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1、钢的缺陷金相组织一、概述由于钢锭或铸坯在凝固时选择结晶的结果,使得钢材 在冶炼、轧制、热加工过程中,易形成各种组织缺陷。钢的组织缺陷是指需利用金相显微镜析验才能判别的 显微组织缺陷,它和宏观分析的不同之处在于放大倍数( 宏观,肉眼或20倍以下;微观,501000倍),首先简介 一下金相试样的制备过程,然后简略的介绍一下钢中常见 的几种组织缺陷,如:带状组织,带状碳化物,网状碳化 物,碳化物液析,钢中的非金属夹杂物,过热,过烧组织 等。正确判断钢中的各种组织缺陷,以及形成原因,和为 防止或消除这些组织缺陷应采取的措施是十分重要的工作 。二、金相试样的制备由于金属对一般的光线是不透明的,所以显微分
2、析要 用经过特殊制备的试样,利用反射光线在显微镜下观察。 n1、取样取样的部位及磨面要根据被检验钢材的特点,加工 工艺及研究的目的而进行选择。所取的试样必须有代表性 ,能充分代表被检验金属材料的组织特点。如:钢中非金 属夹杂物含量,不仅各炉之间不同,同一炉的不同钢锭之 间也不同,而且相同钢锭不同部位也不相同。所以在一批 钢中应适当选择足够数量有代表性的试样。如:GB10561 -2005标准规定取样方法:直径或边长大于40mm的钢棒或钢坯,检验面为 钢材外表面到中心的中间位置的部分径向界面。(图1)直径或边长大于25mm,小于或等于400mm的钢 棒或钢坯,检验面为通过直径的界面的一半(由试样
3、中心 到边缘)(图2)直径或边长小于或等于25mm的圆棒,检验面通 过直径的整个界面,其长度应保证得到约200mm2的检验 面积(图3)如果观察材料的变形程度,晶粒拉长的程度和带状组 织等,应平行于轧制方向上截取纵向试样。而观察氧化脱 碳和表面渗碳处理的组织,则磨面应该在横截面上。 2、磨样试样截取之后先粗磨,一般用砂轮磨平,注意用水冷 却,防止温度过高组织发生变化。细磨是为了消除粗磨时留下的磨痕,为抛光工序作准 备。抛光的目的是为了消除试样细磨留下的细磨痕,获得 光亮无痕的镜面。3、试样磨面的侵蚀除观察试样中的缺面(裂纹、气孔等)和非金属夹杂 物的数量、大小、形状和分布外,一般都要用化学、物
4、理 等方法进行组织显示才能观察。一般利用化学侵蚀,它是 通过化学或化学作用显示金属的组织。纯金属及单相金属的侵蚀是一个化学溶解过程,由 于晶界上原子排列的规律性差,具有较高的自由能,所以 晶界处较易侵蚀呈凹陷。若侵蚀较浅,由于垂直光线在晶 界上的反射作用,在显微镜下可显示出纯金属或固溶体的 多面体晶粒。若侵蚀较深,则在显微镜下可显示出明暗不 一的晶粒,这是由于晶粒的位向不同,溶解度亦有差异, 侵蚀后的显微平面和原子平面的角度不同,在垂直光线作 用下,反射光线方向各异,显示明暗不一。三、显微组织缺陷观察1、带状组织在经热加工的亚共析钢显微组织中,铁素体与珠光体 沿压延变形方向交替成层状分布的组织
5、称为带状组织。带状组织使钢的机械性能产生各向异性,即沿着带状 纵向的强度高,韧性好,横向的强度低,韧性低。此外, 带状组织的工件热处理时易产生变形,且使得硬度不均匀 。归纳形成带状组织的原因,其外因为压延,其内因为钢锭 的磷、硫的偏析和夹杂物(见图4,MnS夹杂形成的带状)带状组织不能用退火的方法来消除,应用正火的方法 来减轻或消除。n2、带状碳化物在钢的凝固过程中,由于成分偏析,使含有较高碳 和合金元素的钢内出现共晶碳化物,它在热加工过程中随 着变形、延伸呈带状分布,称为带状碳化物,或称碳化物 不均匀性。碳化物不均匀性除受化学成分影响外,还与钢的冶 炼方法,浇注温度,钢锭的几何形状,钢锭的大
6、小,钢锭 的冷却速度以及成材时的变形程度有关。高速钢、铬轴承钢、高鉻钢等钢种,出现带状碳化 物的几率比较多。(如图5,GCr15钢的带状组织;图6, Cr12MoV钢的带状碳化物)带状碳化物使工件脆性增大,加工成模具易产生崩 刃、断裂,在热处理过程中,带状碳化物外的贫碳区域, 容易造成加热时的过热。此外带状碳化物使工件在淬火时 产生较大的变形,还可能导致淬火裂纹。反复锻造,可以改变碳化物不均匀性的程度。3、网状碳化物网状碳化物实际上亦是碳化物不均匀的另一种形式 。在含碳量不大于0.77%的碳工具钢,合金工具钢,鉻 轴承钢等钢种,在热加工冷却过程中,碳化物沿晶界呈网 状析出,故称为网状碳化物。形
7、成网状碳化物的原因是由于钢材在热轧或退火过 程中,因加热温度过高,保温时间太长,造成奥氏体晶粒 的粗大,并在缓慢冷却过程中,碳化物沿晶界析出,形成 网状分布的碳化物。同样,在热加工的终止温度较高,在 随后的缓冷过程中亦形成网状碳化物。网状碳化物的存在,将使钢的机械性能显著降低, 尤其是冲击韧性下降,脆性增大,做成的工模具易在使用 过程中崩刃或开裂。析验网状碳化物时,试样应经淬火、回火处理并深 侵蚀,腐蚀过轻、过重均不能正确反应网状组织。4、碳化物的液析某些高合金工具钢,在凝固过程中,由于碳和合金 元素的偏析,从液态中析出碳化物,这种碳化物在往后一 般加工过程中不被消除,它的链状,块状,或条状沿
8、钢的 轧制方向存在。形成碳化物液析原因是由于熔炼时钢液过热,浇注 温度偏高,钢锭冷却缓慢等因素造成。在GCr15、CrWMn、CrMn钢中,容易产生碳化物液 析。碳化物液析存在,切割了金属基体,使钢的脆性增大 。在热处理时容易产生淬火裂纹,并使工件在使用过程中 由于碳化物的剥落而成为磨粒磨损或形成疲劳破坏的发源 地,故其存在有较大的危险性。防止及减轻方法:采用合理的定型设计,适当降低 浇注温度并加快冷却速度,对已产生的碳化物液析,可进 行高温均热或扩散退火的办法进行补救。如GCr15细钢锭 可先于1230加热,然后再进行开坯轧制。5. 非金属夹杂物非金属夹杂物就是指存在于钢中的金属或非金属化合
9、 物,在钢铁材料中一般都含有非金属夹杂物。钢中非金属夹杂物的来源通常可以分为两类,一类是 外来的非金属夹杂物,指在冶炼、浇注过程中的炉渣及耐 火材料浸入剥落后进入钢液中形成的。另一类是内在的非 金属夹杂物,即在冶炼及浇注过程中物理化学反应的生成 物,如氧化物、硅酸盐、硫化物等。通常存在于钢中的非金属夹杂物大致有这样几种:1、氧化物:常见的有Al2O3、Cr2O3等。用Al脱氧时易产 生高硬度的Al2O3脆性夹杂,在热加工时它不易变形,总 是沿着加工压延方向呈多角形颗粒排列成条状分布。2、硫化物:硫化物夹杂具有塑性,在钢材中呈条状形态 。3、硅酸盐:钢中的硅酸盐夹杂的成分比较复杂。硅酸盐 夹杂物
10、经过热加工后一般沿着变形方向延伸,外形粗糙, 不光滑。4、氮化物:常见的有TiN、Ti(NC)等,它在钢中多呈一定 规则的几何形状,如方形、矩形、六角形、条形。在明场 下具有粉红的色泽。 5、点状不变形。近代随着精炼技术的开发,钢的“洁净度”大大提高 ,然而还无法完全避免钢中内生夹杂物的产生。非金属夹 杂物降低钢的塑性、韧性和疲劳性能,使钢的冷热加工性 能乃至某些物理性能变坏。但是,夹杂物的相并不总是损 害钢的性能,有时甚至还能改善钢的性能。如含S钢,可 改善切削加工性能。6. 过热过烧组织钢材过热一般是指加热时由于超过正常加热温度引 起韧性下降的一种现象。碳素钢过热的金相特征是出现魏 氏组织
11、。魏氏组织的出现往往伴随有粗大的奥氏体晶粒, 因此,魏氏组织将造成钢的机械性能尤其是冲击韧性下降 ,严重的将造成零件在使用过程中的脆性断裂。一般钢的 魏氏组织可以通过热处理(正火处理)手段来加以矫正。 但是有这样一种情况不可逆转,即锻件由于炉温过高,除 了出现上述的过热的组织特征外,还会产生硫化物向A体 的固溶以及在冷却时沿境界的再析出。这种过热区别于一般过热,可称之为稳定过热或锻 造过热。这是因为已经过热的成形锻件,不可能也不允许 再次加热到锻造温度并通过再度变形来改善硫化物的分布 形态了,同时由于硫化物沿晶界的析出是十分细小的,容 易被忽视,但是由于它的存在破坏了晶粒间的紧密结合, 使断面脆性增加,常会导致零件的突然断裂。过烧,一般是由于加热温度过高,或在高温下停留 时间过长,除出现魏氏组织外,同时发现粗大的晶粒边界 被烧熔而氧化,破坏了金属基体的连续性,这种现象称为 过烧。表面过烧在条件许可(足够的加工余量)的情况下 可以用机械加工除去,一般无法改正。因此,过烧是不允 许的缺陷,一般只能做废品处理。