浅析钢材的内部缺陷及其对热处理工艺和性能的影响

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　　【摘  要】钢是最广泛用于制造机械零件的金属材料，钢经冶炼、铸造、开坯、轧制或连铸连轧成材，其表面和内部均可能存在一些缺陷，通过对钢材内部缺陷的产生原因、其对热处理工艺的实施和零件性能的影响以及如何进行预防和补救进行分析。
　　【关键词】钢材;缺陷;預防措施
　　金属材料热处理技术是机械制造领域的重要分支之一，热处理工艺是提高零件性能、挖掘材料潜力的关键技术。而热处理生产实践中，长期以来一直以热处理基本理论为基础的经验型设计来指导生产，重复性差、效率低、技术人员劳动强度大的弱点逐步显现。
　　一、材料的锻造比不足
　　金属材料的锻造比即锻造时的变形程度，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。锻件锻造成形时在立体的三个方向都发生变化，常以最大变化方向的变形比来度量。这里需要特别注意的是，与锻件不同，钢材的锻造比是指钢材的横断面积与钢锭的横断面积的比值。不论是铸锭开坯、轧成材，还是连铸连轧成材，由于钢液的结晶规律，材料内存在结晶区以及一些缺陷。为了克服这些缺陷的不良影响，就要有足够的锻造比，以便较彻底地打碎树枝状结晶和粗大柱状结晶，使其细化并沿主伸长方向分布;并将铸锭中的疏松、气孔、缩孔等缺陷锻合而使组织细密，充分减轻偏析和破碎夹杂物等使组织趋于均匀，使钢材性能得以改善。在锻造过程中，在一定的范围内随着锻造比的增加，金属的力学性能显著提高，这是由于组织致密程度和晶粒细化程度提高所致。
　　二、钢材的内部缺陷
　　内裂一般是指原材料中的白点、缩管残余及轴心晶间裂纹等缺陷，由于它们的存在或在后续加工时内裂发生变化，都会对机械零件的可靠性造成严重威胁。
　　1、白点。白点又称发裂，是钢中的内裂，是一种不允许存在的缺陷。白点常常是在大锻件冷却至室温后几小时、几十小时甚至更长时间后产生的，横向试片经浸蚀后可观察到直的、细小弯曲的裂纹，在与裂纹垂直的方向折断，可发现断口上有呈银白色的圆形或椭圆形斑点，这是裂纹的一个侧面。检查白点最好在淬火状态下折断，以免试样折断时由于塑性变形而使白点失真。关于白点的产生机制，不同的学派有不同的看法，其中之一认为，氢是产生白点的关键因素，而巨大的内应力是产生白点的另一重要原因，即钢锭中未逸出的氢原子聚集在显微空隙中并成分子状态时，由于体积膨胀而使钢产生较大的内应力，在热压力加工过程中的变形力以及随后冷却过程中热应力和组织转变时产生的相变应力的共同作用下，导致材料内部局部开裂白点，宏观上表现为由工件内部向外呈辐射状分布，或者沿压力加工变形流向俗称流线分布的细而短的多条细裂纹;在其纵向断口上则呈银白色椭圆形斑点。由于白点的出现往往有成批性，因此也有人称白点是钢材的癌症。有些含镍、钼的钢种对白点的生成比较敏感，被称之为白点敏感性钢，例如5CrNiMo、5CrMnMo 等，有时也会在中碳钢如45 钢中出现。WNr2713230mm 棒材中白点的横向低倍照片。白点的存在导致钢的力学性能显著恶化而无法使用;有白点的锻件热处理时易发生开裂，或在加工使用中突然出现内部裂纹，使锻件报废。白点降低钢的塑韧性和零件的强度，是应力集中点，在交变载荷的作用下，很容易变成疲劳裂纹源而导致疲劳破坏。所以锻件中绝对不允许有白点存在。一旦发现锻件有白点，也可再以一定的锻造比重新锻造，使白点焊合。
　　2、缩孔残余。一般是由于钢锭冒口部分的缩孔未切除干净，开坯和轧制时残留在钢材内部而产生的。缩孔残余附近区域一般会出现密集的夹杂物、疏松或偏析，在横向低倍下呈有不规则皱折的缝隙，锻造或热处理时易引起锻件开裂。
　　3、轴心晶间裂纹。轴心晶间裂纹是在钢锭凝固过程中产生的。由于低碳钢凝固时两相区狭窄，结晶速度快，锭心最后凝固前钢液补充不足，晶间易形成这种显微裂纹。当金属冷却凝固时的收缩应力超过了材料的强度极限时，即产生晶间裂纹，这也与铸件的形状结构和铸造工艺有关。另外金属材料中一些开裂敏感性杂质含量较高时也会导致这种缺陷的产生，如硫含量较高时有热脆性，磷含量较高时有冷脆性。钢锭中的轴心晶间裂纹如不能在后续的开坯锻造过程中被锻合，将留在锻件中成为锻件的内裂纹。轴心晶间裂纹的出现破坏了钢的连续性，虽然强度变化不大，但使断面收缩率和断后伸长率显著降低，因此是一种不允许存在的缺陷。
　　三、钢材的内部缺陷措施
　　1、缩孔与疏松。铸件或钢锭冷却凝固时，体积要收缩，在最后凝固的部分因得不到液态金属的补充而会形成空洞状的缺陷。大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的空隙则称为疏松，一般位于钢锭或铸件中心区域最后凝固的部分，其内壁粗糙，周围多伴有杂质和细小的气孔。由于热胀冷缩规律，缩孔是必然存在的，只是随加工工艺、处理方法不同而有不同的形态、尺寸和位置，当其延伸到铸件或钢锭本体时就成为缺陷钢锭在开坯锻造时如果没有将气孔全部切除而带入锻件中就成为缩孔残余。如果铸件的型模设计不当、浇注工艺不当，也会在铸件与型模的接触部位产生疏松。关于缩孔。钢液凝固时，由于体积收缩，在冒口端一般都存在缩孔。形成原因是钢锭凝固时体积收缩部分得不到及时补充，致使中心区形成宏观空洞。缩孔是一种不允许的缺陷，一般可通过反复锻打加以消除;如有足够的加工余量，也可在后期加工中切除。关于疏松。钢锭在凝固过程中，由于晶枝之间的熔体最后凝固而收缩以及释放出气体，导致产生许多细小孔隙而造成的不致密性，称为疏松。疏松不仅降低钢的强度，引起应力状态的改变和应力集中效应，而且还会形成淬火软点及开裂。疏松一般可通过热加工来消除或改善。
　　2、带状组织。经热压力加工的钢锭，沿轧制方向可能出现交替层状分布的组织，称为带状组织，带状组织实质上是复相合金中的各个相，如铁素体和珠光体或奥氏体、贝氏体、马氏体、碳化物及夹杂物在锻件中呈带状分布的一种组织，多出现在亚共折钢、奥氏体钢和半马氏体钢中，使钢的横向塑性、韧性明显降低，严重时还会影响切削加工性能。带状组织主要是因钢锭中的树枝状偏析和夹杂物，在进行热压力加工时被拉长所致。合金钢由于树枝状偏析较严重，所以容易形成带状组织。带状组织使金属性能出现明显的各向异性，尤其对横向性能极为不利，不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧度，特别是降低疲劳强度。此外还使钢易产生锻造裂纹、热处理裂纹和畸变。树枝状偏析引起的轻微的带状组织可以通过正火来消除，稍严重的合金元素偏析引起的带状组织，可进行高温扩散退火予以改善。高碳合金钢的带状碳化物偏析，采用高温扩散退火只能有所改善，但不能完全消除，只能通过锻造时反复镦粗、拔长的方法来减轻。对于夹杂物引起的带状组织不能采用上述方法消除或改善。过烧是金属在热压力加工过程中加热温度过高，除了会产生与过热相似的粗大晶粒和魏氏组织以外，最主要的特征是将发生晶界氧化及低熔点成分熔化，破坏了晶粒间的结合力，使金属丧失塑韧性，在继续变形时即会开裂。零件一旦产生过烧只能报废。
　　总之，钢材的内部缺陷是造成零件热处理畸变、开裂的重要原因，会造成零件力学性能及其他性能降低，甚至使零件报废。因此，应当针对其产生的原因，采取相应的预防措施，避免这种缺陷的出现。一旦发现材料有内部缺陷，应尽可能加以补救，以减少损失。
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　　（作者单位：南钢宽厚板厂）
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