1.白点缺陷(也称“发裂”)
存在于钢锭中未逸散的氢原子在锻造时的组织应力作用下,加上锻后冷却速度过快等外因,容易从原子态转变成分子态,导致其体积急剧增大,其应力超过了钢的极限强度就形成开裂。白点的形态特征是表面光滑洁净,在锻件的纵向断口上呈现为片状的银白色椭圆形斑点,其直径大小可从1mm至十几毫米。
白点的形成有成批性的特点(一个炉号的钢中有白点存在时,用该炉号钢锭锻造的大多数锻件都有,就笔者所亲自经历检验过的最高比例可达到48%),特别是含铬、钼、镍、锰、钨等元素成分较多的钢材,对白点形成的敏感性较强,故也称为白点敏感性钢,例如5CrNiMo、 40CrNiMo 5CrMnMo等,在某种情况下,甚至如45#钢也会产生白点。(例如因为炼钢炉料干燥不够以致含水量较大,在冶炼时的高温作用下,水分子分解为氢原子和氧原子。氧原子被造渣排出,而氢原子则未能逸出而弥散分布在钢内。)
对于锻造(轧制)棒材,白点在钢棒横截面上呈现为辐射状短裂纹,多集中在中心到半径的一般范围内(图4-1-16)。对于方坯锻件,白点在横截面上呈现为沿流线分布并带辐射趋向的短裂纹,通常位于锻件上厚度最大部分的区域中(图4-1-17)。
2.发纹
发纹是金属中细小的非金属夹杂物、孔隙或气孔、疏松等在压力加工过程中沿金属变形方向被延伸拉长而形成的细小缕状缺陷,其宽度(直径)极小,通常在零点几毫米以下,故用超声波检测较难发现,一般多用磁粉检测或金相酸浸腐蚀低倍、硫印等方法进行检验评定。
图4-1-16 德国WNr2713 钢轧棒(φ230mm)中的白点
超声纵波在棒材周面径向入射探测发现白点缺陷:(a)横向低倍照片;(b)因为存在白点缺陷导致锻造时开裂的端面外观;(c)纵向断口显示典型的白点缺陷特征;(d)在高倍下观察显示为穿晶裂纹;(e)探测到白点时的波形显示(CTS-6型超声波探伤仪)。
注:该批棒材共探伤检查13.28吨,发现白点的有4.9吨,占37%,由于开坯锻造前未经超声波探伤检查而造成的锻造工时与人力浪费尚未计入。
锻后退火,黑皮,超声纵波在方坯表面垂直入射探测时发现。纵向断口显示典型的白点缺陷特征(银白色片状),产生原因:炼钢原材料受潮含有水分,在高温下分解出氢气,锻后未及时进行“红装等温退火”缓冷处理。
图4-1-18 示出氧气压缩机40Cr螺栓上的表面发纹(磁痕显示照片)。
3.疏松
这是锻件经锻造后未能充分破碎和改善原来的铸态组织而留下的组织结构,一般是锻造变形比不够所致。疏松对超声波有较大的散射和吸收衰减。
4.过热
锻造时对锻坯加热温度过高,超过了金属的再结晶温度,导致晶粒急剧长大形成粗晶(图4-1-19和图4-1-20),或者一些导热性不良的金属(例如钛合金)锻造变形过于剧烈时,由于变形热效应而造成局部过热,形成粗晶(图4-1-21)。过热组织的主要表现是晶粒粗大,有损金属的塑性性能,对超声波有较大的散射衰减,往往在示波屏上表现为具有较高的杂波水平或者较大的底波损失。过热组织有可能通过热处理来改善。
5.过烧
过烧是比过热更严重的缺陷,它是由于对金属加热温度大大超过了金属的再结晶温度,以致晶界上的低熔点物质熔化或发生晶界氧化造成的,它严重破坏了金属晶粒间的结合力,使金属的塑性和强度性能严重恶化。发生过热的金属在压力加工时会承受不了变形力而产生严重开裂或龟裂,俗称为“豆腐渣”。过烧组织对超声波的散射衰减和杂波干扰严重,并且无法再通过热处理或其他途径恢复和改善(亦即只有报废)。
锻后退火,黑皮,超声纵波探伤(多次底波衰减法)发现粗晶缺陷,产生原因:退火热处理炉温度控制失灵,退火时温度过高。
锻后退火,黑皮,超声纵波探伤(多次底波衰减法)发现粗晶缺陷,产生原因:锻造时锻坯加热温度过高。
产生原因:锻造时锻坯变形速度过大,变形热效应导致局部过热:左为圆饼中心部位纵向剖面的低倍照片,显示出中层亮晶区域即为粗晶区域;中为粗晶区域在显微镜下观察的高倍照片,显示为过热魏氏组织;右为粗晶引起的杂波显示。
图4-1-22 示出一些高温合金因为加热温度过高导致过烧,然后在锻造时开裂的外观照片。
图4-1-22 高温合金过烧断裂:(a)GH16环轧件开裂的砂轮切割剖面;(b)GH16环形件锻坯碎裂外观;(c)GH16环形件碎裂外观;(d)GH901环形件热冲孔时开裂外观
6.偏析
金属材料内部的偏析有成分偏析和组织偏析,成分偏析的形成与冶炼有关(成分分布不均匀),组织偏析主要是后续锻造加工过程中显微组织不均匀而形成的。偏析造成金属材料的组织不均匀,会影响金属材料的局部力学性能,但是并非全部都用超声检测发现,图4-1-23至图4-1-27给出了几个示例。
除了疏松、过热和过烧均是区域性密集缺陷以外,其他的缺陷大都呈面积型单个缺陷显示,这是由于锻造过程中把铸态的体积型缺陷变成了扁平状态的面积型缺陷,其取向多沿金属变形方向(金属流线方向),这就是锻件缺陷的主要特征。在对锻件进行超声检测时,事先对锻件的锻造工艺和生产流程,锻件中可能产生缺陷的种类、取向及部位有基本了解是非常必要的。