深层缺陷产生机理假设

“深层缺陷产生机理假设”是目前分析缺陷一种方法,特别在钢铁产品的缺陷分析用途广泛。认为深层缺陷是材料延性降低引起的一种缺陷。当发生深层缺陷的长轴制品的锻造时间要比未发生缺陷的制品长,可以预料由于温度降低,材料的延性降低。

在实际发生的表面缺陷附近,除了成为问题的深层缺陷之外,还可确认多个细小的缺陷。缺陷前端锐利,为应力集中部位,所以形成细小缺陷后,由于施加拉伸应力,缺陷前端裂纹有扩展的可能。

某钢铁公司针对锻钢件表面出现的质量缺陷,研究了表面深层缺陷的产生机理,认为与通常使用的热拉伸试验的延性评价方法相比,采用热压缩试验评价延性,可以评价自由锻造深层缺陷的发生,由此可以确定,抑制表面缺陷产生的温度等锻造极限条件,从而抑制表面缺陷的形成。这种缺陷分析思路就是基于深层缺陷产生机理假设。

某钢铁公司在制造船舶用曲轴的原材料和传动轴、反应堆壳体等大型锻钢件的自由锻造中,有时会产生表面缺陷,锻造作业中采用火焰清理去除。但是,认为热延性良好的钢种很少,也有在锻造后和退火、调质后发现深层缺陷的情况。如果残留有表面缺陷,即使较浅的表面缺陷也必须用砂轮磨削去除缺陷和实施磁粉探伤检测等,造成成本的增加和生产率的下降。如果是深层缺陷,需要修复作业时,也有不能确保机械加工的加工量,不能再作为产品使用的情况,这样损失就会非常大。

该缺陷常发生在锻钢件的长轴制品。该制品经退火、调质后,确认了多个轴向表面缺陷。在确认的多个轴向表面缺陷中,选择了较深的缺陷,该轴向表面缺陷,外观上可以看见像折痕。但是,通常锻造导致的表面材料流动引起的折痕状缺陷最深不过是5mm的深度,而该缺陷最大深度为20mm以上。这种折痕状较深的缺陷很少发生,其发生机理目前尚不明确。

首先,怀疑可能是由于退火、调质时的热应力产生裂纹,或是细小缺陷的扩展。在缺陷周边确认了宽约400μm的脱碳层。缺陷周边的脱碳层厚度受从缺陷发生到检测出的缺陷周边的热履历的影响。因此,使CT(紧凑拉伸)试样发生疲劳裂纹,将疲劳断裂部分切除,模拟了锻造温度①1100℃,②800℃以后,③调质时的冷却工序以后的三种条件。观察结果,裂纹周边产生的脱碳层厚度分别是650μm、500μm和300μm。从这一结果认为,该缺陷不是调质时发生的,而是发生在锻造过程中。

然后,调查了锻造作业中何时发生缺陷。比较和观察了该锻件的热履历和缺陷周边组织,进行了锻造作业现场和作业视频确认等的状况调查。锻造作业中具体的缺陷发生时期不能特定。特别是轴向缺陷,在热态下,即使是熟练的作业人员也很难发现,当场确认的制品中也有退火、调质后发现首个缺陷的情况。在锻造作业中的材料表面粘附着氧化铁鳞、锻造件表面凹凸不平,所以很难发现缺陷。

采用“深层缺陷产生机理的假设”,分析结果马上得到了确认,如果压下量增大,缺陷周边会产生拉伸应力。假设锻钢件表面发生的深层缺陷是由于锻造时材料的延性降低,折痕状细小的缺陷扩展而形成的缺陷,研究了材料延性和缺陷扩展的评价方法。

从热拉伸试验的结果得到所有钢种在650℃以上,材料延性没有较大差异的结果。该结果与实际制造中的表面缺陷发生频率不一致,所以为了评价自由锻造中的延性,研究了其他方法。周向或轴向所有的表面缺陷,假设发生深层缺陷,设计了使用带缺口圆柱的热压缩试验。试验先将加工成缺口的圆柱料加热到规定的温度后,再模拟实际表层缓冷到试验温度,使用端面拘束夹具进行压缩。原本应该在相对荷重方向的垂直方向加工一个缺口,但距缺口前端的伸展量很小,所以差异不明显。因此,为使伸展量产生明显的差异,将缺口设在与荷重平行的方向,进行了试验。此外,即使变化缺口方向,由于应力集中,距缺口前端的裂纹发生的状况本身没有差异。试验条件下,明确了裂纹容易伸展的钢种顺序,与各钢种实际制造时的表面缺陷发生的频率一致。

一般采用热拉伸试验的断面收缩率评价表面缺陷发生频率,但热压缩试验可以更好地评价表面缺陷发生频率。根据上述结果认为,钢种间的延性差异有可能采用热压缩试验的伸展长度就可以更灵敏地评价,正如假设的缺陷产生机理那样,实际深层缺陷的产生也是由细小缺陷伸展导致的可能性较大。

研究的热压缩试验的伸展长度与热拉伸试验的断面收缩率值存在相关性,与传统上通常使用的热拉伸试验的延性评价方法相比,采用热压缩试验评价延性,可以评价自由锻造的深层缺陷的产生。认为热压缩试验可以更灵敏地评价自由锻造中各钢种的热区间的延性。这就是深层缺陷产生机理假设的奇妙之处。

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网