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钢材内部缺陷的5个典型案例分析

钢材内部缺陷的5个典型案例分析


今天我与大家共同来探讨一下钢材内部缺陷问题。

在探讨这个问题前,我们先说一下“钢材”的概念。

钢材——是用钢锭、钢坯通过压力加工制成的一定形态、尺寸和性能的材料,也就是制造大多数机械零件的毛坯来源。

由此我们可以将大多数机械零件的制造过程追溯到“锭-材-件”三个环节,从发现内部缺陷入手去推断缺陷类型及产生环节与原因,再提出相应解决办法。


1、冶炼到锭的过程

目前比较规范的冶炼工艺过程大致有:

电弧炉+LF炉外精炼+真空VD+模铸(模铸锭)

电弧炉+LF炉外精炼+真空VD+连铸(连铸锭)或连铸连轧成材

中间消耗锭+电渣重熔(电渣锭)

常见的四方形及八角型模铸锭如下

各种大小规格的电渣锭

对于钢锭来说,钢厂的一纸质保书就是说明一切:

钢厂的质保书应该有冶炼方法、化学成分及执行标准、气体含量等检测结果。

所以,就钢锭来说,由于不能直接用于加工成产品,钢厂一般只通过精炼保证化学成分及其均匀性,通过其它工艺保证其气体含量及尽量降低其它缺陷就行了。在钢锭这个环节主要的检测项目是化学成分分析与气体含量检测。

有些内部缺陷也是钢锭所固有的缺陷,

例如:钢锭的疏松、气孔是无法完全控制的,但皮下气孔等缺陷可以从浇铸工艺加以控制。


这就是模铸钢锭的皮下气泡


这是连铸坯的皮下疏松

为了了解钢锭的内部疏松问题,我们也解剖过钢锭


金相样件宏观照片及对应的100倍金相照片如下




所以,对于钢材的内部缺陷来说,在“锭”这个环节一般是在下料过程中被动地发现皮下气孔或皮下疏松外,很少去主动发现其内部其它缺陷。

钢材的内部缺陷主要是在“材—件”这两个环节发现,并且大多采用主动检测手段发现,除此这外,也有少量的是通过下料或加工过程的被动地发现。

关于在“材”这个环节发现钢材的内部缺陷问题,由于“材”的形态很多无法一一例举,我们重点谈棒材与锻件这两种形态:

1、对棒材内部缺陷的发现

一般通过“热酸低倍检验、超声波探伤、金相观察”三种常规方式。

①对棒料作径向切片后,经按GB226《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》腐蚀后,对腐蚀样本参照GB/T1979《结构钢低倍组织缺陷评级图》可发现:一般疏松、中心疏松、锭型偏析、点状偏析、中心偏析、皮下气泡、白点、轴心晶间裂缝、夹渣或异金属夹杂等缺陷。

这些缺陷应分为两类缺陷

“点状偏析、中心偏析、白点、夹渣或异金属夹杂”属于冶金缺陷

“一般疏松、中心疏松、皮下气泡、轴心晶间裂缝、锭型偏析”属于热压力加工缺陷。

②对棒料进行超声波探伤可发现:白点、轴向延伸性缺陷、密集性缺陷、单个大当量缺陷、面缺陷(裂纹)等。

其中:白点、密集性缺陷、单个大当量缺陷均属于冶金类缺陷。轴向延伸性缺陷、面缺陷(裂纹)属于热压力加工类缺陷。

③对棒料的金相观察可发现:成分偏析(成分带状偏析)、组织带状偏析、组织缺陷(如魏氏组织,其它异常组织)、渣孔等。

 

2、对锻件内部缺陷的发现

锻件作为制造机械零件的毛坯,也可以称为“材”。特别是一些重要机械零件(如重型变速箱或风电齿轮,齿轮轴等)对毛坯内部缺陷控制非常严格,毛坯内部缺陷的发现主要依靠超声波探伤。

对锻件超声波探伤可发现材料内部的主要缺陷有:白点、密集性缺陷、点状缺陷、面缺陷、延伸性缺陷等

①超声波探伤对白点与其它密集性缺陷的发现

“白点”属于材料的冶金类缺陷,其实质是钢在冶炼过程中氢含量超标(一般要求冶炼过程,经真空VD后取样测氢含量≤1.9PPm),在锻件冷却到室温过程中,氢以气体分子形态聚集于晶界处,将晶界撑破形态晶界裂纹,所以,白点的实质是材料的晶界裂纹,对机械零件的破坏性极大。

由于氢具有还原性,且白点所形态的晶界裂纹又属于封闭性的,所以发现白点后条件许可情况下,也可以通过“重新锻造+除氢”工艺消除材料中的“白点”。



案例一

下面是我公司对锻件“白点”的判断案例:

具体过程如下

超声波探伤定位-精准剖切样片-荧光磁探伤显示磁痕-定位打断口。

同时也可对精准剖切的样片做热酸浸蚀显示“白点”裂纹形态

也可在荧光显示磁痕后作“白点”金相形态观察。

以下是超声波纵波A扫描反射“白点”缺陷波形态

以下是超声波探伤定位后的精准切片


以下是对切片的荧光磁探伤显示磁痕


以下是对磁痕的标识及制作打断口样块


以下是“白点”的断口形貌


以下是在荧光磁痕处取金相观察试样情况


以下是“白点”的4001000倍光学金相形态


从以上案例可以看出,要准确判断材料中存在“白点”缺陷是需要最终打断口确认,但对锻件内部缺陷判断来说不可能每次都去打断口判断。我们的经验是通过对材料“白点”的存在条件、分布特点、超声波探伤反射波特征等,用超声波探伤初步判断,并结合锻造返工确认,如果材料内部的“白点”缺陷是可能通过锻造返工消除的。

 


 案例二:

下面是我公司对锻件“白点”的返工消除案例

由于氢具有还原性,且白点所形态的晶界裂纹又属于封闭性的,所以发现白点后条件许可情况下,也可以通过“重新锻造+除氢”工艺消除材料中的“白点”。

首先是锻件通过超声波探伤,发现心部有密集性缺陷,疑似“白点”。

制订合理的锻造返工工艺(重新锻造+除氢工艺)

返工后再次在同一件锻件上进行超声波探伤情,原有的密集性缺陷反射波已完全消失。


关于锻件内其它密集性缺陷的发现

我们在对锻件超声波探伤检测中,还发现有其它形态的密集性内部缺陷存在,虽然在超声波反射波型特征上与“白点”类似,但金相形态、缺陷分布特征、存在条件都有很大区别,这也是我们区别“白点”与其它密集性缺陷的依据。

A)锻造比不够造成锻件中心区域缩孔未焊合

B)材料局部成分偏析造成应力开裂

这两类缺陷的超声波探伤反射波型特征都很相似,但金相特征完全不同

下面是因锻造比不够,中心区域缩孔未焊合缺陷的取样过程与金相特征

 

下面是径向观察缺陷情况

轴向与么向的100倍金相组织观察

 

从纵向与径向金相组织观察看,这样的密集性缺陷与“白点”有明显差异,金相观察所看到的就是锻造未焊合的材料缩孔,这样的缺陷属于热压力加工缺陷。

下面是因材料局部区域成分偏析导致应力开裂形成的密集性缺陷

 

探伤及取样过程与前面一样(略)

下面是缺陷宏观形态

下面是缺陷金相形态


案例三:

另外再给大家分享一个铸钢件“白点”缺陷的判定案例

某一生产桥梁拉锚部件的企业,其生产的一款主缆锚杯为20Mn铸钢件。毛坯采购回厂后的第一道工序就超声波探伤,验收按GB/T 7233.1-2009《铸钢件超声波检测 第一部分 一般用途铸钢件》二级合格。

企业在对主缆锚杯毛坯探伤过程就发现,其内部存在大量的密集性缺陷,但缺陷的当量不大。双方为此发生僵持。

企业一方认为铸件内密集性缺陷太多,存在一定风险。

供应商则认为缺陷当量未超过标准的2级质量等级应该接收。

当企业请我去处理这个事时,我以毛坯探伤后发现确实为双方所述。但我仔细查看了拉锚杯图纸的技术要求,在产品技术要求中明确规定“不允许存在龟裂状缺陷”

最后双方达成一致意见,如果是裂纹性质的密集性缺陷,企业就拒收该批产品(毛坯价值近两百万);若密集性缺陷属于气孔或疏松性质,则企业就应接收这批产品。

下面就是通过对毛坯进行超声波探伤-精确定位-切片-磁探伤-打断口-对断口作扫描电镜观察-取样作光学金相观察。

下面是断口形貌

下面是光学金相观察情况

在重庆大学失效分析中心对断口作电镜扫描情况

最终判定:20Mn铸钢件毛坯内部缺陷属于冶金缺陷类型的“白点”。

企业拒收了这批毛坯,有效地杜绝了一次非常严重的潜在风险。



案例四:

锻件内部单个缺陷的发现

重要机械零件(如重型齿轮或风电齿轮)对材料内部单个缺陷控制较严,一般情况下不允许3倍全齿高区域内有超过Φ2当量的单个缺陷。

在材料内部的单个缺陷基本上以渣孔为主,属于冶金类缺陷。在实际操作中主要用超声波探伤发现。

下面是我公司用超声波探伤发现的锻件内部单个超标缺陷案例

对一件2.3T重齿轮锻坯探伤发现,在边缘记号向下深度85mm处发现当量Φ3的单个缺陷

 

经对缺陷精确定位后取样

对小样再次超声波探伤精确定位

按定位深度进行精准线切割金相观察面(也就是临近缺陷所在平面)


制作金相样件进行光学金相观察结果



金相观察结果初步表明,该单个缺陷应该属于冶炼类型的渣孔缺陷。

若要进一步判断渣孔处的组织成分,可将此样件在电镜下作能谱分析。

 

最后讲在“件”这个环节发现材料内部缺陷问题

在产品的生产过程中或在成品中发现材料内部缺陷,我们归纳为在“件”这个环节发现材料内部缺陷。



案例五:

下面与大家分享一个汽车零部件内部缺陷案例

某企业生产的汽车后芯轴为40Cr锻件,经调质-机加后成品,在装配过程中发现法兰盘处有裂纹

 

解剖后发现该裂纹从内部向外扩展,裂纹应该属于材料内裂纹而非外部原因造成。

经超声波探伤并解剖发现,裂纹均发生在法兰处并作横向延伸,若作为材料原始内部缺陷,不可能都分布在同一位置并且形态基本一致。

对锻件毛坯探伤,用裂纹件取样在裂纹处作金相观察,裂纹处没有任何异常现象

然后将探伤无裂纹锻件在法兰处剖切作锻造流线显示,法兰处锻造流线如下图



最后结合后芯轴锻造工艺(法兰为一次锻造成型)、裂纹处金相组织、裂纹分布特征、法兰处锻造流线特征等综合分析,该缺陷虽然属于锻件内部缺陷,但不属于材料自身带来,而属于锻造工艺不当在法兰处上下流线分层间,金属变形不一致形成过大剪切应力导致材料撕裂。

纠正措施:

锻造工艺由原来一次锻造成形改成“放坯—成型”,通过减少法兰处锻造一次变形量加以解决。

 

总结:

材料的内部缺陷主要通过无损检测方法发现,但在判定材料内部缺陷的属性过程,还有必要曾加光学金相观察或扫描电镜观察。只有通过大量实践才能在不破坏产品(毛坯)条件下,发现并判定缺陷属性。


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