常见金属材料缺陷及危害

1、第八节 常见钢铁材料缺陷和危害一、铸造缺陷（一）气孔或气泡金属在冷凝过程中，由于溶解度的降低，致使部分气体来不及析出而残留到铸件内部便形成了气孔。气体的来源：气体的溶解度随金属温度的降低而降低，液态金属中溶解的过饱和气体将析出；钢液内部或型（芯）壁面与液态金属发生化学反应生成的气体；型壁或芯壁面上存在的气体侵入；浇铸过程中产生的气体卷入液态金属中。气孔或气泡类型：皮下气泡、表面气孔、内部气孔、针孔，形貌见图1-32、1-33。气孔的危害：气孔的存在减少了铸件的有效截面，而且由于缺口效应，大大地降低了材料的强度，如果铸件表面存在气孔，在热加工中被氧化，将导致在后续的加工工序中产生裂纹。图1-32

2、 皮下气泡宏观形貌图 1-33 皮下气泡微观形貌 100×（二）疏松铸件与钢锭内部因凝固时体积收缩而引起的细小孔隙或组织不致密现象，称为疏松。微观下疏松有晶间疏松和枝间疏松之分，宏观下疏松分为一般疏松和中心疏松，二者在本质上没有区别，只是分布状态不同。疏松的存在使金属致密性变差，用作液体容器或管道的铸件易出现渗漏。钢材内部的疏松在压力加工过程中有可能被焊合或有很大程度的改善，但严重时则不易消除，会降低材料的力学性能，以致在使用过程中发生断裂。（三）缩孔金属在冷凝过程中，由于体积的收缩而在铸锭头部、铸件浇冒口、铸件心部等最后凝固部位得不到液态金属的补充而形成的孔洞称为缩孔，见图1-34

3、。缩孔是金属结晶时最后凝固的区域，形状特征有漏斗形、喇叭状及不规则的孔洞，其附近低熔点杂质富集，常伴有严重的疏松、夹杂物和成分偏析。有时缩孔也可能深入到钢锭中部，形成二次缩孔。缩孔的存在将显著降低材料的力学性能，甚至在使用过程中引起断裂或其他事故；有缩孔存在的钢锭如果未完全切除或热加工未能良好焊合，在后续加工中会导致其他缺陷，如分层、缩孔残余等。缩孔残余见图1-35。图图1-34 缩孔缺陷 图1-35 缩孔残余（四）夹杂物夹杂物可分为非金属夹杂物、非金属夹渣和异金属夹杂。人们习惯把非金属夹杂物称作内生夹杂物，把非金属夹渣和异金属夹杂称作外来夹杂物。1非金属夹杂物金属在冶炼、浇铸和冷却等过程中，

4、各成分之间或金属与炉气、容器等接触所引起的化学反应而形成的产物，以及金属在冷凝或温度下降时因溶解度减小等原因析出的颗粒，称为非金属夹杂物。它的组成除了与冶炼方法有关外，更主要的取决于脱氧方法，改进冶炼工艺只能减少非金属夹杂物的组成和数量，但不能完全消除。钢中非金属夹杂物见图1-36。2非金属夹渣钢在冶炼时的熔炼渣和浇注时钢水对炉衬、盛钢桶的侵蚀以及对浇道的冲刷使得耐火材料落入钢液中所致。3异金属夹杂冶炼时操作不当，合金未完全熔化或外来异金属块落入浇道未完全熔化完所致。管体表面异性金属夹杂见图1-37。夹杂物的危害取决于组分、数量、形态、大小和分布，它破坏了金属的连续性，容易形成应力集中，造成零

5、件开裂或疲劳损坏，主要降低材料的塑性。图1-36 变形破碎的非金属夹杂物 100× 图1-37 管体表面异性金属夹杂宏观形貌（五）偏析金属在冷凝过程中，由于各组元先后凝固顺序不同而形成的化学成分不均匀现象，称为偏析。最常见的宏观偏析有锭型偏析和点状偏析，微观偏析有晶内偏析（枝晶偏析）和晶间偏析，枝晶偏析低倍形貌见图1-38。偏析会造成材料性能不均匀或产生脆性，但偏析往往是难免的，适当的控制冷凝速度可以使偏析程度得到改善，还可以通过采用一定的热处理工艺加以改善和消除。图1-38 低倍枝晶偏析 图1-39 锻造裂纹二、锻造与轧制缺陷（一）锻造裂纹锻件在加热或锻造过程中，由于加热速度过快产

6、生热应力、加热时保温时间、产生不均匀变形或存在内部缺陷等原因，导致锻件发生开裂，称为锻造裂纹。见图1-39。锻件出现裂纹后，必须将裂纹打磨清除掉才可以进行后续热处理。（二）折叠材料表面金属在锻、轧时压入内部浅表层，形成的缺陷称为折叠。折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合在一起而形成的，是金属产生非均匀变形所致，通常与原材料表面缺陷、坯料的形状、模具的设计、成型工序的安排、润滑情况及锻造操作等有关。折纹与金属流线方向一致，尾部一般呈一定弧度或小圆角，两侧会出现氧化脱碳现象，它使材料的整体连续性遭到破坏，超过加工余量的折叠缺陷是不允许的，见图1-40、图1-41。图1-40 锻造折叠 100

7、× 图1-41 锻造折叠 50×（三）划痕由于机械损伤造成零件或坯料表面呈一定深度的道痕或凹坑，称为划痕。划痕缺陷一般比较直，长度不等。表面有划痕的型材进行轧制时易产生细小的裂纹，受压的薄板材容易在划痕处产生应力集中，耐压容器是不允许有严重划痕存在的。（四）带状组织金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。在亚共析钢中（多见于低碳钢热轧后），珠光体和铁素体呈带状分布，过共析钢在加工变形量较大的情况下，碳化物也能堆积成带状。16Mn热轧状态带状组织见图1-42。带状组织是成分偏析和热加工工艺不当两个原因造成的，钢材出现带状组织使力学性能出现方向性。图1

8、-42 带状组织 100× 图1-43 脱碳层组织 100×三、加热过程中的缺陷（一）氧化钢在氧化性介质中加热时，与氧原子形成氧化铁的现象。氧化使工件尺寸变小，表面过厚的氧化皮影响淬火冷却速度，达不到应有的淬火效果，使硬度降低。（二）脱碳钢在高温加热时，表层的碳浓度被氧化而导致含碳量降低的现象。加热温度越高，时间越长，脱碳现象越严重。减轻和防止脱碳的办法是在盐浴炉中加热或采用保护气氛加热、真空加热、表面涂层保护加热等。脱碳层形貌见图1-43。脱碳会造成钢淬火后硬度不足，疲劳强度降低，容易形成表面淬火裂纹，氧化与脱碳往往相互伴随。（三）欠热又称加热不足，是加热温度过低或者加热

9、时间过短造成的缺陷。欠热会在亚共析钢淬火组织中出现铁素体，造成硬度不足；在过共析钢淬火组织中会存在过多的未溶渗碳体，因碳浓度不够而硬度不足，并且由于奥氏体中合金元素浓度不够高，从而影响淬透性；正火时因欠热不能完全消除网状组织或带状组织；球化退火时因欠热组织中会残存粗片状珠光体。欠热可通过退火或正火来矫正。（四）过热钢材过热是一种热加工缺陷，引起的原因是在加热过程中，由于加热温度过高或加热时间过长，造成奥氏体晶粒明显长大、组织粗化出现魏氏组织等。钢材不严重的过热可通过退火或正火来矫正。钢材过热降低钢的强度或影响不明显，但是显著降低钢的塑性和韧性，使脆性增大；出现过热后，在淬火过程中会导致发生开裂

10、。（五）过烧钢材过烧是由于加热温度过高达到或接近固相线温度所致，除具有过热特征外，还出现奥氏体晶界氧化或局部熔化的现象，致使零件报废，过烧是无法挽救的缺陷。40钢过烧组织见图1-44。图1-44 40钢过烧组织 200×钢材过烧导致晶界结合强度弱化，脆性增加，使力学性能严重下降，在锻、轧塑性变形加工中极易发生开裂。四、淬火冷却时的缺陷（一）淬火裂纹在淬火冷却过程中，由于热应力和组织应力过大，导致零件发生开裂，称为淬火裂纹。其特征是裂纹两侧没有氧化脱碳现象，裂纹多由外向内扩展，裂纹起始于尖角或形状尺寸突变处及各种缺陷处，尾部尖锐。淬火裂纹外观形貌见图1-45。图1-45 零件表面淬火裂

11、纹引起淬火裂纹的因素很多，概括起来主要有：1化学成分的影响：一般来说，钢的含碳量越高，越容易产生淬火裂纹；合金元素Cr、Mn及杂质元素P促进淬火裂纹的形成。2原材料的影响：原材料中存在非金属夹杂物、气泡、白点、偏析、粗大第二相等，易引起淬火裂纹。3淬火前组织的影响：晶粒粗大、工具钢碳化物偏析或脱碳、存在网状碳化物，易引起淬火裂纹。4零件形状结构的影响：截面急剧变化或有尖角、缺口、孔洞、槽口、模型界线飞边、冲压标记、刻痕、加工刀痕等，易引起淬火裂纹。5淬火介质的影响：淬火介质冷却能力越强，越容易产生淬火裂纹。6淬火温度的影响：淬火温度越高，越容易产生淬火裂纹。裂纹的存在降低了材料实际承载能力，裂

12、纹的失稳扩展导致断裂发生，造成事故，裂纹是一种具有严重危害性的缺陷。（二）淬火变形淬火时由于应力和相变引起的体积变化导致零件尺寸或形状发生改变称为淬火变形。淬火变形件内部往往存在着应力或不稳定的组织，如不消除将影响成品零件尺寸的稳定，淬火变形缺陷较难避免，过量的变形是不允许的。（三）淬火硬度不足淬火后零件没有达到应有的硬度要求。造成淬火硬度不足的原因主要有：1加热温度低，保温时间短，致使碳和合金元素没有充分溶入奥氏体内，组织中存在未溶铁素体（亚共析钢）或较多未溶碳化物（过共析钢），淬火后马氏体数量不足，造成淬火硬度不足。2表面脱碳，此时磨去表层后，硬度比表面高。3冷却速度不够，工件在淬火冷却过

13、程中发生或部分发生了奥氏体向珠光体、屈氏体、贝氏体转变，即出现非马氏体组织，此时淬火工件不能得到正常数量的马氏体组织，造成硬度不足。4过共析钢加热温度过高，保温时间过长，奥氏体中溶有过量的碳或合金元素，使马氏体转变点Ms大大下降，淬火后残余奥氏体增多，降低硬度。（四）淬火硬度不均匀产生淬火硬度不均匀的原因主要有：1淬火前组织不均，如有严重的偏析等。2淬火时淬火介质搅动不够。3淬火介质中有杂质，如水中有油等。4工件表面状况不一致，如有氧化皮等。5渗碳件表面碳浓度不均。6炉温不均匀或工件摆放不合理等。五、其它缺陷（一）回火脆性通常情况下，淬火后钢的韧性随回火温度的升高而连续升高，某些成分钢淬火后在

14、特定的温度范围内回火或回火后缓冷，韧性反而降低，出现脆性的现象，称为回火脆性。通常应该避开回火脆性温度区间回火，冷却时在回火脆性温度区间采用快速冷却。1低温回火脆性发生在（250400）之间的回火脆性称为低温回火脆性，也称为第一类回火脆性。低温回火脆性是不可逆的，几乎所有的钢都存在这种脆性，它的产生原因是在此温度回火时，从马氏体中析出的碳化物在马氏体条束之间的界面上或晶界上析出，这种硬而脆的碳化物割裂了基体的连续性，使韧性下降。同时，在此温度区间发生的残余奥氏体的分解也加重了这种脆性。另外，也与S、P、Sb等有害元素在晶界、相界上的聚集有关。2高温回火脆性发生在（450600）之间的回火脆性称为高温回火脆性，也称为第二类回火脆性。高温回火脆性多发生含Ni、Cr、Mn的钢中，它是可逆的，如将已产生回火脆性的工件重新加热，