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嘉峪檢測網 2024-09-25 15:06
鋼材在軋制和鍛造等熱變形加工過程中，很容易產生所謂的“白點”缺陷，嚴重影響鋼材的質量，造成大量的廢品。如果將帶有此類缺陷的鋼材用于制造各種機械部件，則可能會在使用過程中造成早期斷裂失效，以致引起嚴重事故。為此，研究白點產生的機理及預防措施，成為業界的一個熱門話題。本文就對白點問題的認識及所做的研究工作進行討論。
1、白點的定義
白點是鋼中的一種內部裂紋，主要出現在大型鍛件及截面較大的軋制鋼材中。大多數情況下分布在軋材或鍛件的近中心或離表面一定深度處。在鋼件的縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點，在經過磨光和酸蝕后的橫向切片上表現為細長的發裂。這就是白點的定義，實質上白點就是鋼中的內部發裂，也可以說鋼中的內部發裂就是白點。
2、白點的形態
在斷口上，白點的典型形貌為圓形或橢圓形的銀白色斑點，分布在纖維狀斷口的灰色基體中。在空氣中暴露一段時間后，銀白色斑點被氧化成銀灰色，繼而失去金屬光澤。由于白點的縱向斷口特征是呈圓形或橢圓形的銀白色斑點，因此取名“白點”，它實際上是存在于鋼中的片狀裂紋群。
白點的大小由于鋼種及形成條件不同而差別很大，可從零點幾毫米到幾十毫米，白點裂紋的寬度極小。當出現與斷裂方向相垂直的白點時，斷口上會看到一條裂紋。
在白點附近，除了斷口形貌與基體斷口沒有明顯差別外，金屬的顯微組織與基體金屬也沒什么兩樣，在斷面上除了可以在形貌上能夠看出有原始裂紋存在外，基本找不到別的缺陷。白點一般表現為細小的裂紋，它無方向性，放大觀察時裂紋內無夾雜。
鋼在常溫下斷裂的斷口在正常情況下為暗灰色，由于斷口纖維的高低變化，斷口表面的粗糙造成了對光線的漫反射，而使斷面呈現暗灰色。裂紋形成后，兩個斷面會發生擠壓和摩擦，這使斷口變得很光滑，改變了粗糙斷口對光線漫反射的程度，增強了對光線的反射，這時斷面就顯示出了較亮的顏色。由于白點是在高溫塑性變形中形成的裂紋，其裂紋產生時間較早，斷面較平滑，所以看起來就比斷口的其他部分要亮。
3、白點的危害
白點對鋼的力學性能影響很大。其使材料的斷面收縮率、伸長率和沖擊值降低較多，對強度也有明顯的影響。其對強度的影響取決于試驗取樣的部位和取樣的方向，即試樣軸線與白點的相對關系，所以不適當的取樣、檢測方法，不能說明帶有白點缺陷的鋼的真實性能。由于白點即為鋼中的顯微裂紋，故可能成為疲勞裂紋源，降低鋼的強度及疲勞性能。白點的破壞性極大，在應力作用下（一般使用應力都較?。?，白點對循環次數的影響更大。白點使鋼的伸長率明顯下降，尤其是斷面收縮率和沖擊韌性降低得更多，所以存在白點的鋼是不能使用的。白點缺陷在鋼中造成應力集中，并使鋼性能變脆。白點的存在容易使工件在熱處理時開裂并可能造成突然破壞的重大事故。
4、白點的形成
關于白點的形成，有兩種不同的看法。一種認為，當鋼中的含氫量超過某一限度，在冶煉時隨著溫度降低，氫在鋼中的溶解度減小，如果氫的含量達到過飽和而未能擴散并從鋼中逸出，便會在某些缺陷處產生聚集，而形成氫分子。此時氫的體積便會發生急劇膨脹，造成很大的內壓而使金屬局部撕裂，形成裂紋即白點。白點的產生需要有兩個條件，一是鋼中的氫含量達到一定數值，二是鋼中存在一定的內應力。這是兩個必要和充分的條件。鋼的溫度越低，氫在鋼中的溶解度越小，在快速冷卻時，鋼中柱狀晶內的氫不能及時擴散到大氣中，于是便聚集在某些顯微孔洞中形成氫分子，產生很大的局部壓力，以至于超過鋼的破斷強度，使鋼產生內部裂紋，即白點。因此，白點一般都分布在柱狀晶及以內區域。根據白點形成的溫度區間和氫擴散系數最大溫度區間，可知在300℃以下來不及擴散的氫就存在于鋼中而引起應力。另外一種說法認為，鋼中的白點是鋼在高溫塑性變形中產生的缺陷，與氫無關。白點是鋼在高溫塑性變形時產生的微裂紋，或是高溫塑性變形中產生的缺陷，其在變形以后的冷卻過程中在內部應力的作用下發展成為內部微裂紋。根據這種形成機制理論，防止白點的措施主要在于制定適當的熱加工工藝。采用適當的熱加工工藝就可以防止白點，而不必長時間除氫。這為研究白點的形成機理和白點的預防措施提供了一個新的途徑。
通過對鋼的高溫塑性變形的研究，認為鋼在高溫塑性變形中是很容易產生微裂紋的，這樣的內部微裂紋就是一般所說的白點。防止產生內部裂紋，防止產生白點，就必須在鍛造中減輕軸向拉應力和橫向拉應力。
鋼在高溫塑性變形時，其內部變形和應力分布是不均勻的。在這樣的工件體內，在某處的應力達到鋼的斷裂強度時，就會在此處產生斷裂，導致鋼的塑性降低。當鋼材的塑性較低，而加熱質量又不佳時，裂紋更容易產生。隨著近代軋鋼和鍛造設備能力的不斷增強，白點的缺陷也有所增加，成為一種較普遍的鋼的內部缺陷。軋材和鍛件的尺寸越大，高溫塑性變形時的應力分布越不均勻，塑性變形也不均勻，而且還增加了冷卻中產生的熱應力，使產生內部裂紋的幾率大大增加，白點的缺陷越來越普遍。
鋼在冷卻過程中的熱應力使鋼材內部產生拉應力，在其作用下可能使鋼中在高溫塑性變形時形成的缺陷裂開，造成白點的產生。
5、白點缺陷的分布
白點缺陷一般都分布在距工件表面一定距離處或靠近工件中部。鋼在塑性變形過程中，其應變的分布是在徑向和軸向中心處最大，越接近表面，應變越小。在塑性變形的不同位置，并非同時產生塑性變形，并且變形量也是不同的。鋼材在熱加工時的流動方向決定了白點的分布情況，其方向與金屬纖維的走向相平行，熱加工時金屬中的內部裂紋也是這個方向。所以金屬在熱加工溫度具有良好的塑性，會抑制裂紋的產生和擴展。在鍛造或軋制時，金屬內部的應力在大小和方向上都在變化，金屬也在不斷地變化流動方向。此時如果有尺寸不大的裂紋，在應力和金屬流動的作用下會停止擴展，但這些小裂紋會獨立存在，在鋼中分散地分布。裂紋的分布情況與變形時鋼中的應力分布以及金屬的流動方式有關。例如在軸類件中白點沿著同心圓分布，而在方坯上白點則沿四邊形分布。有時通過鍛造或軋制等熱加工工序，可以使白點缺陷減少。
6、白點的預防
由于對白點的產生原因的認識不同，因此所提出的采取措施也不一樣。
氫致裂紋的支持者當然就提出要除氫，在冶煉時控制氫氣的含量。而高溫塑性變形論者則提出主要應改善熱處理工藝，采取及時保溫回火、緩冷等措施。在實際實施這些措施的時候，可能都有成功和失敗的情況，即每種說法都不能包含所有的案例。在尚未弄清真實的原因之前，應根據具體的情況，采取不同的有效措施，才能對白點進行有效的控制。
7、掃描電鏡觀察實例
某鋼廠軋制的某種型號的鋼材，在進行沖擊試驗時發現試樣斷口中部存在較多的白亮和黑色的缺陷，懷疑其為白點缺陷。對該斷口進行了掃描電鏡觀察分析，如圖1所示。
圖1斷口中部有多處顏色較亮和黑色的長條區域，白色的區域靠近中間，黑色的區域分布在斷口邊沿。將黑色墨水筆畫出的斷口處白亮區域放大觀察，其形貌如圖2所示。目視觀察的白亮區，在掃描電鏡下為暗灰色區域，斷面較為光滑，其中以準解理斷裂為主，伴有類似熔化的特征、沿晶斷裂、韌窩斷裂等形貌特征。在白亮區也發現有二次裂紋，其應為垂直于斷面的白點。
將黑色區域放大觀察，除了斷面上覆蓋著較厚的氧化層外，斷裂形貌與白亮區域基本相同，如圖3所示。
將正常斷裂處的斷面放大觀察，其形貌如圖4所示，為準解理、沿晶和韌窩混合斷口。
用X射線能譜儀對斷口各部分進行成分分析，除了黑色區域斷口表面存在大量的氧之外，各區域在成分上沒有什么差別，且都在有關標準要求的范圍之內。
從上面的觀察分析可以得出：
（1）斷面上白亮和黑色的區域缺陷的性質是相同的，都是屬于鋼材在軋制冷卻過程中產生的微裂紋，即所謂“白點”缺陷。黑色區域是由于其裂紋暴露在空氣中，在進行試樣熱處理時使其氧化，才使該區域變成了黑色。
（2）白點缺陷集中分布在鋼材的心部區域，此處應是在軋制過程中熱塑性變形最大的部位。
（3）白點的形狀為條狀，這是由于熱加工使材料在縱向有較大拉伸的緣故。
（4）白點斷面的微觀形貌主要為沿晶、解理或準解理，與正常斷面沒有顯著差別，只是白點區域斷口較細膩、平滑，而正常斷口相比之下較為粗糙，因此宏觀看來就有白亮和灰色的差別。
（5）在成分上，白點區域與正常斷口沒有明顯差別，沒有發現其上有夾雜、成分偏析等現象。
8、結論
鋼中的白點缺陷即為鋼材在軋制、鍛造等熱變形加工過程中產生的微裂紋，它的微觀形貌主要是沿晶、解理（準解理），與正常斷口沒有明顯差別，只是在細膩、平滑程度上有所不同。在成分上也正常，沒有發現夾雜、偏析等缺陷。
來源：北京歐波同光學技術有限
