磁粉检验中的显示磁痕即磁粉的堆积，有相关与非相关之分。因此经常会成为争论的焦点。非相关磁痕是由于零件的表面

13、形状、磁化方式等其它非缺陷原因造成的磁痕，或由材料偏析或组织异常引起的磁粉堆积，非常复杂，处理原则是在未确定磁痕为非相关磁痕之前把它当作缺陷磁痕处理。必要时使用液体渗透检验确定是否开口或使用显微镜检验组织是否异常。具体分析应请制造方有关材料方面的专家参与共同研究。 4. 超声波检验 超声波检验是检验材料是否有内部缺陷的主要手段之一。因为在检验中经常需要调整灵敏度，而且是使用底波反射进行比较或调整，因此零件完全加工成形后会影响正常的超声波检验。比如螺纹、油孔、键槽、台阶等加工后会影响检验的进行，还会影响结果的判断，因此超声波检验应在制造的适当阶段进行。所谓适当阶段一般是指材料最终热处理后（因为热

14、处理有形成内部缺陷的可能）。最终热处理之前的超声波检验只能算作预先探伤，内部控制，不能作为最终检验结果。 （1） 超声波检验中的盲区 通常使用的直探头纵波检验是使用机油耦合的表面接触法检验，晶片发射的超声波在进入零件时，在表面有一个与晶片大小成比例的盲区（见下图）。在近表面的一段范围内，由于杂波较高，即使没有缺陷也有较高的反射波，有缺陷时也难以判断。不过，一般情况下从前面说明的钢锭结构来看，零件表面以及近表面处于钢锭的柱状晶带，其内部质量是比较好的，缺陷比较少。而且还可以在零件的对面进行远区探测。特殊情况下可以采取一些措施减小盲区（如使用小晶片探头）或水浸探伤等。 厚壁管道的横波检验中要注意避

15、免产生近内表面的探伤盲区。比如使用K1探头，在与切线呈45的包络线内部是探伤盲区，其中有缺陷会遗漏。因此需要计算，或使用相同尺寸的对比试块。发现有盲区时应调整入射角度或采用其它措施。 图6 探伤盲区示意图 （2） 使用6dB方法测量缺陷的大小 使用6dB方法测量缺陷的大小是基于将缺陷当成是平底孔来进行的。一般是假设缺陷较大，晶片发射的所有射线被缺陷反射回来，这时反射波最高。然后移动晶片，当一部分发射波脱离缺陷时反射波降低，当晶片中心移动到缺陷边缘时，晶片发射波的一半反射回来，反射波幅度为原来的一半，正好是6dB。由此确定缺陷的边缘和尺寸。使用该方法确定的缺陷尺寸小于或等于晶片尺寸时，测量的结果

16、是错误的，必须使用其它方法确定缺陷的大小。或说明缺陷较小，只使用平底孔当量而不计其尺寸。 另外对于平底孔，6dB方法可以用来比较缺陷的大小，增加6dB缺陷的当量面积就扩大到原来的2倍，当量直径就增加到原来的根号2倍。这种评价方法绝对不能用于其它场合。在以长横孔为基准时，以上所有内容均不正确，6dB可以使缺陷的当量直径扩大达16倍。这些在缺陷的计算和评价时应特别注意。焊缝的超声波检验所用对比试块就是长横孔，判断计算一定要经过公式计算，不能按经验估计。 超声波检验很灵敏，特别是对于裂纹，可以用多种方法进行确认。试验方法和设备也相对简单，但对于缺陷的定性有一定的难度。细小夹杂物、晶粒粗大、疏松等缺陷的草状波有时难以分辨。再加之