淺析鋼材的內(nèi)部缺陷及其對熱處理工藝和性能的影響

張坤

【摘 ?要】鋼是最廣泛用于制造機(jī)械零件的金屬材料，鋼經(jīng)冶煉、鑄造、開坯、軋制或連鑄連軋成材，其表面和內(nèi)部均可能存在一些缺陷，通過對鋼材內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生原因、其對熱處理工藝的實施和零件性能的影響以及如何進(jìn)行預(yù)防和補(bǔ)救進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】鋼材;缺陷;預(yù)防措施

金屬材料熱處理技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域的重要分支之一，熱處理工藝是提高零件性能、挖掘材料潛力的關(guān)鍵技術(shù)。而熱處理生產(chǎn)實踐中，長期以來一直以熱處理基本理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗型設(shè)計來指導(dǎo)生產(chǎn)，重復(fù)性差、效率低、技術(shù)人員勞動強(qiáng)度大的弱點逐步顯現(xiàn)。

一、材料的鍛造比不足

金屬材料的鍛造比即鍛造時的變形程度，通常用變形前后的截面比、長度比或高度比來表示。鍛件鍛造成形時在立體的三個方向都發(fā)生變化，常以最大變化方向的變形比來度量。這里需要特別注意的是，與鍛件不同，鋼材的鍛造比是指鋼材的橫斷面積與鋼錠的橫斷面積的比值。不論是鑄錠開坯、軋成材，還是連鑄連軋成材，由于鋼液的結(jié)晶規(guī)律，材料內(nèi)存在結(jié)晶區(qū)以及一些缺陷。為了克服這些缺陷的不良影響，就要有足夠的鍛造比，以便較徹底地打碎樹枝狀結(jié)晶和粗大柱狀結(jié)晶，使其細(xì)化并沿主伸長方向分布;并將鑄錠中的疏松、氣孔、縮孔等缺陷鍛合而使組織細(xì)密，充分減輕偏析和破碎夾雜物等使組織趨于均勻，使鋼材性能得以改善。在鍛造過程中，在一定的范圍內(nèi)隨著鍛造比的增加，金屬的力學(xué)性能顯著提高，這是由于組織致密程度和晶粒細(xì)化程度提高所致。

二、鋼材的內(nèi)部缺陷

內(nèi)裂一般是指原材料中的白點、縮管殘余及軸心晶間裂紋等缺陷，由于它們的存在或在后續(xù)加工時內(nèi)裂發(fā)生變化，都會對機(jī)械零件的可靠性造成嚴(yán)重威脅。

1、白點。白點又稱發(fā)裂，是鋼中的內(nèi)裂，是一種不允許存在的缺陷。白點常常是在大鍛件冷卻至室溫后幾小時、幾十小時甚至更長時間后產(chǎn)生的，橫向試片經(jīng)浸蝕后可觀察到直的、細(xì)小彎曲的裂紋，在與裂紋垂直的方向折斷，可發(fā)現(xiàn)斷口上有呈銀白色的圓形或橢圓形斑點，這是裂紋的一個側(cè)面。檢查白點最好在淬火狀態(tài)下折斷，以免試樣折斷時由于塑性變形而使白點失真。關(guān)于白點的產(chǎn)生機(jī)制，不同的學(xué)派有不同的看法，其中之一認(rèn)為，氫是產(chǎn)生白點的關(guān)鍵因素，而巨大的內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生白點的另一重要原因，即鋼錠中未逸出的氫原子聚集在顯微空隙中并成分子狀態(tài)時，由于體積膨脹而使鋼產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在熱壓力加工過程中的變形力以及隨后冷卻過程中熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生的相變應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)致材料內(nèi)部局部開裂白點，宏觀上表現(xiàn)為由工件內(nèi)部向外呈輻射狀分布，或者沿壓力加工變形流向俗稱流線分布的細(xì)而短的多條細(xì)裂紋;在其縱向斷口上則呈銀白色橢圓形斑點。由于白點的出現(xiàn)往往有成批性，因此也有人稱白點是鋼材的癌癥。有些含鎳、鉬的鋼種對白點的生成比較敏感，被稱之為白點敏感性鋼，例如5CrNiMo、5CrMnMo 等，有時也會在中碳鋼如45 鋼中出現(xiàn)。WNr2713230mm 棒材中白點的橫向低倍照片。白點的存在導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能顯著惡化而無法使用;有白點的鍛件熱處理時易發(fā)生開裂，或在加工使用中突然出現(xiàn)內(nèi)部裂紋，使鍛件報廢。白點降低鋼的塑韌性和零件的強(qiáng)度，是應(yīng)力集中點，在交變載荷的作用下，很容易變成疲勞裂紋源而導(dǎo)致疲勞破壞。所以鍛件中絕對不允許有白點存在。一旦發(fā)現(xiàn)鍛件有白點，也可再以一定的鍛造比重新鍛造，使白點焊合。

2、縮孔殘余。一般是由于鋼錠冒口部分的縮孔未切除干凈，開坯和軋制時殘留在鋼材內(nèi)部而產(chǎn)生的?？s孔殘余附近區(qū)域一般會出現(xiàn)密集的夾雜物、疏松或偏析，在橫向低倍下呈有不規(guī)則皺折的縫隙，鍛造或熱處理時易引起鍛件開裂。

3、軸心晶間裂紋。軸心晶間裂紋是在鋼錠凝固過程中產(chǎn)生的。由于低碳鋼凝固時兩相區(qū)狹窄，結(jié)晶速度快，錠心最后凝固前鋼液補(bǔ)充不足，晶間易形成這種顯微裂紋。當(dāng)金屬冷卻凝固時的收縮應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限時，即產(chǎn)生晶間裂紋，這也與鑄件的形狀結(jié)構(gòu)和鑄造工藝有關(guān)。另外金屬材料中一些開裂敏感性雜質(zhì)含量較高時也會導(dǎo)致這種缺陷的產(chǎn)生，如硫含量較高時有熱脆性，磷含量較高時有冷脆性。鋼錠中的軸心晶間裂紋如不能在后續(xù)的開坯鍛造過程中被鍛合，將留在鍛件中成為鍛件的內(nèi)裂紋。軸心晶間裂紋的出現(xiàn)破壞了鋼的連續(xù)性，雖然強(qiáng)度變化不大，但使斷面收縮率和斷后伸長率顯著降低，因此是一種不允許存在的缺陷。

三、鋼材的內(nèi)部缺陷措施

1、縮孔與疏松。鑄件或鋼錠冷卻凝固時，體積要收縮，在最后凝固的部分因得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充而會形成空洞狀的缺陷。大而集中的空洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的空隙則稱為疏松，一般位于鋼錠或鑄件中心區(qū)域最后凝固的部分，其內(nèi)壁粗糙，周圍多伴有雜質(zhì)和細(xì)小的氣孔。由于熱脹冷縮規(guī)律，縮孔是必然存在的，只是隨加工工藝、處理方法不同而有不同的形態(tài)、尺寸和位置，當(dāng)其延伸到鑄件或鋼錠本體時就成為缺陷鋼錠在開坯鍛造時如果沒有將氣孔全部切除而帶入鍛件中就成為縮孔殘余。如果鑄件的型模設(shè)計不當(dāng)、澆注工藝不當(dāng)，也會在鑄件與型模的接觸部位產(chǎn)生疏松。關(guān)于縮孔。鋼液凝固時，由于體積收縮，在冒口端一般都存在縮孔。形成原因是鋼錠凝固時體積收縮部分得不到及時補(bǔ)充，致使中心區(qū)形成宏觀空洞?？s孔是一種不允許的缺陷，一般可通過反復(fù)鍛打加以消除;如有足夠的加工余量，也可在后期加工中切除。關(guān)于疏松。鋼錠在凝固過程中，由于晶枝之間的熔體最后凝固而收縮以及釋放出氣體，導(dǎo)致產(chǎn)生許多細(xì)小孔隙而造成的不致密性，稱為疏松。疏松不僅降低鋼的強(qiáng)度，引起應(yīng)力狀態(tài)的改變和應(yīng)力集中效應(yīng)，而且還會形成淬火軟點及開裂。疏松一般可通過熱加工來消除或改善。

2、帶狀組織。經(jīng)熱壓力加工的鋼錠，沿軋制方向可能出現(xiàn)交替層狀分布的組織，稱為帶狀組織，帶狀組織實質(zhì)上是復(fù)相合金中的各個相，如鐵素體和珠光體或奧氏體、貝氏體、馬氏體、碳化物及夾雜物在鍛件中呈帶狀分布的一種組織，多出現(xiàn)在亞共折鋼、奧氏體鋼和半馬氏體鋼中，使鋼的橫向塑性、韌性明顯降低，嚴(yán)重時還會影響切削加工性能。帶狀組織主要是因鋼錠中的樹枝狀偏析和夾雜物，在進(jìn)行熱壓力加工時被拉長所致。合金鋼由于樹枝狀偏析較嚴(yán)重，所以容易形成帶狀組織。帶狀組織使金屬性能出現(xiàn)明顯的各向異性，尤其對橫向性能極為不利，不僅降低金屬的強(qiáng)度，而且還降低塑性和沖擊韌度，特別是降低疲勞強(qiáng)度。此外還使鋼易產(chǎn)生鍛造裂紋、熱處理裂紋和畸變。樹枝狀偏析引起的輕微的帶狀組織可以通過正火來消除，稍嚴(yán)重的合金元素偏析引起的帶狀組織，可進(jìn)行高溫擴(kuò)散退火予以改善。高碳合金鋼的帶狀碳化物偏析，采用高溫擴(kuò)散退火只能有所改善，但不能完全消除，只能通過鍛造時反復(fù)鐓粗、拔長的方法來減輕。對于夾雜物引起的帶狀組織不能采用上述方法消除或改善。過燒是金屬在熱壓力加工過程中加熱溫度過高，除了會產(chǎn)生與過熱相似的粗大晶粒和魏氏組織以外，最主要的特征是將發(fā)生晶界氧化及低熔點成分熔化，破壞了晶粒間的結(jié)合力，使金屬喪失塑韌性，在繼續(xù)變形時即會開裂。零件一旦產(chǎn)生過燒只能報廢。

總之，鋼材的內(nèi)部缺陷是造成零件熱處理畸變、開裂的重要原因，會造成零件力學(xué)性能及其他性能降低，甚至使零件報廢。因此，應(yīng)當(dāng)針對其產(chǎn)生的原因，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，避免這種缺陷的出現(xiàn)。一旦發(fā)現(xiàn)材料有內(nèi)部缺陷，應(yīng)盡可能加以補(bǔ)救，以減少損失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何群雄，孫時秋.鋼中非金屬夾雜物含量的測定—標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法介紹[J].理化檢驗，2017，43（1）.

[2] 呂士忠.鋼中夾雜物的來源及性質(zhì)研究[D].湖南.中南大學(xué)（碩士學(xué)位論文）.2016.

[3] 劉富軍，劉年富，廖衛(wèi)團(tuán).帶狀組織對低碳微合金鋼性能的影響及控制[J].南方金屬，2015，（1）：7-10.

[4] 劉云旭.淺談低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[J].金屬熱處理，2016，（12）：1-3.

（作者單位：南鋼寬厚板廠）