鋼中缺陷及對機械制件的影響

1、 鋼中缺陷及對機械制件的影響 牛俊民 （西安冶金機械廠）Effect of defect in steel on machine partsNiu Junmin（xian Metallurgical Machinery Works）機械零件的使用壽命與鋼中缺陷有著密切的聯(lián)系，且設(shè)備事故多數(shù)與鋼中存在著不允許的缺陷有關(guān)。1縮孔與縮孔殘余鑄件在冷卻和凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮的結(jié)果，往往使鑄件在最后凝固的地方出現(xiàn)孔洞（容積大而集中的孔洞稱為縮孔，細小而分散的孔洞稱為縮松）。鑄件中也常常遇到蜂窩狀缺陷，它的形狀象蜂窩，主要出現(xiàn)在鑄件的熱節(jié)處或冒口下方，它由縮孔、氣孔及夾渣組成。重要的鋼

2、材或大型鍛件大都使用鎮(zhèn)靜鋼，澆注鎮(zhèn)靜鋼的鑄型除一部分采用敞口小鋼錠外，絕大部分采用帶保溫帽的上大下小的，通常為四方形和多邊形的鑄型。鎮(zhèn)靜鋼的上部都有一個大的盆腔式的縮孔，如果在鍛造時冒口處的縮孔切除不足，便在鍛件中形成縮孔殘余缺陷。當(dāng)錠型設(shè)計不合理，冒口材料保溫效果不良，發(fā)熱劑配制不好以及出現(xiàn)澆注事故等原因，縮孔有時深入錠身或產(chǎn)生二次縮孔，切除不足也會在鋼坯或鍛件上產(chǎn)生縮孔殘余。在鍛件切頭時縮孔殘余一般都能發(fā)現(xiàn)，它多呈扁狀的空洞或呈雞爪狀裂紋。在橫向酸浸的低倍試片上，縮孔殘余的主要特征是呈現(xiàn)雞爪形中心裂紋，且伴隨有大量的夾渣、夾雜物以及較嚴(yán)重的縮松（見圖1）?？s孔及縮松是鍛材中的不允許缺陷，它

3、破壞了鋼的連續(xù)性，易造成應(yīng)力集中，有時使鍛件在淬火時產(chǎn)生開裂或形成更大的內(nèi)部裂紋。縮孔與縮孔殘余的出現(xiàn)有一定的規(guī)律，即多數(shù)出現(xiàn)在冒口端，并且一直延伸至端頭，所以在零件加工過程中容易被發(fā)現(xiàn)，即使存在于工件內(nèi)部，經(jīng)過探傷也不難檢查出來。2白點白點為金屬內(nèi)部缺陷，其形狀為不同長度和不同方向的裂紋群。在淬火打斷后的平行于白點方向的斷口上，白點是在纖維斷口的基體上呈圓形或橢圓形銀白色斑點（圖2）。圖2 白點的斷口形態(tài)圖1 42CrMo軸上的縮孔殘余白點在酸浸后的橫向低倍試片上表現(xiàn)為鋸齒狀裂紋，即發(fā)絲狀裂縫，又稱“發(fā)裂”。白點可以鍛合是它與夾雜物、夾渣缺陷的主要區(qū)別之一。由于白點是鋼材內(nèi)部的局部小面積開裂

4、，其表面未被氧化和沾染1，所以只要重新鍛造時軋制方向合適或鍛造比足夠大，白點可以鍛合，并且其機械性能完全合格。為使白點鍛合所需要的鍛比隨材料及白點級別而變化，一般鍛比需在27之間。白點的產(chǎn)生與鋼中的氫含量及應(yīng)力有關(guān)，鋼中氫含量越高，越容易產(chǎn)生白點。鋼中的氫使鋼變脆，應(yīng)力的存在使鋼破裂。白點對鋼的機械性能的影響與取樣位置及方向有關(guān)。我們曾在有白點的40Cr邊輥上截取試樣做機械性能試驗，雖然制取試樣上沒有白點，但除強度值合乎標(biāo)準(zhǔn)之外，韌性指標(biāo)和塑性指標(biāo)大幅度下降，沖擊值由規(guī)定的3降為0.91.5；延伸率值由規(guī)定的13降低為2.73.5；斷面收縮率下降最多，由規(guī)定值40下降到1.92.2。白點對純彎

5、曲疲勞壽命影響極大，它使試棒在低應(yīng)力低周次斷裂。我們曾對有白點的38CrMnMoSi和對有白點與無白點的40# 車軸鋼，做純彎曲疲勞壽命的對比試驗，試驗結(jié)果分別列于表1和表2。表1 38CrMnMoSi鋼白點對純彎曲疲勞壽命的影響試 樣 號施加應(yīng)力（MPa）循環(huán)次數(shù)斷口情況232224211921922402405914102529810224371022727102斷于白點斷于白點斷于白點斷于白點表2 40車軸鋼有白點與無白點試樣的疲勞壽命施加應(yīng)力（MPa）缺陷情況試樣號循環(huán)次數(shù)斷裂情況192有白點141242521025028102斷于白點斷于白點無缺陷3539107107試樣未斷試樣未斷

6、216有白點171819791021177102斷于白點斷于白點無缺陷31231310718264102試樣未斷斷在R上240有白點191109021021391102斷于白點斷于白點無缺陷363898501026037102有白點的鋼不僅降低鋼的機械性能，而且在熱處理（特別是淬火）時，易產(chǎn)生裂紋及開裂，圖3是38SiMnMo鋼大齒輪在淬火時開裂的情況。圖 3 38SiMnMo大齒輪開裂實照3夾雜物與夾渣鋼中的夾雜物通常為非金屬夾雜物和異性金屬夾渣，其中常見的是非金屬夾雜物。鋼中的夾雜物中斷了鋼的連續(xù)性，它們在鋼中的形態(tài)、含量和分布情況都不同程度地影響著鋼的各種性能。夾雜物的來源大體可以分為兩

7、大類。一類為內(nèi)在夾雜物，例如用硅或鋁脫氧后，在金屬內(nèi)形成了氧化硅或氧化鋁夾雜物；又如鋼料中的非金屬雜質(zhì)在高溫熔化于液態(tài)金屬內(nèi)，隨著溫度下降，脫溶析出，形成夾雜物；另一類稱作外來夾雜物，這是由于冶煉或澆注過程中從設(shè)備或容器上剝落下來摻于液態(tài)金屬內(nèi)的雜質(zhì)，例如耐火材料等，它們的特點是無一定形狀，而且尺寸特別大。異性金屬夾雜屬于低倍夾雜范圍，鋼坯（材）中的異性金屬夾雜，在酸蝕試片上呈色澤、性質(zhì)與基體金屬顯然不同的金屬塊，形狀不規(guī)則，但邊緣比較清晰，周圍常有非金屬夾雜物伴隨出現(xiàn)。鋼中夾雜物與夾渣的存在，破壞了鋼的連續(xù)性，影響零件的使用性能，在某些情況下，變形后的夾雜物引起應(yīng)力集中，常常成為破斷的裂紋源

8、。在重要的設(shè)備零件中，對夾雜物有一定的級別要求，超過標(biāo)準(zhǔn)后材料應(yīng)報廢或改作他用。在一般的機器零件中對夾雜物都沒有作金相檢查的要求，而超聲波探傷所能發(fā)現(xiàn)的單個夾雜物，只能是夾渣，微觀夾雜物在探傷中難于發(fā)現(xiàn)。變形后的夾雜物雖然肉眼難于發(fā)現(xiàn)，但磁粉探傷可以發(fā)現(xiàn)沿金屬流線方向細而長的磁痕，通常稱作發(fā)紋。發(fā)紋對承受疲勞載荷的車軸疲勞壽命影響不顯著，我們的試驗證明了這一點（見表3）。表3 發(fā)紋對純彎曲疲勞壽命的影響施加應(yīng)力（MPa）缺陷情況試樣號循環(huán)次數(shù)斷裂情況192發(fā) 紋3233107107試樣未斷試樣未斷無缺陷2529107107試樣未斷試樣未斷216發(fā) 紋37 3112446610217484102

9、斷在發(fā)紋上未斷發(fā)紋上無缺陷21221310718264102試樣未斷斷在R處240發(fā) 紋3131053831028673102斷在R處未斷發(fā)紋上無缺陷2628985010260371024裂紋裂紋是鋼中不允許缺陷之一，它的危害不僅在于它減小了零件的截面積，而且造成了嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易使材料發(fā)生突然斷裂，造成重大事故。鋼中裂紋有鑄鋼中的裂紋、熱處理裂紋和疲勞裂紋等種類，它們的形態(tài)和危害不盡相同。1）鑄鋼中的裂紋鑄鋼中的裂紋主要是熱裂和冷裂。熱裂有外裂和內(nèi)裂兩類。在鑄件表面可以看到的熱裂紋稱為外裂，裂口從鑄件表面開始，逐漸延伸到內(nèi)部。表面寬而內(nèi)部窄，裂口有時會貫穿鑄件整個斷面。外裂常產(chǎn)生在鑄

10、件的拐角處、截面厚度有突變處或局部冷凝慢以及可以產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。內(nèi)裂產(chǎn)生在鑄件內(nèi)部最后凝固的部位，常在縮孔附近。裂口表面很不平滑，常有很多分叉。外裂大部分用肉眼就能觀察出來，細小的外裂則需用磁力探傷或著色探傷檢查；內(nèi)裂則必須用射線或超聲探傷才能檢查出來。外裂一般容易發(fā)現(xiàn)，如鑄件本身的焊接性好，裂紋經(jīng)焊補后可使用。內(nèi)裂隱藏在鑄件內(nèi)部，不易被發(fā)現(xiàn)，它的危害較大。冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)時，鑄造應(yīng)力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的。冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，特別是在應(yīng)力集中的地方，如內(nèi)尖角處和縮孔、非金屬夾雜物的附近。大型復(fù)雜的鑄件容易形成冷裂，有些裂紋往往在打箱清理后即能發(fā)現(xiàn)，有些是因鑄件內(nèi)部已

11、有很大的殘余應(yīng)力，在清理及搬運時受到震擊或出砂后受到激冷才開裂的。冷裂紋的特征與熱裂紋不同，外形常是圓滑曲線或連續(xù)直線狀。而且往往是穿晶而不是沿晶斷裂。冷裂紋斷口表面干凈，具有金屬的光澤或呈輕微的氧化顏色，這說明冷裂是在較低溫度下形成的。在大型的鑄鋼件中，由于特殊的殘余應(yīng)力分布常常出現(xiàn)內(nèi)冷裂，內(nèi)冷裂多數(shù)是橫向裂紋，一般不會延伸至工件表面，裂紋面積較大，未斷部分從橫斷面上看是一個圓環(huán)。由于內(nèi)裂紋面積較大，離表面較近，往往在出廠前加工時發(fā)現(xiàn)，這時看到的是圓周向裂紋，有時甚至?xí)嘣谲嚧采?。?dāng)內(nèi)裂面積較小，加工時未發(fā)現(xiàn)，工件也可能出廠，這時會在使用中發(fā)生斷裂。作者曾多次遇到這種現(xiàn)象。例如皮爾格軋機ZG

12、80CrMo軋輥，就幾次發(fā)生斷輥，多數(shù)是冒口端的橫向斷裂。2）鋼的熱處理裂紋常見的淬火裂紋有縱向裂紋、橫向裂紋和弧形裂紋、表面裂紋以及剝離裂紋等（圖4）。圖4 鋼件冷處理裂紋類型及殘余應(yīng)力分布縱向裂紋是由工件表面裂向心部的深度較大的裂紋。生產(chǎn)實踐證明，縱向裂紋往往發(fā)生在完全淬透的工件上，而且隨淬火溫度的提高，形成裂紋的趨向也增大。淬火引起的表面縱向裂紋在生產(chǎn)過程中很容易發(fā)現(xiàn)，但是如果零件形狀是管狀，熱處理淬火時也容易形成內(nèi)壁的縱向裂紋，由于它裂口很小，不經(jīng)探傷檢查難于發(fā)現(xiàn)，容易安裝到機械設(shè)備上導(dǎo)致設(shè)備事故。圖5是經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁縱向裂紋。橫向裂紋多數(shù)表現(xiàn)為橫向內(nèi)裂紋。在零件縱剖面上是垂直于

13、軸向的橫向裂紋，裂紋離邊緣有一定距離。從橫向斷口上看，斷口分為兩個明顯的區(qū)域，中心區(qū)域裂痕呈放射狀，裂源在中心；邊緣區(qū)域是后斷的，其斷口與內(nèi)部不同，斷口較細而且是新斷口2。由于橫向內(nèi)裂紋一般不暴露在工件表面，因而常對機械設(shè)備造成嚴(yán)重威脅。圖6是某鋼廠勞特軋機上軋輥斷裂后的斷口照片。軋輥初上軋機，軋制第一支坯時斷裂，斷輥發(fā)生時操作正常，安全銷未斷。經(jīng)分析，該軋輥在表面淬火后殘余應(yīng)力過大，在上軋機前已存在內(nèi)部橫向裂紋。查制造廠原始記錄，雖經(jīng)探傷檢查，但因磁粉探傷難于檢查離表面較深的內(nèi)部缺陷，縱波圓周的超聲波探傷對內(nèi)部橫向裂紋也很容易漏檢，因而未能在上機前檢查出來。檢查橫向內(nèi)裂紋的最好方法是，橫波圓

14、周探傷或縱波貫穿入射的超聲波探傷。圖6勞特軋機上軋輥斷口實照圖5 管狀零件內(nèi)壁的縱向裂紋（磁粉探傷照片）弧形裂紋往往發(fā)生在未淬透的，或者經(jīng)過滲碳淬火的工件上。例如，直徑或厚度在80100mm以上的高碳鋼制件，在淬火加熱溫度偏低或冷卻不充分時，往往易于產(chǎn)生這種弧形裂紋。表面裂紋是一種分布在工件表面深度較小的裂紋，其深度是0.012mm，有的地方可能深些。表面裂紋分布的方向、形態(tài)與工件的形狀無關(guān)，但與裂紋的深度有關(guān)。產(chǎn)生表面裂紋的工件，其應(yīng)力分布往往是在工件不深的表層內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力（如圖4d），并且具有拉應(yīng)力表面的金屬塑性又很小，即不容易發(fā)生塑性變形的情況下，則產(chǎn)生這種裂紋。圖7所示是直徑210mm

15、的40Cr柱塞，表面火焰淬火后的表面裂紋（磁粉探傷后的照片，不用探傷方法肉眼很難發(fā)現(xiàn)）。圖中箭頭1處是兩排火焰噴嘴接頭處形成的表面裂紋，其形狀是沿圓周一圈。箭頭2所指呈網(wǎng)狀的表面裂紋是磨削裂紋。圖7 40Cr柱塞表面淬火裂紋與磨削裂紋剝離裂紋是表面淬火工件淬硬層的剝落，以及化學(xué)熱處理后沿擴散層出現(xiàn)的表面剝落。鋼件經(jīng)滲碳后淬火時，滲碳層淬成馬氏體，其內(nèi)部過渡層可能得到屈氏體，心部則仍保持低碳鋼的原始組織狀態(tài)（鐵索體十珠光體）。由于馬氏體的比容大而膨脹受到內(nèi)部的牽制，使得馬氏體層呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)，則在接近馬氏體層的極薄的過渡層內(nèi)具有拉應(yīng)力（圖4e）。剝離裂紋就產(chǎn)生在拉應(yīng)力向壓應(yīng)力急劇過渡的極薄的區(qū)域

16、內(nèi)。一般情況下，裂紋潛伏在平行于工件表面的皮下，嚴(yán)重時造成表層剝落。表面淬火的制件，有時也能形成這種皮下裂紋，甚至形成沿工件整個圓周的皮下裂紋。有時剝離裂紋是在使用過程中發(fā)現(xiàn)，如900mm ZG55天車行走輪經(jīng)表面火焰淬火，使用數(shù)天后即發(fā)現(xiàn)大量裂紋。車輪已有表面剝落，經(jīng)金相觀察表面，該輪的淬火裂紋貫穿整個淬透層。穿過淬透層之后，由于交界處拉應(yīng)力的作用，裂紋末端在平行于表面的方向擴展。其發(fā)展結(jié)果，導(dǎo)致表面淬硬層剝落。3）疲勞裂紋金屬構(gòu)件在變動載荷作用下，經(jīng)過一定周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂在所有的金屬構(gòu)件斷裂中占主要地位，有人曾做過統(tǒng)計，在所有的實物損壞中，疲勞斷裂的比例高達903。疲勞斷裂的方式是多種多樣的，根據(jù)變動載荷的方式可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、沖擊疲勞及復(fù)合疲勞等幾種。若按循環(huán)應(yīng)力的頻率來區(qū)分，疲勞又可分為低頻疲勞、中頻疲勞及高頻疲勞。也有按疲勞斷裂的總周次來劃分的，當(dāng)斷裂的總周次在104以下時稱為低周疲勞，這種疲勞是目前研究得最多的一種；當(dāng)斷裂的總周次105時稱為高周疲勞。根據(jù)金屬構(gòu)件運行的環(huán)境條件，疲勞又可分為熱疲勞（高溫疲勞）、冷疲勞（低溫疲勞）、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。在工廠的設(shè)備檢修中常常遇