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引起金属材料失效的常见缺陷

2021-06-09 14:36       

  铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂纹、气泡和白点等。

  缩孔

  金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状(或喇叭状)或分散的孔洞,称为缩孔。缩孔的相对体积与与液态金属的温度、冷却条件以及铸件的大小等有关。液态金属的温度越高,则液体与固体之间的体积差越大,而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时,型壁越薄、则受热越快,液态金属越不易冷却,在刚浇完铸型时,液态金属的体积也越大,金属冷凝后的缩孔也就越大。

  疏松

  在急速冷却的条件下浇注金属,可避免在铸锭上部形成集中缩孔,但此时液体金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值,虽然在表面上似乎已经消除了大的缩孔,可是有许多细小缩孔即疏松,分布在金属的整个体积中。

  钢材在锻造和轧制过程中,疏松情况可得到很大程度的改善,但若由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因,则在热加工后较严重的疏松仍会存在。此外,当原钢锭中存在着较多的气泡,而在热轧过程中焊合不良,或沸腾钢中的气泡分布不良,以致影响焊合,亦可能形成疏松。

  疏松的存在具有较大的危害性,主要有以下几种:

  (1)在铸件中,由于疏松的存在,显著降低其力学性能,可能使其在使用过程中成为疲劳源而发生断裂。在用作液体容器或管道的铸件中,有时会存在基本上相互连接的疏松,以致不能通过水压试验,或在使用过程中发生渗漏现象;

  (2)钢材中如存在疏松,亦会降低其力学性能,但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松,故疏松对钢材性能的影响比铸件的小;

  (3)金属中存在较严重的疏松,对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。

  

金属材料失效分析

 

  偏析

  金属在冷凝过程中,由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。偏析分为晶内偏析、晶间偏析、区域偏析、比重偏析。

  由于扩散不足,在凝固后的金属中,便存在晶体范围内的成分不均匀现象,即晶内偏析。基于同一原因,在固溶体金属中,后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同,即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。

  在浇注铸键(或铸件)时,由于通过铸型壁强烈的定向散热,在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就必然导致外层区域富集高熔点组元,而心部则富集低熔点组元,同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。

  在金属冷凝过程中,如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时,这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮,所形成的化学成分不均匀现象,称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大,比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差,以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢,随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢,则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大,因而比重偏析也越强烈。

  气泡

  金属在熔融状态时能溶解大量的气体,在冷凝过程中因溶解度随温度的降低而急剧减小,致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固,则剩下的气体不易逸出,有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中,于是形成气孔,则称其为气泡。

  气泡的有害影响表现如下:

  (1)气泡减少金属铸件的有效截面,由于其缺口效应,大大降低了材料的强度;

  (2)当铸锭表面存在着气泡时,在热锻加热时可能被氧化,在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝;

  (3)在沸腾钢及某些合金中,由于气泡的存在还可能产生偏析导致裂缝。

  

金属材料失效分析

 

  白点

  在经侵蚀后的横向截面上,呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝;而在纵向断面上会发现表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点,这种缺陷称为白点。

  白点最容易产生在镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。

  奥氏体钢及莱氏体钢中,从未发现过白点;铸钢中也可能发现白点,但极为罕见;焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系,横截面的直径或厚度小于30mm的钢材不易产生白点。

  通常具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低并不多,但伸长率则显著降低,尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多,有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能比纵向力学性能降低得多。因此具有白点的钢材一般不能使用。