浅析钢材的内部缺陷及其对热处理工艺和性能的影响

图3 Fig． 3 3CrMo3VNb 钢圆盘形锻坯中心部位缩孔残余 Residual shrinkage cavity in center of dishshaped forging of 3CrMo3VNb steel
3． 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 结晶速度快， 锭心最后 于低碳钢凝固时两相区狭窄， 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 将留在锻件中成为锻件的内裂纹 。 合， 轴心晶间裂纹的出现破坏了钢的连续性， 虽然 但使断面收缩率和断后伸长率显著 强度变化不大， 降低， 因此是一种不允许存在的缺陷。
《热处理》
2011 年第 26 卷
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区、 心部粗大等轴晶区） 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。
图1
3Cr2Mo3VNb 钢中夹杂物的横向低倍照片 Fig． 1 Macrograph of inclusions in cross section of 3Cr2Mo3VNb steel
3
内裂
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。 3． 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 几十小时甚至更长时间后产生的 ， 横向试片经浸 时、 第2 期
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［ 1］ 庄
低扩散期碳势， 延长扩散时间。 参考文献
军， 华公平， 施瑞华． 四种渗碳钢的接触和弯曲疲劳强度的
2006． 对比研究［C］ ∥第九届江苏省热处理年会， ［ 2］ 胡光立，谢希文． 钢的热处理［ M］ ． 西安： 西北工业大学出版社， 1993． ［ 3］ 董若侃． 预防 20CrMnMo 渗碳齿轮轴磨齿裂纹的有效措施［J］ ． 2005 ， （ 5 ） ： 54． 机械工人， ［ 4］ 孙珍宝． 合金钢手册［ M］ ． 北京： 冶金工业出版社， 1992．
表1 Table 1 锻造比 疲劳极限（ MPa） （ n ＞ 10 － 7 ） 0 363
此外， 只有足够的变形量和科学合理的变形方 式（ 如反复锻造 ） 才能打碎材料内部的一些脆性相 和减弱严重的组织偏析， 一般说来， 结构钢钢锭的锻 造比为 2 ～ 4 ， 各类钢坯和轧材的锻造 比 为 1． 1 ～ 1． 3 。而对于一些高碳高合金钢， 常常要求更大一些 的锻造比。 以 40CrNiMoA 钢为例， 其锻造比对疲劳强度的 影响如表 1 所示
3． 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。 图 3 为 3CrMo3VNb 钢圆饼形 锻坯中心部位的缩孔残余。
称流线） 分布的细而短的多条细裂纹 （ 发裂 ） ； 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 （ 按 冶 炼 炉 批 号） ， 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 5CrMnMo 等， 感性钢， 例如 5CrNiMo、 有时也会在中 碳钢 如 45 钢 中 出 现。 图 2 为 德 国 WNr2713 230 mm 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 （ 淬火 ） 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wenku.baidu.com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
［1 ］
。
锻造比对 40CrNiMoA 钢疲劳强度的影响
Effect of forging ratio on fatigue strength of 40CrNiMoA steel 2 441 3 470 4 480 6 490 500 8 519 529 12 519 529 20 519 529 40 519 529
从表 1 中可以看出， 随着钢材锻造比的增大， 钢 疲劳强度 的疲劳强度不断提高。 当锻造比为 8 时， 达到最大值， 但继续增大锻造比， 疲劳强度则保持在 较高水平而不再提高。
重降低钢的力学性能和使用性能， 尤其是降低钢的 韧性和疲劳强度。 塑性、 钢材中存在非金属夹杂物是不可避免的， 其数 量和形态只能通过提高冶炼、 浇注水平， 提高钢的纯 降低非金属夹杂物的总量， 以及良好的轧制或 净度， 锻造加以改善。图 1 为 3Cr2Mo3VNb 钢中夹杂物的 横向低倍照片。
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浅析钢材的内部缺陷及其对热处理工艺和性能的影响
吴元徽
（ 南京工业职业技术学院机械系， 江苏 南京 210046 ）
摘
要： 分析了钢材中非金属夹杂物、 白点、 缩孔、 疏松、 偏析、 带状组织和粗大组织等缺陷的产生原因 ， 以及 这些缺陷对零件热处理工艺的实施及零件性能的影响 ； 论述了生产中采取的预防措施或补救措施 。 文献标识码： E 1690 （ 2011 ） 02-0078-05 文章编号： 1008-
关键词： 钢材； 缺陷； 预防措施 + 中图分类号： TG142． 1
Defects in Steel and Their Influence on Heat Treatment Practice and Performance of Part
WU Yuanhui
（ Mechanical Department， Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210046 ， Jiangsu ） Abstract： The causes of defects in steel and their influence on heat treatment practice and resulting properties of part were analyzed，including nonmetallic inclusions， flakes， shrinkage cavity， porosity， segregation， bended structure， coarse structure and so on． The preventive or remedial measures in production were described in relation to the above defects． Key words： steel products； defect； preventive measure 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 （ 锻 ） 制或连铸连轧成材， 其 表面和内部均可能存在一些缺陷 。本文仅对钢材内 其对热处理工艺的实施和零件 部缺陷的产生原因、 性能的影响以及如何进行预防和补救进行探讨 。 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 与锻件不同， 钢材的锻造比是指钢材的横断面 的是， 积与钢锭的横断面积的比值。 不论是铸锭开坯、 轧（ 锻） 成材， 还是连铸连轧成 材， 由于钢液的结晶规律， 材料内存在三个结晶区（ 边 缘部位细小等轴晶区、 垂直于锭模壁的粗大柱状晶
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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
櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊 太高， 否则容易出现渗碳空冷裂纹。 在工艺上要降 3 结论 （ 1 ） 20CrMnMo 钢制大模数齿轮心部硬度不足 和心部出现铁素体的问题， 采用快速淬火油， 以及适 当的淬火温度可以得到解决。 （ 2 ） 经渗碳淬火的 20CrMnMo 钢齿轮易出现心 部组织粗大的问题， 对原材料进行控制， 同时采用二 次加热淬火工艺可以有效细化晶粒 。 （ 3 ） 20CrMnMo 钢齿轮容易出现磨削裂纹， 应采 用较高的回火温度， 适当延长保温时间。 对于直接 淬火的工件， 更需要延长回火时间。 （ 4 ） 20CrMnMo 钢齿轮渗碳的扩散期碳势不宜
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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
收稿日期： 2009-07-29 ）， 作者简介： 吴元徽（ 1963男， 安徽歙县人， 副教授 、 高级工程师， 主要从事金属材料及热处理研究工作 。 13913915657 ， Email ： wuyh@ niit． edu． cn 联系电话：
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非金属夹杂物超标
常见的非金属夹杂物按其来源分有两类， 一类 是冶炼过程中， 钢中气体与脱氧剂及合金元素物理 化学反应的产物， 一般为氧化物、 硫化物、 硅酸盐等； 另一类是炉渣及浇注过程中耐火材料侵蚀剥落后进 入钢液中形成的非金属夹杂物。热处理工作者极为 关注非金属夹杂物的性质、 形态 （ 长度 ） 、 数量、 分布 （ 集中与分散） 等情况。 按夹杂物性质， 可分为脆性 夹杂物（ 氧化物与脆性硅酸盐 ） 和塑性夹杂物 （ 硫化 1989 物与塑性硅酸盐 ） 。 目前一般均按 GB / T10561钢中非金属夹杂物显微评定方法， 等效采用 ISO 标 准， 按夹杂物的形态与分布， 分为四个基本类型： A 类 即硫化物类型； B 类即氧化铝类型； C 类即硅酸盐类 型； D 类即球状氧化物类型。每一类型又按夹杂物的 厚度或直径的不同， 分为粗系和细系两个系列， 每个 系列有表示夹杂物含量递增的 5 级图片。 金属中的夹杂物破坏了金属基体的连续性， 剥 落后就成凹坑或裂纹， 大块夹杂物还降低了材料的 疲劳强度； 在金属锻造和轧制过程中， 夹杂物可能被 延展成为长而薄的流线状， 形成带状组织， 使金属产 生明显的各向异性， 大大增加淬火裂纹产生的几率； 对精密量具来说， 钢中存在夹杂物会降低制品的使 用寿命， 夹杂严重时， 造成热处理时的应力集中， 淬 火时易开裂， 因此应根据技术要求严格控制滚珠轴 承钢和工具钢中的夹杂物； 钢中夹杂物还会引起渗 “起泡 ” ； 另外大量的非金属夹杂物会严 氮零件表面 《热处理》