1、金屬的低倍組織缺陷分析一、 原理概述金屬的低倍組織缺陷檢驗(yàn)也稱(chēng)為宏觀檢驗(yàn)。它是用肉眼或不大于十倍的放大鏡檢查金屬表面、斷口或宏觀組織及其缺陷的方法。宏觀檢驗(yàn)在金屬鑄錠、鑄造、鍛打、焊接、軋制、熱處理等工序中，是一種重要的常用檢驗(yàn)方法。這種檢驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)便、迅速，能反映金屬宏觀區(qū)域內(nèi)組織和缺陷的形態(tài)和分布特點(diǎn)情況。使人們能正確和全面的判斷金屬材料的質(zhì)量，以便指導(dǎo)科學(xué)生產(chǎn)、合理使用材料。還能為進(jìn)一步進(jìn)行光學(xué)金相和電子金相分析作好基礎(chǔ)工作。宏觀檢驗(yàn)包括低倍組織及缺陷檢驗(yàn)(包括酸蝕、硫印、塔形車(chē)削以及無(wú)損控傷等方法)和斷口分析等。1較典型的宏觀缺陷較典型的宏觀缺陷有偏析、疏松、縮孔、氣泡、裂紋、低倍夾

2、雜、粗晶環(huán)等。(1) 偏析合金化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫做偏析。根據(jù)偏析的范圍大小和位置的特點(diǎn)，一般可以分為三種。即晶內(nèi)偏析和晶間偏析、區(qū)域偏析、比重偏析。晶內(nèi)偏析和晶間偏析   如固溶體合金澆注后冷凝過(guò)程中，由于固相與液相的成分在不斷的變化，因此，即使在同一個(gè)晶體內(nèi)，先凝固的部分和后凝固的部分其化學(xué)成分是不相同的。這種晶內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫晶內(nèi)偏析。這種偏析常以樹(shù)枝組織的形式出現(xiàn)，故又稱(chēng)為枝間偏析。這種偏析一般通過(guò)均勻退火可以將其消除?；谕瑯拥脑?，在固溶體合金中先后凝固的晶體間成分也不相同，這種晶體間化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象叫做晶間偏析。區(qū)域偏析  在鑄

3、錠結(jié)晶過(guò)程中，由于外層的柱狀晶的成長(zhǎng)把低熔點(diǎn)組元、氣體及某些偏析元素推向未冷卻凝固的中心液相區(qū)，在固、液相之間形成與錠型外形相似形狀的偏析區(qū)。這種形態(tài)的偏析多產(chǎn)生在鋼錠結(jié)晶過(guò)程，由于鋼錠模橫斷面多為方形，所以一般偏析區(qū)也是方框形，故常稱(chēng)為方框偏析。在酸浸試片上呈腐蝕較深的，并由暗點(diǎn)和空隙組成的方形框帶鑄錠的外層是富集高熔點(diǎn)組元，而鑄錠心部則富集了低熔點(diǎn)的組元和雜質(zhì)。與正偏析相反的是反偏析。反偏析恰與正偏析相反。當(dāng)合金的鑄錠發(fā)生反偏析時(shí)，鑄錠表面溶質(zhì)高于合金的平均成分，中心人溶質(zhì)低于合金的平均成分；有時(shí)鑄錠表面富集低熔點(diǎn)組元和雜質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)可在鑄錠表面形成反偏析瘤。反偏析的形成原因，一般認(rèn)為，結(jié)晶

4、溫度范圍寬的合金，在凝固過(guò)程中形成粗大樹(shù)枝晶時(shí)，枝晶間富溶質(zhì)的金屬液在凝殼的收縮壓力、熔液內(nèi)部釋出的氣體壓力、液柱靜壓力、大氣壓力的作用下，沿著枝晶間的毛細(xì)管通道向外移動(dòng)，到達(dá)鑄錠表層，冷凝后形成反偏析。在有色合金中Cu-Sn和Al-Cu合金是發(fā)生反偏析的典型合金。重力偏析  在合金凝固過(guò)程中，如果初生的晶體與余下的溶液之間比重差較大，這些初生晶體在溶液中便會(huì)下沉或上浮。由此所形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱(chēng)為重力偏析，亦稱(chēng)為比重偏析。Cu-Pb、Sn-Sb、Al-Sb等合金易于產(chǎn)生重力偏析。(2) 縮孔和疏松在鑄錠的頭部、中部、晶界及枝晶間，常常有一些宏觀和顯微的收縮孔洞，統(tǒng)稱(chēng)

5、為縮孔。容積大而集中的縮孔稱(chēng)為集中縮孔；細(xì)小而分散的縮孔稱(chēng)為疏松。其中出現(xiàn)在晶界和枝晶間的縮孔又稱(chēng)為顯微疏松?？s孔和疏松的形狀不規(guī)則，表面不光滑，易與較圓滑的氣孔相區(qū)別。產(chǎn)生縮孔和疏松的直接原因，是金屬液凝固時(shí)發(fā)生的凝固體收縮。殘余縮孔在金屬材料的橫向酸浸試片的軸心部位，易于識(shí)別。疏松在橫向酸浸試片上呈暗黑色的小點(diǎn)和細(xì)小的孔隙。這是因?yàn)槭杷杀旧砭褪秋@微孔洞，而且在這些顯微孔洞的周?chē)偸前殡S著偏析，因而容易受到浸蝕。疏松小點(diǎn)可能分布在試片檢驗(yàn)面的各個(gè)部位。根據(jù)其所在位置，可將疏松分為中心疏松和一般疏松。(3) 氣孔根據(jù)氣孔在鑄錠中出現(xiàn)的位置，可將其分為表面氣孔、皮下氣孔和內(nèi)部氣孔三類(lèi)。見(jiàn)圖10-

6、3。根據(jù)氣孔的成因，又可分為析出型氣孔和反應(yīng)型氣孔兩類(lèi)。析出型氣孔是由于金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體，在冷凝過(guò)程中，又由于溶解度隨溫度的降低而急劇的下降，特別是在金屬凝固時(shí)，由于氣體溶解度的劇烈下降而析出大量的氣體。當(dāng)金屬完全凝固，氣體不能逸出時(shí)，在鑄錠或件內(nèi)部形成了氣孔。反應(yīng)型氣孔是金屬在凝固過(guò)程中，與模壁表面水份、涂料及潤(rùn)滑劑之間或金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而產(chǎn)生的氣體形成氣泡，且來(lái)不及上浮逸出而形成的氣孔。氣孔一般是圓形的，表面較光滑。壓力加工時(shí)氣孔可被壓縮，但難以壓合，常常在熱加工和熱處理過(guò)程中產(chǎn)生起皮起泡現(xiàn)象。1.jpg (15.16 KB)2008-6-25 00:10(4)

7、裂紋大多數(shù)成分復(fù)雜或雜質(zhì)總量較高或有少量非平衡共晶的合金，都有較大的裂紋傾向。尤其是大型鑄錠。在冷卻強(qiáng)度大的連鑄條件下，產(chǎn)生裂紋的傾向更大。在凝固過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為熱裂紋。凝固后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為冷裂紋。熱裂紋多沿晶界擴(kuò)展，曲折而不規(guī)則，冷裂紋常為穿晶裂紋，多呈直線擴(kuò)展。除開(kāi)鑄錠裂紋外，由于熱加工如軋制、鍛壓、熱處理過(guò)程中都可能出現(xiàn)裂紋。鍛軋裂紋多是由于不適當(dāng)?shù)腻懺旎蜍堉撇僮饕约凹訜峁に嚩斐傻摹．a(chǎn)生在中心部位具有龜裂特征。有時(shí)也產(chǎn)生在工件邊緣，這是表現(xiàn)為垂直于邊緣呈開(kāi)放開(kāi)裂。除開(kāi)上述裂紋外，發(fā)紋也是鋼材中易于出現(xiàn)的一種缺陷。發(fā)紋是綱中氣孔和夾雜在加工變形過(guò)程中沿鍛軋方向被延伸所形成的

8、細(xì)粘裂紋。發(fā)紋是應(yīng)力集中的地方，對(duì)疲勞強(qiáng)度有著嚴(yán)重的影響。一般對(duì)制造重要機(jī)件所用鋼材，都要做塔形車(chē)削發(fā)紋的檢驗(yàn)。對(duì)發(fā)紋的數(shù)量、大小及分布情況都有嚴(yán)格的限制。塔形發(fā)紋檢驗(yàn)是將鋼材按規(guī)定車(chē)成階梯形的試樣，后用酸蝕法或磁力探傷法進(jìn)行檢查。(5) 低倍夾雜在酸浸低倍試樣上，有的肉眼可以看到耐火材料、爐渣及其它非金屬夾雜物，這些較粗大的夾雜稱(chēng)為低倍夾雜。它們?cè)谒峤嚻弦澡偳兜男问酱嬖?，并保持其固有的各種顏色，常見(jiàn)的有灰白色、米黃色和暗灰色等。有些低倍夾雜在制片時(shí)可能脫落，而表面為空洞?？斩吹奶攸c(diǎn)區(qū)別于氣泡是它的邊緣不整齊，呈海綿狀。(6) 流線流線是金屬中的低熔點(diǎn)成分和帶狀組織偏析在軋制或擠壓時(shí)伸展而

9、形成的。同時(shí)，鑄錠的晶粒在軋制過(guò)程中也被拉長(zhǎng)成條狀。經(jīng)過(guò)再結(jié)晶加熱過(guò)程能使長(zhǎng)條形晶?；謴?fù)成等軸晶粒，但是由于低熔點(diǎn)成分和帶狀組織伸長(zhǎng)所形成的條紋分布仍然存在。在鋼材的縱向截面上經(jīng)拋光和酸浸后，用肉眼可以看到這種條紋狀的線條。這種宏觀組織稱(chēng)為纖維組織，又稱(chēng)為流線。見(jiàn)示意圖10-4。    2.jpg (4.91 KB)2008-6-25 00:10圖10-4 鋼棒料(a)和鍛件(b)內(nèi)的纖維分布不能認(rèn)為合理分布的流線是一種缺陷。因?yàn)閹缀跛薪?jīng)過(guò)軋制、擠壓或鍛造的金屬型材、制件中都存在著流線。但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到由于這種流線的分布，會(huì)引起在性能上各向異性反映。試驗(yàn)也表明：在鋼中順纖維方

10、向切取的試樣機(jī)械性能要比橫纖維方向試樣的高。因此，控制流線的合理分布；了解應(yīng)力與流線分布及機(jī)械性能間的關(guān)系是至為重要的。(7) 粗晶環(huán)粗晶環(huán)是鋁合金擠壓制品中的主要缺陷之一。鋁合金擠壓件在隨后的加熱時(shí)引起外層晶粒粗大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為粗晶環(huán)。其表征特點(diǎn)是：對(duì)單孔擠壓棒材來(lái)說(shuō)，粗大組織區(qū)呈對(duì)稱(chēng)環(huán)狀。多孔擠壓棒材呈偏心月牙狀。粗晶環(huán)的存在會(huì)劇烈降低機(jī)械性能。粗晶環(huán)還具有組織“遺傳性”。用有粗晶環(huán)的毛坯進(jìn)行模壓后，原來(lái)的粗晶區(qū)仍然保留，造成模壓件之組織不勻及影響表面質(zhì)量。甚至在熱處理過(guò)程中還易于引起開(kāi)裂。研究表明，形成粗晶環(huán)根本原因是擠壓變形的不均勻笥所致。2低倍組織及缺陷浸蝕方法低倍組織浸蝕方法分為熱

11、酸浸蝕法、冷酸浸蝕法和電解腐蝕法三種。本次實(shí)驗(yàn)采用冷酸浸蝕，有關(guān)酸浸蝕液成分參見(jiàn)附錄1-1。冷酸浸蝕操作要點(diǎn)如下：(1) 根據(jù)材料種類(lèi)選用合適的和一定配比的浸蝕液。(2) 試樣檢驗(yàn)面的光潔度應(yīng)在 7以上，酸蝕前應(yīng)將檢驗(yàn)面擦凈，去除油污。(3) 用擦蝕法時(shí)，將酸液慢慢倒在置地耐酸盆中的試樣同上，然后用刷子將酸液刷勻，直至清晰顯示出低倍組織和缺陷為止。(4) 浸蝕好后，用水沖掉酸液，并用堿水中和，然后用再熱水沖洗，立即吹干。3斷口分析金屬斷口按其斷裂方式可分為脆性斷口(晶粒狀斷口)、韌性斷口(纖維狀斷口)和疲勞斷口。根據(jù)其斷口的形狀可以研究金屬的強(qiáng)度和零件受力破裂的原因。脆性斷口 

12、60;金屬斷裂前未經(jīng)過(guò)塑性變形，有的沿晶界斷裂(稱(chēng)為晶間斷裂)有的沿晶內(nèi)斷裂(稱(chēng)為穿晶斷裂)，這種斷口原來(lái)的晶粒未被歪曲，其大小和形狀能保持焉。晶界斷裂的原因除了金屬的本性以外，往往是由于金屬過(guò)燒，晶界上發(fā)生氧化或雜質(zhì)存在于晶界，因而降低了晶界的強(qiáng)度。晶內(nèi)斷裂是由于晶粒本身強(qiáng)度不高，或在結(jié)晶過(guò)程中沿晶粒內(nèi)某些晶面夾入了雜質(zhì)。斷口的形狀見(jiàn)實(shí)物。韌性斷口  斷裂以前發(fā)生了塑性變形。原晶粒被歪曲(拉長(zhǎng)或破碎)，不再保持原來(lái)的大小、形狀，因而不能從這些斷口中研究金屬內(nèi)部組織。斷口的形狀見(jiàn)實(shí)物。3.jpg (10.35 KB)2008-6-25 00:10圖10-5疲勞斷口疲勞斷口  承受交變應(yīng)力的機(jī)械零件(例如軸)破裂首先由表面小裂紋開(kāi)始。