鋼材內(nèi)部缺陷的5個典型案例分析
今天我與大家共同來探討一下鋼材內(nèi)部缺陷問題。
在探討這個問題前，我們先說一下“鋼材”的概念。
鋼材——是用鋼錠、鋼坯通過壓力加工制成的一定形態(tài)、尺寸和性能的材料，也就是制造大多數(shù)機械零件的毛坯來源。
由此我們可以將大多數(shù)機械零件的制造過程追溯到“錠－材－件”三個環(huán)節(jié)，從發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷入手去推斷缺陷類型及產(chǎn)生環(huán)節(jié)與原因，再提出相應解決辦法。
１、冶煉到錠的過程
目前比較規(guī)范的冶煉工藝過程大致有：
電弧爐+LF爐外精煉+真空VD+模鑄（模鑄錠）
電弧爐+LF爐外精煉+真空VD+連鑄（連鑄錠）或連鑄連軋成材
中間消耗錠+電渣重熔（電渣錠）
常見的四方形及八角型模鑄錠如下
各種大小規(guī)格的電渣錠
對于鋼錠來說，鋼廠的一紙質(zhì)保書就是說明一切：
鋼廠的質(zhì)保書應該有冶煉方法、化學成分及執(zhí)行標準、氣體含量等檢測結(jié)果。
所以，就鋼錠來說，由于不能直接用于加工成產(chǎn)品，鋼廠一般只通過精煉保證化學成分及其均勻性，通過其它工藝保證其氣體含量及盡量降低其它缺陷就行了。在鋼錠這個環(huán)節(jié)主要的檢測項目是化學成分分析與氣體含量檢測。
有些內(nèi)部缺陷也是鋼錠所固有的缺陷，
例如：鋼錠的疏松、氣孔是無法完全控制的，但皮下氣孔等缺陷可以從澆鑄工藝加以控制。
這就是模鑄鋼錠的皮下氣泡
這是連鑄坯的皮下疏松
為了了解鋼錠的內(nèi)部疏松問題，我們也解剖過鋼錠
金相樣件宏觀照片及對應的100倍金相照片如下
所以，對于鋼材的內(nèi)部缺陷來說，在“錠”這個環(huán)節(jié)一般是在下料過程中被動地發(fā)現(xiàn)皮下氣孔或皮下疏松外，很少去主動發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部其它缺陷。
鋼材的內(nèi)部缺陷主要是在“材—件”這兩個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，并且大多采用主動檢測手段發(fā)現(xiàn)，除此這外，也有少量的是通過下料或加工過程的被動地發(fā)現(xiàn)。
關于在“材”這個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)鋼材的內(nèi)部缺陷問題，由于“材”的形態(tài)很多無法一一例舉，我們重點談棒材與鍛件這兩種形態(tài)：
1、對棒材內(nèi)部缺陷的發(fā)現(xiàn)
一般通過“熱酸低倍檢驗、超聲波探傷、金相觀察”三種常規(guī)方式。
①對棒料作徑向切片后，經(jīng)按GB226《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》腐蝕后，對腐蝕樣本參照GB/T1979《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》可發(fā)現(xiàn)：一般疏松、中心疏松、錠型偏析、點狀偏析、中心偏析、皮下氣泡、白點、軸心晶間裂縫、夾渣或異金屬夾雜等缺陷。
這些缺陷應分為兩類缺陷
“點狀偏析、中心偏析、白點、夾渣或異金屬夾雜”屬于冶金缺陷
“一般疏松、中心疏松、皮下氣泡、軸心晶間裂縫、錠型偏析”屬于熱壓力加工缺陷。
②對棒料進行超聲波探傷可發(fā)現(xiàn)：白點、軸向延伸性缺陷、密集性缺陷、單個大當量缺陷、面缺陷（裂紋）等。
其中：白點、密集性缺陷、單個大當量缺陷均屬于冶金類缺陷。軸向延伸性缺陷、面缺陷（裂紋）屬于熱壓力加工類缺陷。
③對棒料的金相觀察可發(fā)現(xiàn)：成分偏析（成分帶狀偏析）、組織帶狀偏析、組織缺陷（如魏氏組織，其它異常組織）、渣孔等。
2、對鍛件內(nèi)部缺陷的發(fā)現(xiàn)
鍛件作為制造機械零件的毛坯，也可以稱為“材”。特別是一些重要機械零件（如重型變速箱或風電齒輪，齒輪軸等）對毛坯內(nèi)部缺陷控制非常嚴格，毛坯內(nèi)部缺陷的發(fā)現(xiàn)主要依靠超聲波探傷。
對鍛件超聲波探傷可發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的主要缺陷有：白點、密集性缺陷、點狀缺陷、面缺陷、延伸性缺陷等
①超聲波探傷對白點與其它密集性缺陷的發(fā)現(xiàn)
“白點”屬于材料的冶金類缺陷，其實質(zhì)是鋼在冶煉過程中氫含量超標（一般要求冶煉過程，經(jīng)真空VD后取樣測氫含量≤1.9PPm），在鍛件冷卻到室溫過程中，氫以氣體分子形態(tài)聚集于晶界處，將晶界撐破形態(tài)晶界裂紋，所以，白點的實質(zhì)是材料的晶界裂紋，對機械零件的破壞性極大。
由于氫具有還原性，且白點所形態(tài)的晶界裂紋又屬于封閉性的，所以發(fā)現(xiàn)白點后條件許可情況下，也可以通過“重新鍛造+除氫”工藝消除材料中的“白點”。
案例一
下面是我公司對鍛件“白點”的判斷案例：
具體過程如下
超聲波探傷定位－精準剖切樣片－熒光磁探傷顯示磁痕－定位打斷口。
同時也可對精準剖切的樣片做熱酸浸蝕顯示“白點”裂紋形態(tài)
也可在熒光顯示磁痕后作“白點”金相形態(tài)觀察。
以下是超聲波縱波A掃描反射“白點”缺陷波形態(tài)
以下是超聲波探傷定位后的精準切片
以下是對切片的熒光磁探傷顯示磁痕
以下是對磁痕的標識及制作打斷口樣塊
以下是“白點”的斷口形貌
以下是在熒光磁痕處取金相觀察試樣情況
以下是“白點”的400與1000倍光學金相形態(tài)
從以上案例可以看出，要準確判斷材料中存在“白點”缺陷是需要最終打斷口確認，但對鍛件內(nèi)部缺陷判斷來說不可能每次都去打斷口判斷。我們的經(jīng)驗是通過對材料“白點”的存在條件、分布特點、超聲波探傷反射波特征等，用超聲波探傷初步判斷，并結(jié)合鍛造返工確認，如果材料內(nèi)部的“白點”缺陷是可能通過鍛造返工消除的。
案例二：
下面是我公司對鍛件“白點”的返工消除案例
由于氫具有還原性，且白點所形態(tài)的晶界裂紋又屬于封閉性的，所以發(fā)現(xiàn)白點后條件許可情況下，也可以通過“重新鍛造+除氫”工藝消除材料中的“白點”。
首先是鍛件通過超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)心部有密集性缺陷，疑似“白點”。
制訂合理的鍛造返工工藝（重新鍛造+除氫工藝）
返工后再次在同一件鍛件上進行超聲波探傷情，原有的密集性缺陷反射波已完全消失。
關于鍛件內(nèi)其它密集性缺陷的發(fā)現(xiàn)
我們在對鍛件超聲波探傷檢測中，還發(fā)現(xiàn)有其它形態(tài)的密集性內(nèi)部缺陷存在，雖然在超聲波反射波型特征上與“白點”類似，但金相形態(tài)、缺陷分布特征、存在條件都有很大區(qū)別，這也是我們區(qū)別“白點”與其它密集性缺陷的依據(jù)。
A）鍛造比不夠造成鍛件中心區(qū)域縮孔未焊合
B）材料局部成分偏析造成應力開裂
這兩類缺陷的超聲波探傷反射波型特征都很相似，但金相特征完全不同
下面是因鍛造比不夠，中心區(qū)域縮孔未焊合缺陷的取樣過程與金相特征
下面是徑向觀察缺陷情況
軸向與么向的100倍金相組織觀察
從縱向與徑向金相組織觀察看，這樣的密集性缺陷與“白點”有明顯差異，金相觀察所看到的就是鍛造未焊合的材料縮孔，這樣的缺陷屬于熱壓力加工缺陷。
下面是因材料局部區(qū)域成分偏析導致應力開裂形成的密集性缺陷
探傷及取樣過程與前面一樣（略）
下面是缺陷宏觀形態(tài)
下面是缺陷金相形態(tài)
案例三：
另外再給大家分享一個鑄鋼件“白點”缺陷的判定案例
某一生產(chǎn)橋梁拉錨部件的企業(yè)，其生產(chǎn)的一款主纜錨杯為20Mn鑄鋼件。毛坯采購回廠后的第一道工序就超聲波探傷，驗收按GB/T 7233.1-2009《鑄鋼件超聲波檢測 第一部分 一般用途鑄鋼件》二級合格。
企業(yè)在對主纜錨杯毛坯探傷過程就發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部存在大量的密集性缺陷，但缺陷的當量不大。雙方為此發(fā)生僵持。
企業(yè)一方認為鑄件內(nèi)密集性缺陷太多，存在一定風險。
供應商則認為缺陷當量未超過標準的2級質(zhì)量等級應該接收。
當企業(yè)請我去處理這個事時，我以毛坯探傷后發(fā)現(xiàn)確實為雙方所述。但我仔細查看了拉錨杯圖紙的技術(shù)要求，在產(chǎn)品技術(shù)要求中明確規(guī)定“不允許存在龜裂狀缺陷”
最后雙方達成一致意見，如果是裂紋性質(zhì)的密集性缺陷，企業(yè)就拒收該批產(chǎn)品（毛坯價值近兩百萬）；若密集性缺陷屬于氣孔或疏松性質(zhì)，則企業(yè)就應接收這批產(chǎn)品。
下面就是通過對毛坯進行超聲波探傷－精確定位－切片－磁探傷－打斷口－對斷口作掃描電鏡觀察－取樣作光學金相觀察。
下面是斷口形貌
下面是光學金相觀察情況
在重慶大學失效分析中心對斷口作電鏡掃描情況
最終判定：20Mn鑄鋼件毛坯內(nèi)部缺陷屬于冶金缺陷類型的“白點”。
企業(yè)拒收了這批毛坯，有效地杜絕了一次非常嚴重的潛在風險。
鍛件內(nèi)部單個缺陷的發(fā)現(xiàn)
重要機械零件（如重型齒輪或風電齒輪）對材料內(nèi)部單個缺陷控制較嚴，一般情況下不允許3倍全齒高區(qū)域內(nèi)有超過Φ2當量的單個缺陷。
在材料內(nèi)部的單個缺陷基本上以渣孔為主，屬于冶金類缺陷。在實際操作中主要用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)。
下面是我公司用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的鍛件內(nèi)部單個超標缺陷案例
對一件2.3T重齒輪鍛坯探傷發(fā)現(xiàn)，在邊緣記號向下深度85mm處發(fā)現(xiàn)當量Φ3的單個缺陷
經(jīng)對缺陷精確定位后取樣
對小樣再次超聲波探傷精確定位
按定位深度進行精準線切割金相觀察面（也就是臨近缺陷所在平面）
制作金相樣件進行光學金相觀察結(jié)果
金相觀察結(jié)果初步表明，該單個缺陷應該屬于冶煉類型的渣孔缺陷。
若要進一步判斷渣孔處的組織成分，可將此樣件在電鏡下作能譜分析。
最后講在“件”這個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷問題
在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中或在成品中發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷，我們歸納為在“件”這個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷。
案例五：
下面與大家分享一個汽車零部件內(nèi)部缺陷案例
某企業(yè)生產(chǎn)的汽車后芯軸為40Cr鍛件，經(jīng)調(diào)質(zhì)－機加后成品，在裝配過程中發(fā)現(xiàn)法蘭盤處有裂紋
解剖后發(fā)現(xiàn)該裂紋從內(nèi)部向外擴展，裂紋應該屬于材料內(nèi)裂紋而非外部原因造成。
經(jīng)超聲波探傷并解剖發(fā)現(xiàn)，裂紋均發(fā)生在法蘭處并作橫向延伸，若作為材料原始內(nèi)部缺陷，不可能都分布在同一位置并且形態(tài)基本一致。
對鍛件毛坯探傷，用裂紋件取樣在裂紋處作金相觀察，裂紋處沒有任何異常現(xiàn)象
然后將探傷無裂紋鍛件在法蘭處剖切作鍛造流線顯示，法蘭處鍛造流線如下圖
最后結(jié)合后芯軸鍛造工藝（法蘭為一次鍛造成型）、裂紋處金相組織、裂紋分布特征、法蘭處鍛造流線特征等綜合分析，該缺陷雖然屬于鍛件內(nèi)部缺陷，但不屬于材料自身帶來，而屬于鍛造工藝不當在法蘭處上下流線分層間，金屬變形不一致形成過大剪切應力導致材料撕裂。
糾正措施：
鍛造工藝由原來一次鍛造成形改成“放坯—成型”，通過減少法蘭處鍛造一次變形量加以解決。
總結(jié)：
材料的內(nèi)部缺陷主要通過無損檢測方法發(fā)現(xiàn)，但在判定材料內(nèi)部缺陷的屬性過程，還有必要曾加光學金相觀察或掃描電鏡觀察。只有通過大量實踐才能在不破壞產(chǎn)品（毛坯）條件下，發(fā)現(xiàn)并判定缺陷屬性。
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