质量检验基础知识.doc

第一章 质量检验基础知识
1.1 钢种化学元素对性能影响
钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要，要有不同的元素含量．
1.1.1、 碳；含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差．
1.1.2、 硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性．
1.1.3、 磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性．在优质钢中，硫和磷要严格控制．但从另方面看，在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的．
1.1.4、 锰；能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能．
1.1.5、 硅；它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能．
1.1.6、 钨；能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的耐磨性．
1.1.7、 铬；能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用．
1.1.8、 钒；能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性．当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性．
1.1.9、 钼；可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力．
1.1.10、 钛；能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧性．在不锈钢中，钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象．
1.1.11、 镍；能提高钢的强度和韧性，提高淬透性．含量高时，可显著改变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力．
1.1.12、 硼；当钢中含有微量的（ 0.001 － 0.005 ％）硼时，钢的淬透性可以成倍的提高．
1.1.13、 铝；能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效．提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等．
1.1.14、 氮 ：钢中的氮来自炉料，同时，在冶炼、浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收氮。氮引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能发生显著的影响。由于氮的时效作用，钢的硬度、强度固然提高，但是塑性和韧性降低，特别是在形变时效的情况下，塑性和韧性的降低比较显著。因此，对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而氮是有害元素。但对于一些细晶粒钢以及含钒、铌钢，由于氮化物的强化细化晶粒作用，氮成为有益元素。另外，作为合金元素，氮在不锈耐酸钢中得到应用，此外，氮化处理方法能使机器零件获得极好的综合力学性能，从而使零件的使用寿命延长。
1.1.15、 氢 ：钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸收的。氢对钢的危害是很大的。一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，在无任何预兆的情况下突然断裂，往往造成灾难性的后果。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点，在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。
氧：及其他非金属夹杂物：氧在钢中的溶解度很低，几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中，如FeO、AL2O3、MnO、CaO、MgO等。除此之外，钢中还存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的情况下往往成为裂纹的起点。这些非金属夹杂物的各种状态不同程度的影响到钢的各种性能，尤其是对于钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性等危害很大。因此，对于非金属夹杂物应严格控制。
典型GCr15钢种生产控制要素
热处理
C：0.95-1.05 Mn：0.20-0.40 Si：0.15-0.35 S：<=0.020 P:<=0.027 Cr:1.30-1.65
其性能一般均要求具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳抗力及较好的韧性、易碳化物不均匀性,热处理球化可采用退火，为了获得铁素体基体上均匀分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织，为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。传统的球化退火工艺是在略高于Ac1的温度（如GCr15为780~810℃）保温后随炉缓慢冷却（25℃/h）至650℃以下出炉空冷。该工艺热处理时间长（20h以上）[1]，且退火后碳化物的颗粒不均匀，影响以后的冷加工及最终的淬回火组织和性能。之后，根据过冷奥氏体的转变特点，开发等温球化退火工艺：在加热后快冷至Ar1以下某一温度范围内（690~720℃）进行等温，在等温过程中完成奥氏体向铁素体和碳化物的转变，转变完成后可直接出炉空冷。该工艺的优点是节省热处理时间（整个工艺约12~18h）， 处理后的组织中碳化物细小均匀。另一种节省时间的工艺是重复球化退火：第一次加热到810℃后冷却至650℃，再加热到790℃后冷却到650℃出炉空冷。该工艺虽可节省一定的时间，但工艺操作较繁。
一般温度热处理温度高硬度下降，脱碳增加。
矫直：由于该钢种具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳抗力及较好的韧性，矫直时压下量要比碳钢大。
1.2、轧制微观缺陷
碳化物网状：钢材在锻造、轧制冷却过程中，奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800~900℃之间冷却速度过慢，则碳从奥氏体中析出并扩散晶界，在晶界间形成二次碳化物，呈网络状存在，故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相，使晶粒之间的连续性遭到破坏，严重地降低了钢的冲击韧性。因此，使轴承零件寿命降低。轴承钢中碳化物的均匀性对轴承的力学性能及在反复冲击载荷下的寿命有直接影响，当高碳铬轴承钢中存在网状碳化物时，会增加钢的脆性，降低轴承零件的寿命。(1)钢锭的化学成分及成分偏析是形成网状碳化物的主要原因。为降低成分偏析，应把碳、铬含量控制在标准的下限；在浇注过程中选用凝固速度慢的锭型；对钢锭或钢坯进行高温均匀化退火，以达到消除网状碳化物的目的。 (2)电磁搅拌加快了消除钢水过热的速度，把中心偏析控制在一定的范围内，对增加等轴晶，改善连铸坯致密度极为有效，且随过热度、拉速的降低效果更加明显。 (3)GCr15的最佳控轧控冷工艺为：钢坯加热温度为1070℃，终轧温度为850-900℃，经过两次强制冷却后，钢材表面返红温度控制在630-640℃。通过控轧控冷，钢材可以得到细片层结构的珠光体、伪珠光体和薄的网状碳化物，在保温时，珠光体中碳化物片层很容易溶断，形成断续状碳化物，伪珠光体中碳化物形成链状或球状碳化物，最终组织得到球状碳化物；在截面的不同部位得到不同的组织：边部和R/2处组织为索氏体和球状碳化物；心部组织为珠光体、索氏体和少量球状碳化物。 (4)控轧控冷工艺参数直接影响GCr15球化退火前的预组织状态，能改变网状碳化物颗粒的大小及其分布，降低网状碳化物级别，能改变珠光体球团直径大小，减少珠光体的片层间距尺寸，并可形成变态珠光体和索氏体，有利于快速球化，缩短球化退火时间。 (5)随着球化退火时间的增加和加热温度的升高，GCr15内部组织中网状碳化物变少，球化退火后的组织更加细密均匀，球状碳化物越来越多，链状碳化物减少，且多数呈短条状，碳化物颗粒很细小弥散地分布在基体中。
脱碳层：热加工或热处理时，钢材表面与炉气作用后，失去全部或部分碳量，而造成钢材表面比内部的含碳量降低的脱碳层。标准中规定的脱碳层有全脱碳层和总脱碳层（全脱碳层+部分脱碳层）两种。防止减少脱碳办法，控制炉内气愤，控制含氧量，减少热处理时间。
硬度不均匀只要是控制保温时间要充足，冷却时要保证整体一致的慢冷， 1\速度慢，硬度低、球大；2\速度快，硬度高、球小。所以具体还是要根据你的炉子和产品不同来设定工艺。

细化晶粒的方法——控制过冷度、变质处理及振动、搅动。
控制过冷度：过冷度增加，形核率和长大速度都随之增加，形核率的增长率大于长大速度的增长率。在一般金属结晶时的过冷度范围内，过冷度越大，晶粒越细小。
变质处理：变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。有的变质剂，虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大作用，因此又称为长大抑制剂。
振动、搅动：振动或搅拌：可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心，又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。
断口检验的作用：
1.通过断口可直接显示钢中的白点、夹杂、气泡、内裂、残余缩孔等缺陷；
2.通过鉴定断口上晶粒的大小及特征，可确定钢材的过热、过烧情况；
3.通过对钢材断口的分析，可确定钢材的断裂特征（是属于韧性断裂或脆性
断裂）并判断钢材（或零件）的断裂原因（是属于疲劳断裂或应力断裂）
断口可分为：韧性断口、脆性断口、瓷状断口、层状断口、萘状断口、
石状断口、石墨状断口等。
（二）按热处理方法分：
断口可分为：淬火断口、退火断口、调质断口等。
四.各种常见的断口
（一）纤维状断口（韧性断口）（属于正常断口）（见图1-6）
1.定义：金属（钢材）在断裂之前已发生显著塑性变形的断口，叫纤维状
断口（或韧性断口）。
2.特征：断口呈暗灰色，是无光泽、无结晶颗粒的均匀组织（形态是晶内
韧性断裂）。
萘状断口（是一种脆性穿晶断裂粗晶断口）（见图1-8）
1.特征：断口上呈现具有反射能力的光亮点，类似萘晶（犹如打碎的樟脑
球）的颗粒，有弱金属光泽，有时又呈光亮小片。
2.类型
（1）结构钢萘状断口：是过热断口。可通过热处理的方法消除；
（2）高速钢萘状断口：是淬火断口，是正常淬火温度和一般加热下重复淬
火而形成的。在淬火前进行840℃以上的完全退火可以予以消除。
1.特征：是一种粗晶粒的、沿晶面断裂的脆性晶间断口，无金属光泽，类似
有棱角的砂石粒堆砌在一起，晶界上有析出的硫化物。
2.结构钢石状断口：是严重过热、过烧造成的。一般热处理不能消除，必
须经过大变形量（≮60%）的压力加工，才能消除。
（五)瓷状断口(调质纤维组织或称干纤维状断口)（见图1-10）
1.定义：呈亮灰色、致密、有绸缎光泽、类似细瓷碎片的断口，叫瓷状断口。

（六）层状断口
1.定义：沿热加工方向呈现凹凸不平的、无金属光泽的非结晶构造的条状的
断口，叫层状断口。
2.后果：使钢的横向力学性能，特别是延伸率和断面收缩率严重下降。
3．产生的主要原因：
钢锭结晶过程中，夹杂物在晶界上沉积→（热加工）夹杂物沿加工方向伸
长→晶界脆弱→（外力作用）断裂。
注意：形成原因不同→其特征不同（如：有木纹结构、平滑的台阶状、致
密且比基体色浅的白色条带、似腐烂木材沿纵向断开等）。
（七）撕痕状层状断口（见图1-11)
1.特征：在调质状态下的纵向断口有平行于热加工方向的比基体色浅的灰白
色致密而光滑的片状，其分布无规律，像撕裂的条带一样深入金属内部，严
重时布满整个断口。
2.类型：
在纵向低倍试片上检验枝晶偏析严重；
在纵向高倍试片上检验带状组织较严重。

(八)木纹状层状断口（简称木纹状断口）(见图1-12)
1.特征：在纵向断口上，沿加工方向有凹凸不平的、无金属光泽的条带，在
凹凸不平处常伴有长短不同的白亮线，像腐烂的木柴片沿纵向断开一样。
微观特征：为穿晶断裂，层断处一般含有氧化物夹杂。

2.后果：对纵向力学性能无大的影响，对横向的强度影响不明显，但使横向
塑性、韧性降低。
3.形成原因：
原料中偏析和夹杂物↑→（热加工）夹杂物被拉长→部分破坏了金属的连
续性→（外力作用）木纹状断口。
断裂过程：基体还在进行塑性变形，而夹杂物却已脆性断裂→断口上呈现
出层次的结构。
4.处理：
轻微木纹状断口：对钢材力学性能影响不大，可使用；
严重的木纹状断口：显著地降低钢的横向的塑性、韧性，应报废或改轧小
规格产品，并重新组批检验。
2.后果：对纵向力学性能无大的影响，对横向的强度影响不明显，但使横向
塑性、韧性降低。
3.形成原因：
原料中偏析和夹杂物↑→（热加工）夹杂物被拉长→部分破坏了金属的连
续性→（外力作用）木纹状断口。
断裂过程：基体还在进行塑性变形，而夹杂物却已脆性断裂→断口上呈现
出层次的结构。
4.处理：
轻微木纹状断口：对钢材力学性能影响不大，可使用；
严重的木纹状断口：显著地降低钢的横向的塑性、韧性，应报废或改轧小
规格产品，并重新组批检验。
1.脱碳层深度：（见图1-15）
加热而导致钢表面层含碳量减少的层的厚度，叫：脱碳层深度。
脱C↑→钢表面硬度↓→钢的（耐磨性、切削性、弹性等）性能↓。
注意：对已脱碳的钢，即使热处理增碳，也不能恢复其该性能。
1-视场外； 2-全脱碳层； 3-全脱碳层到基体组织的过渡层；
4-未脱碳层的基体组织
2.非金属夹杂：指钢中含有的非金属夹杂物（如：氧化物、硫化物、硅酸盐、
氮化物等）。（见图1-16）
引起应力集中→疲劳断裂；
非金属夹杂物→破坏钢的连续性→ 钢的塑性、韧性、焊接性、耐腐蚀性↓；
生成网状硫化物→热脆。
3.碳化物液析：
定义：钢由液态向固态转变时，最后凝固部分的碳及合金元素富集而产生
亚共晶莱氏体的这种碳化物的偏析，叫碳化物液析
碳化物液析→具有很高的硬度和脆性→（轧制）破碎成小块、沿轧制方向
分布→ 钢的耐磨性↓、疲劳强度↓；
易产生淬火裂纹。
注意：采用高温扩散退火可消除该缺陷。
4.带状碳化物：
定义：高碳（轴承）钢锭冷却时形成的结晶偏析，热轧时延伸而形成碳化
物富集带的现象，叫带状碳化物。（呈颗粒状，沿流线分布）。
带状碳化物（偏析）→钢的硬度、组织不均匀。
注意：长时间的高温扩散退火（1150 ℃以上较长时间加热）可使带状碳
化物（偏析）得以改善，但不能消除。
5.网状碳化物：
定义：过共析钢在Arcm ～Ar1温度区域缓慢冷却，C以碳化物形式（网状）
沿奥氏体晶粒边部析出，包围奥氏体晶粒的现象，叫网状碳化物。
网状碳化物→使钢的脆性↑、冲击韧性↓、使用寿命↓等。
注意：降低钢的碳化物偏析程度、加快钢在Arcm ～Ar1区域的冷却、较低
的终轧温度可防止该缺陷；
对已产生网状碳化物的钢，可用正火的热处理方法予以消除。
6.带状组织
定义：平行于轧制方向成层分布的铁素体和珠光体条状组织，叫带状组织。
轧后冷却→铁素体在枝晶偏析和延伸的非金属夹杂条带中优先生成→带状
组织。
带状组织→ 使钢的力学性能呈各向异性→冲击韧性↓、断面收缩率↓；
钢在热处理时易产生裂纹。
7.碳化物不均匀度
定义：（高速钢及莱氏体合工钢）钢锭冷凝过程中，钢液发生共晶反应形
成鱼骨状莱氏体，在钢中呈网状分布（碳化物不均匀分布）的现象，叫碳化物不均匀度。
碳化物不均匀度→钢在热处理时产生裂纹。
注意：热变形和压缩比↑→ 改变碳化物的分布情况；
使大块的共晶碳化物破碎→小块。
故：莱氏体钢（高速钢）的轧制工艺制度应 保证表面质量；
保证碳化物不均匀度合格。
.奥氏体钢中的 相
定义：铬镍奥氏体型不锈钢在缓慢冷却条件下，奥氏体单相组织中可能出
现部分 相的现象，叫奥氏体钢中的 相。
奥氏体钢中的 相（ 和 相的塑性不同）→（轧制）产生局部撕裂。