第十章 金属的低倍组织缺陷分析一、 原理概述金属的低倍组织缺陷检验也称为宏观检验。它是用肉眼或不大于十倍的放大镜检查金属表面、断口或宏观组织及其缺陷的方法。宏 观 检 验 在 金 属 铸 锭 、 铸 造 、 锻 打 、 焊 接 、 轧 制 、 热 处 理 等 工 序 中 ， 是 一 种 重 要 的常 用 检 验 方 法 。 这 种 检 验 方 法 操 作 简 便 、 迅 速 ， 能 反 映 金 属 宏 观 区 域 内 组 织 和 缺 陷 的 形态 和 分 布 特 点 情 况 。 使 人 们 能 正 确 和 全 面 的 判 断 金 属 材 料 的 质 量 ， 以 便 指 导 科 学 生 产 、合 理 使 用 材 料 。 还 能 为 进 一 步 进 行 光 学 金 相 和 电 子 金 相 分 析 作 好 基 础 工 作 。宏观检验包括低倍组织及缺陷检验(包括酸蚀、硫印、塔形车削以及无损控伤等方法)和断口分析等。1较典型的宏观缺陷较典型的宏观缺陷有偏析、疏松、缩孔、气泡、裂纹、低倍夹杂、粗晶环等。(1) 偏析合金化学成分不均匀的现象叫做偏析。根据偏析的范围大小和位置的特点，一般可以分为三种。即晶内偏析和晶间偏析、区域偏析、比重偏析。晶内偏析和晶间偏析 如固溶体合金浇注后冷凝过程中，由于固相与液相的成分在不断的变化，因此，即使在同一个晶体内，先凝固的部分和后凝固的部分其化学成分是不相同的。这种晶内化学成分不均匀的现象叫晶内偏析。这种偏析常以树枝组织的形式出现，故又称为枝间偏析。这种偏析一般通过均匀退火可以将其消除。基于同样的原因，在固溶体合金中先后凝固的晶体间成分也不相同，这种晶体间化学成分不均匀现象叫做晶间偏析。区域偏析 在铸锭结晶过程中，由于外层的柱状晶的成长把低熔点组元、气体及某些偏析元素推向未冷却凝固的中心液相区，在固、液相之间形成与锭型外形相似形状的偏析区。这种形态的偏析多产生在钢锭结晶过程，由于钢锭模横断面多为方形，所以一般偏析区也是方框形，故常称为方框偏析。在酸浸试片上呈腐蚀较深的，并由暗点和空隙组成的方形框带。见图 10-1。这种偏析是一种下偏析，即铸锭的外层是富集高熔点组元，而铸锭心部则富集了低熔点的组元和杂质。与正偏析相反的是反偏析。反偏析恰与正偏析相反。当合金的铸锭发生反偏析时，铸锭表面溶质高于合金的平均成分，中心人溶质低于合金的平均成分；有时铸锭表面富集低熔点组元和杂质，严重时可在铸锭表面形成反偏析瘤。反偏析的形成原因，一般认为，结晶温度范围宽的合金，在凝固过程中形成粗大树枝晶时，枝晶间富溶质的金属液在凝壳的收缩压力、熔液内部释出的气体压力、液柱静压力、大气压力的作用下，沿着枝晶间的毛细管通道向外移动，到达铸锭表层，冷凝后形成反偏析。在有色合金中 Cu-Sn 和 Al-Cu 合金是发生反偏析的典型合金。重力偏析 在合金凝固过程中，如果初生的晶体与余下的溶液之间比重差较大，这些初生晶体在溶液中便会下沉或上浮。由此所形成的化学成分不均匀现象称为重力偏析，亦称为比重偏析。Cu-Pb、Sn-Sb 、Al-Sb 等合金易于产生重力偏析。(2) 缩孔和疏松在铸锭的头部、中部、晶界及枝晶间，常常有一些宏观和显微的收缩孔洞，统称为缩孔。容积大而集中的缩孔称为集中缩孔；细小而分散的缩孔称为疏松。其中出现在晶界和枝晶间的缩孔又称为显微疏松。缩孔和疏松的形状不规则，表面不光滑，易与较圆滑的气图 10-1 铸锭方框偏析孔相区别。产生缩孔和疏松的直接原因，是金属液凝固时发生的凝固体收缩。残余缩孔在金属材料的横向酸浸试片的轴心部位，易于识别。疏松在横向酸浸试片上呈暗黑色的小点和细小的孔隙。这是因为疏松本身就是显微孔洞，而且在这些显微孔洞的周围总是伴随着偏析，因而容易受到浸蚀。疏松小点可能分布在试片检验面的各个部位。根据其所在位置，可将疏松分为中心疏松和一般疏松。见图10-2a、 b。(3) 气孔根据气孔在铸锭中出现的位置，可将其分为表面气孔、皮下气孔和内部气孔三类。见图 10-3。根据气孔的成因，又可分为析出型气孔和反应型气孔两类。析出型气孔是由于金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中，又由于溶解度随温度的降低而急剧的下降，特别是在金属凝固时，由于气体溶解度的剧烈下降而析出大量的气体。当金属完全凝固，气体不能逸出时，在铸锭或件内部形成了气孔。反应型气孔是金属在凝固过程中，与模壁表面水份、涂料及润滑剂之间或金属液内部发生化学反应，因而产生的气体形成气泡，且来不及上浮逸出而形成的气孔。气孔一般是圆形的，表面较光滑。压力加工时气孔可被压缩，但难以压合，常常在热加工和热处理过程中产生起皮起泡现象。图 10-2a 中心疏松 图 10-2b 一般疏松图 10-3 铸锭断面气孔分布状况示意图(a)表面气孔 (b)皮下气孔 (c)内部满面气孔 (d)内部缩松气孔(a) (b) (c) (d)(4) 裂纹大多数成分复杂或杂质总量较高或有少量非平衡共晶的合金，都有较大的裂纹倾向。尤其是大型铸锭。在冷却强度大的连铸条件下，产生裂纹的倾向更大。在凝固过程中产生的裂纹称为热裂纹。凝固后冷却过程中产生的裂纹称为冷裂纹。热裂纹多沿晶界扩展，曲折而不规则，冷裂纹常为穿晶裂纹，多呈直线扩展。除开铸锭裂纹外，由于热加工如轧制、锻压、热处理过程中都可能出现裂纹。锻轧裂纹多是由于不适当的锻造或轧制操作以及加热工艺而造成的。产生在中心部位具有龟裂特征。有时也产生在工件边缘，这是表现为垂直于边缘呈开放开裂。除开上述裂纹外，发纹也是钢材中易于出现的一种缺陷。发纹是纲中气孔和夹杂在加工变形过程中沿锻轧方向被延伸所形成的细粘裂纹。发纹是应力集中的地方，对疲劳强度有着严重的影响。一般对制造重要机件所用钢材，都要做塔形车削发纹的检验。对发纹的数量、大小及分布情况都有严格的限制。塔形发纹检验是将钢材按规定车成阶梯形的试样，后用酸蚀法或磁力探伤法进行检查。(5) 低倍夹杂在酸浸低倍试样上，有的肉眼可以看到耐火材料、炉渣及其它非金属夹杂物，这些较粗大的夹杂称为低倍夹杂。它们在酸浸试片上以镶嵌的形式存在，并保持其固有的各种颜色，常见的有灰白色、米黄色和暗灰色等。有些低倍夹杂在制片时可能脱落，而表面为空洞。空洞的特点区别于气泡是它的边缘不整齐，呈海绵状。(6) 流线流线是金属中的低熔点成分和带状组织偏析在轧制或挤压时伸展而形成的。同时，铸锭的晶粒在轧制过程中也被拉长成条状。经过再结晶加热过程能使长条形晶粒恢复成等轴晶粒，但是由于低熔点成分和带状组织伸长所形成的条纹分布仍然存在。在钢材的纵向截面上经抛光和酸浸后，用肉眼可以看到这种条纹状的线条。这种宏观组织称为纤维组织，又称为流线。见示意图 10-4。 不能认为合理分布的流线是一种缺陷。因为几乎所有经过轧制、挤压或锻造的金属型材、制件中都存在着流线。但是应认识到由于这种流线的分布，会引起在性能上各向异性反映。试验也表明：在钢 中顺纤维方向切取的试样机械性能要比横纤维方向试样的高。因此，控制流线的合理分布；了解应力与流线分布及机械性能间的关系是至为重要的。(7) 粗晶环粗晶环是铝合金挤压制品中的主要缺陷之一。铝合金挤压件在随后的加热时引起外层晶粒粗大，这种现象称为粗晶环。其表征特点是：对单孔挤压棒材来说，粗大组织区呈对称环状。多孔挤压棒材呈偏心月牙状。粗晶环的存在会剧烈降低机械性能。粗晶环还具有组织“遗传性” 。用有粗晶环的毛坯进行模压后，原来的粗晶区仍然保留，造成模压件之组织不匀及影响表面质量。甚至在热处理过程中还易于引起开裂。研究表明，形成粗晶环根本原因是挤压变形的不均匀笥所致。2低倍组织及缺陷浸蚀方法低倍组织浸蚀方法分为热酸浸蚀法、冷酸浸蚀法和电解腐蚀法三种。本次实验采用冷酸浸蚀，有关酸浸蚀液成分参见附录 1-1。冷酸浸蚀操作要点如下：(1) 根据材料种类选用合适的和一定配比的浸蚀液。(2) 试样检验面的光洁度应在 7 以上，酸蚀前应将检验面擦净，去除油污。(3) 用擦蚀法时，将酸液慢慢倒在置地耐酸盆中的试样同上，然后用刷子将酸液刷匀，直至清晰显示出低倍组织和缺陷为止。(4) 浸蚀好后，用水冲掉酸液，并用碱水中和，然后用再热水冲洗，立即吹干。3断口分析金属断口按其断裂方式可分为脆性断口(晶粒状断口) 、韧性断口 (纤维状断口)和疲劳断口。根据其断口的形状可以研究金属的强度和零件受力破裂的原因。脆性断口 金属断裂前未经过塑性变形，有的沿晶界断裂(称为晶间断裂) 有的沿晶内图 10-4 钢棒料(a)和锻件(b) 内的纤维分布(a) (b)断裂(称为穿晶断裂)，这种断口原来的晶粒未被歪曲，其大小和形状能保持焉。晶界断裂的原因除了金属的本性以外，往往是由于金属过烧，晶界上发生氧化或杂质存在于晶界，因而降低了晶界的强度。晶内断裂是由于晶粒本身强度不高，或在结晶过程中沿晶粒内某些晶面夹入了杂质。断口的形状见实物。韧性断口 断裂以前发生了塑性变形。原晶粒被歪曲(拉长或破碎 )，不再保持原来的大小、形状，因而不能从这些断口中研究金属内部组织。断口的形状见实物。疲劳断口 承受交变应力的机械零件(例如轴) 破裂首先由表面小裂纹开始。由于交变应力的作用，一边摩擦一边扩大，形成了螺旋形光滑平面。这种断口称为疲劳断口。在断口上常常看见气孔、裂纹和疏松等缺陷。见图 10-5。在工厂中进行断口检验除利用破断零件自然断裂表面外，一般可用宏观检验完了的试样来制备成断口试样。打断口的试样其锯切深度不应大于试样总厚度的 1/3，锯切部位应在要求检查处。断口上应有油污和水痕，在观察时也和低倍磨片一样，应转换试样方向和光线入射角度。 实 验一、实验目的1了解低倍检验及其应用范围。2通过低倍检验实验，认识金属低倍典型宏观缺陷的形态和分布特征。3识别金属断口(脆性、韧性、疲劳断口 )的特征。4学习基本宏观检验方法。二、实验器材浸蚀低倍试样器材四套(包括耐酸盆、镊子及种药品、量筒等) ；放大镜；各种典型宏观缺陷样品。三、实验任务和步骤1观察钢、铜合金、铝合金各种典型低倍缺陷实物样品。2认识各种典型断口的形貌特征。3用冷酸法浸蚀钢和铝合金低倍缺陷样品。四、实验报告要求1简要叙述低倍缺陷试片的制备流程及所选用的浸蚀剂成分。2抓住特点画出自己抽制作的低倍试片宏观组织或缺陷特征，并说明缺陷名称及其形成原因。画图时要注意比例，尺寸取 50mm 为宜。3对所观察的缺陷及断口样品作简要分析说明。图 10-5 疲劳断口