淺析鋼材的內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械零件的金屬材料，鋼經冶煉、鑄造、開坯、軋制或連鑄連軋成材，其表面和內部均可能存在一些缺陷，通過對鋼材內部缺陷的產生原因、其對熱處理工藝的實施和零件性能的影響以及如何進行預防和補救進行分析。

【關鍵詞】鋼材;缺陷;預防措施

金屬材料熱處理技術是機械制造領域的重要分支之一，熱處理工藝是提高零件性能、挖掘材料潛力的關鍵技術。而熱處理生產實踐中，長期以來一直以熱處理基本理論為基礎的經驗型設計來指導生產，重復性差、效率低、技術人員勞動強度大的弱點逐步顯現。

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，由于鋼液的結晶規律，材料內存在結晶區以及一些缺陷。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晶和粗大柱狀結晶，使其細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，在一定的范圍內隨著鍛造比的增加，金屬的力學性能顯著提高，這是由于組織致密程度和晶粒細化程度提高所致。

二、鋼材的內部缺陷

內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加工時內裂發生變化，都會對機械零件的可靠性造成嚴重威脅。

1、白點。白點又稱發裂，是鋼中的內裂，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生的，橫向試片經浸蝕后可觀察到直的、細小彎曲的裂紋，在與裂紋垂直的方向折斷，可發現斷口上有呈銀白色的圓形或橢圓形斑點，這是裂紋的一個側面。檢查白點最好在淬火狀態下折斷，以免試樣折斷時由于塑性變形而使白點失真。關于白點的產生機制，不同的學派有不同的看法，其中之一認為，氫是產生白點的關鍵因素，而巨大的內應力是產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時，由于體積膨脹而使鋼產生較大的內應力，在熱壓力加工過程中的變形力以及隨后冷卻過程中熱應力和組織轉變時產生的相變應力的共同作用下，導致材料內部局部開裂白點，宏觀上表現為由工件內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而短的多條細裂紋;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。WNr2713230mm 棒材中白點的橫向低倍照片。白點的存在導致鋼的力學性能顯著惡化而無法使用;有白點的鍛件熱處理時易發生開裂，或在加工使用中突然出現內部裂紋，使鍛件報廢。白點降低鋼的塑韌性和零件的強度，是應力集中點，在交變載荷的作用下，很容易變成疲勞裂紋源而導致疲勞破壞。所以鍛件中絕對不允許有白點存在。一旦發現鍛件有白點，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部而產生的。縮孔殘余附近區域一般會出現密集的夾雜物、疏松或偏析，在橫向低倍下呈有不規則皺折的縫隙，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生的。由于低碳鋼凝固時兩相區狹窄，結晶速度快，錠心最后凝固前鋼液補充不足，晶間易形成這種顯微裂紋。當金屬冷卻凝固時的收縮應力超過了材料的強度極限時，即產生晶間裂紋，這也與鑄件的形狀結構和鑄造工藝有關。另外金屬材料中一些開裂敏感性雜質含量較高時也會導致這種缺陷的產生，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的開坯鍛造過程中被鍛合，將留在鍛件中成為鍛件的內裂紋。軸心晶間裂紋的出現破壞了鋼的連續性，雖然強度變化不大，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金屬的補充而會形成空洞狀的缺陷。大而集中的空洞稱為縮孔，細小而分散的空隙則稱為疏松，一般位于鋼錠或鑄件中心區域最后凝固的部分，其內壁粗糙，周圍多伴有雜質和細小的氣孔。由于熱脹冷縮規律，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、尺寸和位置，當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。如果鑄件的型模設計不當、澆注工藝不當，也會在鑄件與型模的接觸部位產生疏松。關于縮孔。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充，致使中心區形成宏觀空洞。縮孔是一種不允許的缺陷，一般可通過反復鍛打加以消除;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，導致產生許多細小孔隙而造成的不致密性，稱為疏松。疏松不僅降低鋼的強度，引起應力狀態的改變和應力集中效應，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。經熱壓力加工的鋼錠，沿軋制方向可能出現交替層狀分布的組織，稱為帶狀組織，帶狀組織實質上是復相合金中的各個相，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，在進行熱壓力加工時被拉長所致。合金鋼由于樹枝狀偏析較嚴重，所以容易形成帶狀組織。帶狀組織使金屬性能出現明顯的各向異性，尤其對橫向性能極為不利，不僅降低金屬的強度，而且還降低塑性和沖擊韌度，特別是降低疲勞強度。此外還使鋼易產生鍛造裂紋、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，稍嚴重的合金元素偏析引起的帶狀組織，可進行高溫擴散退火予以改善。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生晶界氧化及低熔點成分熔化，破壞了晶粒間的結合力，使金屬喪失塑韌性，在繼續變形時即會開裂。零件一旦產生過燒只能報廢。

總之，鋼材的內部缺陷是造成零件熱處理畸變、開裂的重要原因，會造成零件力學性能及其他性能降低，甚至使零件報廢。因此，應當針對其產生的原因，采取相應的預防措施，避免這種缺陷的出現。一旦發現材料有內部缺陷，應盡可能加以補救，以減少損失。

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（作者單位：南鋼寬厚板廠）