通用结构钢常见组织缺陷—过热和过烧

      结构钢除了原材料控制不当会出现缺陷组织外，在铸造、锻造、焊接、热处理等工艺过程中，若工艺控制不当也会产生组织缺陷。铸造、焊接、表面处理等相关内容可参加本站相关主题帖，本系列主要介绍锻造及整体热处理中常见的组织缺陷。
      1、过热及过烧组织
      按GB/T 7232《金属热处理工艺术语》，过热定义为：工件加热温度偏高，而使晶粒过度长大，以致力学性能显著降低的现象；过烧定义为：工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分熔化现象。
      图1所示为40Cr钢过热组织，某型号柴油机连杆调质处理后，在索氏体基体上经苦味酸类试剂浸蚀后，显示出异常粗大的原始奥氏体晶粒，可评为-2级~-1级，导致该连杆的冲击吸收功明显下降，抗拉强度低于标准值。引起上述事故的原始是该零件经过模锻后外形不合格，再经历一次模锻整形，虽然尺寸符合要求，但是高温下停留时间过长，奥氏体晶粒长大，并通过组织遗传至最终热处理状态，恶化了连杆的力学性能。
      图2所示为45钢因正火加热温度过高，空冷后形成粗大的过热组织，即先共析铁素体除沿晶界析出外，在晶粒内部析出片状、针状铁素体，称为魏氏组织。这种组织严重恶化材料的力学性能，特别是室温下的冲击韧度大幅度下降。

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图2 魏氏组织-60X

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图2 魏氏组织-60X

      魏氏组织与网状铁素体同属于先共析铁素体。当温度下降到Fe-C平衡相图GS线以下时，一般在奥氏体晶界上形成先共析铁素体晶核。这种晶核与边界一侧的奥氏体晶粒有共格界面，而与另一侧的奥氏体晶粒为无序界面，此后这种晶核可能朝任何一侧方向生长。若通过无序界面推进而生长，则形成沿奥氏体晶界析出网状铁素体；若晶核通过共格晶面向另一侧易移动而生长，则先共析铁素体就会沿奥氏体晶粒的特定晶面生长成为平行的片状。这种先共析铁素体状态被称为魏氏体。
魏氏组织的形成主要取决于成分、冷却速度、奥氏体晶粒度。实际生产中，含碳量＞0.5wt%的钢常很少出现魏氏组织。冷却速度过快、过慢对魏氏组织均有抑制作用。奥氏体晶粒粗大，则在空冷时，在适宜的冷却速度下容易形成魏氏组织；若奥氏体晶粒不是过于粗大，冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这种较细致的魏氏组织（区别于上述粗大魏氏组织）对材料的力学性能影响较小或无影响。
      为了消除魏氏组织和粗大原始晶粒，可以在淬火前通过正火细化晶粒，改善组织。在锻造中应控制锻造加热温度和时间，避免晶粒过度长大，同时控制冷却速度，避免魏氏组织；高温锻造时，终锻温度不宜过高；或者将锻件坑冷或成堆堆放，尽量降低冷却速度，防止魏氏组织产生。
      图3所示为某柴油机连杆采用40Cr淬火后的粗大针状马氏体组织，由于组织的遗传作用，这种组织即使通过非常合理的回火处理，也无法获得良好的力学性能，在实际使用过程中发生疲劳断裂事故的可能性较大。形成这种粗大马氏体的主要原因是淬火加热温度过高，或保温时间过长，导致奥氏体晶粒充分长大，淬火后所得马氏体也相应地粗大。
马氏体针叶的大小显著影响调质后的材料力学性能。有研究表明，调质时每细化1级晶粒度，则可提高屈服强度40MPa~50MPa，冲击吸收功提高16J~32J，韧脆转变温度降低16℃~17℃。
为避免淬火后形成粗大马氏体组织，热处理过程中必须严格控制温度，因为温度对奥氏体晶粒长大的影响大于保温时间的影响；同时也须合理控制保温时间。

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图3 粗大马氏体组织-350X

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图4 过烧孔洞-70X

      图4所示为30CrMnSi螺栓锻造过烧形成的熔融孔形貌，可见孔隙沿晶界交界处分布，表明过烧熔融由晶界、尤其由三角晶界起始。该螺栓由热镦成形，然后正火处理，最终调质热处理，在装配拧紧时发生螺栓头部断裂事故。断面粗糙，呈氧化色、无金属光泽。经金相检查，该螺栓组织基本正常，熔孔仅分布在螺栓头部，表明过烧是发生在热镦过程中。
钢件锻造加热温度过高或时间过长，晶界或非金属夹杂物等低熔物偏聚部位有可能发生重熔，产生熔融孔洞；又因钢件长时间在高温炉内的强烈氧化介质中加热，炉气中的氧会渗透到高温的钢的晶界处，使晶界氧化，形成脆壳，严重破坏了晶粒之间的联结，造成过烧缺陷。