各类金属常见缺陷.docx

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各类金属常见缺陷

各类金属材料常见缺陷与对策

一、高温合金锻件常见的缺陷与对策

（一）概述

高温合金主要用于制造燃气涡轮发动机的重要零件，如涡轮叶片、涡轮盘、承力环、火焰筒安装座等。

此类零件不仅要求具有很高的高温性能和良好的疲劳性能，而且要求具有抗氧化、抗腐蚀性能和一定的塑性。

变形高温合金可分为铁基、镍基和钴基合金三类，这里主要介绍前两类。

我国常用的合金牌号有GH30、GH32、GH33、GH34、GH36、GH37、GH43、GH49、GH130、GH135、GH140和GH220等。

其中GH34、GH36、GH130、GH135、GH140是铁基高温合金，其余的是镍基高温合金。

在这些高温合金中含有大量的Cr、Ni、Ti、Al、W、Mo、V、Co、Nb、B、Ce等合金元素。

就铁基高温合金来说，加人较多的Cr是为保证合金在高温下的抗氧化能力；加人较多的镍，一方面是为保证得到奥氏体基体，另一方面是与钛、铝生成合金的主要强化相Ni3（Ti、Al），还有一个方面是镍和铬配合使用能够提高合金的抗氧化能力；加人高熔点的金属元素如W、Mo、V、Co等来提高合金的再结晶温度；加入W、MO、V、Nb等强烈的碳化物形成元素和合金中微量的碳作用，生成高度分散的高熔点的碳化物粒它们主要分布在晶界处，是强化相；加入硼是为了生成硼和金属元素间的硼化物，硼化物分布在晶界处，是强化晶界的主要强化相；铈的加入是为了进一步清除液态合金中的杂质元素，因而使合金晶界处得到净化，有较紧密的结合，有较高的强度。

我国高温合金特别是镍基耐热合金的冶炼方法主要是电弧炉、电弧炉+真空自耗、电弧炉+电渣重熔。

为了提高合金的纯度以提高合金的性能，往往采用电弧炉+真空自耗。

但该种冶炼方法往往由于杂质少，易出现粗晶缺陷。

耐热合金铸锭中存在的冶金缺陷较多，例如铸锭中柱状组织较为发达，存在显微疏松和枝状疏松以及各种宏观及微观不均匀组织，致使铸态合金的性能较低，经过热塑性变形后合金的性能有较大提高，随总变形程度增大，高温合金纵向纤维试样的力学性能，也和普通结构钢一样有规律地提高，但其横向试样的力学性能不像结构钢那样剧烈下降，而是变化较小。

这是由于：

具有均匀固溶体的单相高温合金，在变形及随后的再结晶所获得的晶体位向与主变形方向仅有较小的重合，这就减小了纤维纵向和横向力学性能之间的差别。

而结构钢通常具有多相组织，在塑性变形过程中所获得的纵向上的方向性组织在再结晶后仍部分地保留下来，加之结构钢的杂质较多，它们沿纵向被拉长，这就使得其纵向和横向性能间的差别较大。

为了获得较高的力学性能，高温合金的总压缩比通常控制在4～10范围内。

晶粒尺寸对高温合金的性能有较大影响，从室温力学性能的角度看，晶粒愈细愈好。

例如GH135合金，当晶粒度从4～6级细化到7～9级时，室温疲劳强度从290MPa提高到400MPa，但从高温性能角度看，晶粒适当粗些可使晶界总面积减少，有利于提高合金的持久强度。

对于高温合金来说，晶粒大小不均匀是最有害的，它将使持久强度和抗蠕变强度显著降低。

因此，综合晶粒度对室温和高温性能的影响，取均匀适中晶粒为宜。

高温合金锻件晶粒的最终尺寸除与固溶温度等有关外，还与固溶前锻件的组织状态有很大关系。

如果锻后是未再结晶的组织．而且处于临界变形程度时，固溶处理后将形成粗大晶粒；如果锻后是完全再结晶组织，固溶处理后一般可以获得较细较均匀的晶粒；如果锻后是不完全再结晶组织，固溶处理后晶粒将是大小不均匀的。

锻件的组织状态取决于锻造温度和变形程度，应注意控制。

高温合金的锻造特点是：

1.塑性低

高温合金由于合金化程度很高，具有组织的多相性且相成分复杂，因此，工艺塑性较低。

特别是在高温下，当含有s、Ph、Sn等杂质元素时，往往削弱了晶粒间的结合力而引起塑性降低。

高温合金一般用强化元素铝、钛的总含量来判断塑性高低，当总含量≥6％（质量分数）时，塑性将很低。

镍基高温合金的工艺塑性比铁基高温合金低。

高温合金的工艺塑性对变形速度和应力状态很敏感。

有些合金铸锭和中间坯料需采用低速变形和包套镦粗，包套轧制，甚至包套挤压才能成形。

2.变形抗力大

由于高温合金成分复杂，再结晶温度高，再结晶速度慢，在变形温度下具有较高的变形抗力和硬化倾向。

变形抗力一般为普通结构钢的4～7倍。

3.锻造温度范围窄

高温合金与碳钢相比，熔点低，加热温度过高容易引起过热、过烧。

若停锻温度过低，则塑性低、变形抗力大，且易产生冷热混合变形导致锻件产生不均匀粗晶。

因此，高温合金锻造温度范围很窄，一般才200℃左右。

而镍基耐热合金的锻造温度范围更窄，多数在100～150℃，有的甚至小于100℃。

4.导热性差

高温合金低温的热导率较碳钢低得多，所以，一般在700～800℃范围需缓慢预热，否则会引起很大的温度应力，使加热金属处于脆性状态。

（二）锻造过程中常见的缺陷与对策

高温合金锻件，除了因原材料冶金质量不良引起的非金属夹杂、异金属夹杂、带状组织。

分层、碳化物堆积、点状偏析、残留缩孔和疏松等缺陷外，由于锻造工艺不当经常出现的缺陷有下面几种：

1.粗晶

粗晶是指在锻件中存在有晶粒粗大或晶粒大小不均匀的组织。

它是高温合金锻件中最常见M一种缺陷。

粗晶使材料的疲劳和持久性能明显下降。

涡轮叶片、涡轮盘等重要零件，对粗晶均有严格要求。

粗晶产生的主要原因有：

变形温度低于或接近于合金再结晶温度；加热温度过高，变形程度小（处于临界变形程度范围内）或变形不均匀，以及合金成分控制不当等。

具体介绍如下。

锻造加热温度过高或原始晶粒过大，锻造时变形分布不均匀或变形小的部分落人临界变形范围；或锻造温度过低，形成冷热混合变形，固溶处理后在锻件体内将产生晶粒大小不均匀。

防止的对策是控制好加热和锻造温度；改善坯料形状，使模锻时各断面变形尽量均匀一致；以及采用原始晶粒度小的坯料等。

锻造时如表层金属变形程度小，落人临界变形范围或终锻时锻件表面温度低于合金的再结晶温度，留下加工硬化痕迹，固溶处理后将产生表面粗大晶粒。

防止的对策是将模具预热温度提高到350℃，操作工具预热至150℃，采用效果良好的润滑剂，加快操作，防止闷模使金属表面温度急剧下降，最好整个模锻操作时间不超过10s。

在其它条件正常的情况下如固溶温度过高将产生锻件整体粗晶。

当合金中存在钛氨化合物、硼氮化合物等，形成偏析时，这些化合物偏析都阻碍晶粒长大，因此，锻件中有这类偏析的部分，具有细小的晶粒和较高的硬度，没有这类偏析的部分，晶粒则比较粗大，导致在锻件内形成大小不均匀的晶粒。

GH88合金增压器叶片锻造时，当锻造加热为1070℃，30min和1180℃，45min，以及锻造中不涂润滑剂时，经正常热处理（1180℃，lh水淬十800℃，16h时效）后的叶片锻件皆出现不同程度的粗晶（见图片5-13～16）。

该叶片的原坯料为均匀细小的晶粒组织（见图片5-17）。

当锻造加热为1070℃，30min时，叶片的表层温度低，发生了不均匀变形，表层金属处于临界变形程度范围内，热处理后导致叶片产生粗晶。

而当锻造加热为1180℃，45min时，由于临界变形，处于叶背的表层金属在高温下发生了聚集再结晶，因此形成了粗晶。

当叶片模锻时不涂润滑剂，由于表层摩擦力大，使叶片发生了不均匀变形，在叶身内必然有某一部位处于临界变形，导致出现粗晶。

当选用适宜的加热规范（1130℃，30min）和改善润滑条件后，叶片基本上不再出现粗晶，其低倍组织及高信组织见图片5-18～19。

图片5-131070℃，30min加热模锻的叶片低倍组织（叶脊及叶盆处晶粒粗大）

图片5-141180℃，45min加热模锻叶片叶身中部的晶粒情况100×

图片5-151180℃，45min加热模锻叶片背粗大晶粒100×

图片5-16不涂润滑剂模锻叶片叶身粗晶情况

图片5-17GH88合金原棒材均匀细小的晶粒组织400×

图片5-181130℃/30min加热模锻的叶片的低倍组织（粗晶基本消除）

图片5-191130℃/30min加热模锻的叶片叶身的粗晶情况100×

介绍了GH49合金锻造叶片的临界变形粗晶，该例分析认为该合金临界变形粗晶的形成机制是由少数原有晶粒的直接长大而形成的，晶粒直接长大的最初驱动力是晶界两侧的畸变能差。

解决该临界变形粗晶的措施主要是：

增大终锻时的变形程度；终锻后将叶片立即放人与锻造温度相同的退火炉内保温10min，以使畸变能尽可能地释放；另外，选用合适的变形温度和改善润滑条件。

为避免高温合金锻件产生粗晶，生产中还应注意如下问题：

1）高温合金锻件的粗晶，与原材料及锻造工艺过程中各个环节（包括加热、变形、模具、润滑、操作等）均有关系。

因此，为保证锻件质量稳定，工艺编制要详细、正确，执行工艺要严格、准确。

高温合金的重要锻件，即使小量生产，也应采用模锻。

2）不同牌号高温合金的再结晶特性有所不同。

例如，多数高温合金的临界变形程度为3%～5%，而GH135合金为4%～6%，锻造时应使各处变形程度超过上述数值。

3）不同冶炼方法、不同炉号的同牌号高温合金，由于化学成分的实际含量有差别，因此实际再结晶温度和聚集再结晶温度常常是不一样的。

强碳化物和金属间化合物的形成元素碳、铝、钛等的影响更为明显。

例如，生产和试验证明：

不同冶炼方法、不同炉号的GH33合金，其适宜的最高加热温度在1070～1140℃之间变化。

因此应根据各批材料的情况采用具体的有效措施。

2.裂纹

高温合金由于塑性差，锻造时经常出现各种裂纹。

尤其是铸锭，由于具有粗大的柱状晶，锻造时更易开裂。

产生裂纹的原因主要有：

1）有害杂质含量多，铅、秘、锡、锑、砷、硫等都是高温合金中的有害杂质，这些元素的熔点低，在合金中分布于晶界上，降低了合金的塑性；

2）合金中某些元素（例如，GH37中的硅、硼及GH132、GH135中的硼）含量偏高，它们在合金中形成脆性化合物，并沿晶界分布，使合金的塑性降低；

3）铸锭表面和内部的质量差，或棒材中存在某些冶金缺陷（例如，夹杂物、分层、缩孔残留、疏松、点状偏析、碳化物堆积等），锻造时引起开裂；

4）在火焰炉中加热时，燃料和炉气中含硫量过高，硫与镍作用后形成低熔点共晶体，沿晶界分布，降低了合金的塑性；

5）装炉温度过高，升温速度过快，尤其在加热铸锭和断面尺寸大的坯料时，由于合金导热性差，温度应力大，易引起炸裂；

6）加热温度过高或变形温度过低；

7）变形程度过大或变形速度过快；

8）变形工艺不当，存在较大的拉应力和附加拉应力。

为防止产生裂纹，应当采取如下对策：

1）对原材料应按标准进行检查，要严格控制有害元素的含量。

某些有害元素（例如硼）过多时，可适当降低锻造加热温度；

2）铸锭需经扒皮或砂轮清理后，才能加热锻造；

3）加热时应控制装炉温度和升温速度；

4）在火焰炉中加热时应避免燃料中含硫量过高。

同时，也不应在强氧化性介质中加热，以免氧扩散到合金中，使合金塑性下降；

5）要注意控制加热和变形温度；

6）铸锭拔长时，开始应轻击，待铸态组织得到了适当破碎，塑性有所提高后，再增大变形量。

拔长时的每火次总变形量应控制在30％～70％范围内，不应在一处连击，应采用螺旋式锻造法，并应从大头向尾部送进。

对于塑性很低的合金铸锭和中间坯，可采用塑性垫、包套墩粗等变形工艺。

7）工模具应进行预热（预热温度一般为150～350℃），锻造和模锻时应进行良好的润滑。

3.过热、过烧

若合金的加热温度过高，高温保温时间过长，则晶粒急剧长大，晶界变粗变直，析出相沿晶界呈条状和网状分布，使合金塑性降低，锻造时易产生开裂，同时还引起合金元素贫化。

若进一步提高加热温度，则晶界上的低熔点相将发生氧化和熔化，形成三角晶界，使晶粒松弛并产生掉晶现象，锻造时产生碎裂。

过热、过烧后的合金组织是不能用随后的固溶处理加以消除的，故应严格控制加热温度。

4.合金元素贫化

高温合金加热时，常产生碳、硼等合金元素贫化。

碳、硼是强碳化物和金属间化合物的形成元素。

贫碳、贫硼，将使合金的高温持久强度明显下降，室温塑性和韧性降低，并能引起表层晶粒粗大。

采用无氧化加热可以防止贫碳，但贫硼现象仍然存在（见表5-5）。

为减少合金元素贫化，应避免高温长时间保温。

对于合金元素贫化的锻件，为了保证零件的使用性能，贫化层必须在机加工时全部除去。

表5-5高温加热条件对合金元素贫化的影响

合金牌号

加热规范

加热设备及保护措施

贫碳层/mm

贫硼层/mm

备注

GH135

1160℃保温4.5h+

电炉

W、Mo、Al、Ti、Ni、Cr、Mn、Si等合金元素无明显贫化现象

1140℃保温4h

GH37

1200℃保温30min

电炉和液化石油气保护

0.8～1.5

电炉和玻璃或陶瓷涂料保护

1.6～1.8

1190℃保温4h+

水煤气无氧化加热炉

4.8

1050℃保温4h

GH49

1220℃保温4h+

水煤气无氧化加热炉

1050℃保温4h

二、不锈耐酸钢锻件常见的缺陷与对策

不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。

在大气中能抗腐蚀的钢称为不锈钢。

在某些化浸蚀性介质（如河水、海水、盐、碱和某些酸溶液）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。

不锈耐酸钢除要求耐蚀性外，还要求具有一定的力学性能、焊接性能、冷变形性能和切削性能等以满足构件的使用要求。

为此在钢中加入大量的Cr、Ni、Mn、Ti等合金元素，其中Cr是提高防腐蚀性能的主要元素。

不锈耐酸钢按组织可分为铁素体、奥氏体、和马氏体三大类。

也有介于两类之间的。

在某些文献资料中将不锈耐酸钢分为五类（增加了奥氏体铁素体复相不锈钢和沉淀硬化型不锈钢），但从压力加工工艺角度考虑，以分三类为宜。

（一）铁素体不锈钢

该类钢具有良好的耐酸性，常用作制造硝酸、磷酸、次氯酸钠等的设备、换热器、蛇形管、蒸气过热器管道以及食品工厂设备等。

常用的一部分铁素体不锈耐酸钢的牌号及成分见表5-6。

表5-6 铁素体型耐酸钢的牌号和成分

钢号

化学成分（质量分数）（%）

1Cr17

≤0.12

≤0.80

≤0.030

≤0.035

16～18

1Cr18

≤0.15

≤1.00

≤0.80

≤0.030

≤0.035

27～30

≤0.20

1Cr17Ti

≤0.12

≤0.80

≤0.030

≤0.035

16～18

5×C%～0.8

1Cr25Ti

≤0.12

≤1.00

≤0.80

≤0.030

≤0.035

24～27

5×C%～0.8

1Cr17Mo2Ti

≤0.10

≤0.80

≤0.030

≤0.035

16～18

≤7×C%

1.6～1.9

由表5-6中可见，铁素体不锈耐酸钢中加入大量的Cr、Si等合金元素。

钢中加入Cr是为了提高钢的电极电位，增强钢的抗腐蚀能力，Si也有和Cr同样的作用。

不锈钢中加入约2%Si（质量分数）可提高在硫酸和盐酸中的抗腐蚀性。

但Si量过高将使钢的塑性急剧降低，Si量大于4%～5%（质量分数）后就不易锻轧加工，更不易冷变形。

由Fe-Cr二元相图（见图5-6）可知，当钢中Cr＞12.5%（质量分数）时，钢液结晶后始终保持α铁素体组织，加热和冷却时不发生同素异构转变，故不能通过热处理方法来细化组织。

该类钢加热到475℃附近或自高温缓冷至475℃附近时，有α″析出，产生脆化现象，即所谓475℃脆性。

该类钢在820～520℃长期加热或缓冷将析出σ相，引起钢的脆化。

1.铁素体不锈耐酸钢的锻造特点

1）该类钢的再结晶温度低、再结晶速度快，加热温度越过900℃后，晶粒迅速长大（见图5-7）。

2）该类钢的塑性较差，尤其是该类钢的钢锭为粗大晶粒的柱状晶，塑性很低。

3）该类钢的导热性差，热膨胀系数大。

加热和冷却过程中的温度应力较大。

4）该类钢在820～520℃附近长期加热或缓慢冷却时有σ相和α″相析出。

引起脆性。

图5-6Fe-Cr二元相图

a）Fe-Cr二元相图b）Fe-Cr二元相图的左下角部分

图5-7 晶粒大小随温度的变化 1—铁素体钢2—奥氏体钢

2.锻造过程中的主要缺陷和对策

（1）晶粒粗大

铁素体钢的晶粒度对性能有很大影响。

粗晶使铁素体钢的室温力学性能和抗腐蚀性能下降。

晶粒很粗大时，钢的脆性很大，甚至锻件切边时，就会出现裂纹。

该类钢于600℃时晶粒就开始长大，950℃以上发生晶粒急剧长大的现象，随着加热温度和加热时间增加，能产生较粗大的晶粒。

而且该类钢是无同素异构转变的单相钢，不能用热处理的方法细化晶粒。

防止晶粒粗大的对策是：

1）锻造该类钢时，加热温度应＜1150℃；900℃以上要快速加热，尽量缩短高温停留时间；

2＝变形程度应足够大，最后一火次的锻造变形量不应小于30％；

3）终锻温度应不高于800℃。

但是为了避兔温度过低产生加工硬化，终锻温度不应低于700℃，通常选用750℃。

（2）裂纹

该类钢导热性差、塑性低，尤其是钢锭为粗大晶粒的柱状晶，塑性很低，锻造过程中很易开裂。

防止裂纹的对策是：

1）钢锭应预先进行退火处理。

钢锭表面必须经过修磨或扒皮，不允许有任何缺陷存在，否则将会在锻造过程中产生严重开裂。

2）钢锭人炉温度应＜700℃，热锭装炉温度不限；在760℃以前应缓慢升温，加热速度一般为0.5～1mm／min，但900℃以上要快速加热，钢锭加热温度为1100～1150℃，钢坯加热温度为1100～1130℃；钢锭加热到规定的均热阶段时，必须勤翻料，以保证锭料出炉时阴阳面温差较小。

3＝锻造过程中要注意轻击快打，尤其是第一火要勤打、勤翻、勤倒角，其目的是提高钢的塑性，避免锻裂；锻造方坯时不要出棱角，防止因棱角温度低而开裂；锻造中发生鱼鳞裂纹时，继续锻打即可消除。

（3）σ脆性和475℃脆性

高铬铁素体不锈钢常易产生σ脆性和475℃脆性。

前面已经介绍，这两种脆性分别是在820～520℃和475℃附近长期加热或缓慢冷却时由于σ相和α″相的沉淀引起的。

当加热温度超过上述两个温度范围时，σ相和α″相将迅速溶入基体。

而锻造加热温度均超过1100℃，故在锻造加热过程中不会引起σ脆性和475℃脆性。

因此，为了防止σ脆性和475℃脆性的产生，关键是控制锻后的冷却速度。

该类钢锻后应分散空冷，快速通过上述两个脆化区。

（二）奥氏体（包括奥氏体-铁素体）不锈钢

1.概述

镍铬奥氏体耐酸不锈钢，除了有较好的耐蚀性、室温及低温韧性外，还具有良好的工艺性能。

这类钢突出的冷变形性能是铁素体不锈钢所不及的，因此，该类钢得到了广泛应用。

该类钢常冷轧后用以制造不锈钢结构及零件，无磁性零件等。

1Crl8Ni9Ti是目前应用最广的一种，它被用来制作在610℃以下长期工作的锅炉和汽轮机的零件以及化工中各种阀门零件。

我国常用的奥氏体型不锈耐酸钢的牌号和成分见表5-7。

现以1Crl8Ni9Ti为例对该类钢的特点介绍如下：

表5-7奥氏体型耐酸不锈钢的牌号和成分

钢号

化学成分（质量分数）（%）

其它

0Cr18Ni9

≤0.06

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

8～11

8×C%

Cu:

1.8～2.2W:

2.0～2.75

1Cr18Ni9

≤0.12

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

8～11

2Cr18Ni9

0.13～0.22

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

8～11

0Cr18Ni9Ti

≤0.08

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

8～11

5×C%～0.7

1Cr18Ni9Ti

≤0.12

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

8～11

5（C%-0.02）～0.8

1Cr18Ni11Nb

≤0.10

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～20

9～13

2Cr13Ni4Mn9

0.15～0.25

≤1.00

8～10

≤0.030

≤0.060

12～14

3.7～5.0

1Cr18Ni12Mo2Ti

≤0.12

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

16～19

11～14

5（C%-0.02）～0.8

1.8～2.5

0Cr18Ni18Mo2Cu2T

≤0.17

≤1.00

≤2.00

≤0.030

≤0.035

17～19

1.8～2.2

4Cr14Ni14W2Mo

0.4～0.5

≤0.80

≤0.70

13～15

≥7×C%

0.25～0.40

1Cr18Ni9Ti钢属于奥氏体型不锈耐酸钢，其相图见图5-8。

由该图可知，经过1050～1100℃的淬火处理（水中或空所中）后呈单机奥氏体组织，它在不同温度和浓度下的各种强腐蚀介质中（如硝酸、大部分有机酸和无机酸的水溶液、磷酸、碱及煤气等）均有良好的耐酸蚀性，在空气中热稳定性也很高，达850℃。

但当钢中铁素体形成元素（Cr、Ti、St）含量增加时，就可能出现α相，使塑性降低，化学稳定性下降。

另外，加热温度过高时，则由γ区进人α＋γ区，也会使α-铁素体量增多，高温塑性显著下降。

在700～900℃区间如加热和冷却缓慢则都将有σ相析出。

σ相是非常脆的金属间化合物，σ相的出现会使不锈钢塑性降低。

因此在该温度区间要快热和急冷。

图5-8 铁-铬状态图

奥氏体不锈耐酸钢的锻造特点是：

1）由于钢内含有大量Cr、Ni等合金元素，使再结晶温度升高、速度减慢；

2）由于钢内含有大量Cr、Ni等合金元素，使其变形抗力增大。

18-8型钢的变形抗力大约是碳钢的1.5倍。

3）导热性差。

1Cr18Ni9Ti钢在低温区热导率仅为普通钢的1/3［室温下碳钢热导率为41.868w／（m·℃）；而这种钢100℃时为16.132w／（m·℃），500℃时为22.123w／（m·℃）］，随着温度升高热导率也提高。

4）锻造温度范围窄，因为始锻温度过

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