钢材内部缺陷的5个典型案例分析
今天我与大家共同来探讨一下钢材内部缺陷问题。
在探讨这个问题前，我们先说一下“钢材”的概念。
钢材——是用钢锭、钢坯通过压力加工制成的一定形态、尺寸和性能的材料，也就是制造大多数机械零件的毛坯来源。
由此我们可以将大多数机械零件的制造过程追溯到“锭－材－件”三个环节，从发现内部缺陷入手去推断缺陷类型及产生环节与原因，再提出相应解决办法。
１、冶炼到锭的过程
目前比较规范的冶炼工艺过程大致有：
电弧炉+LF炉外精炼+真空VD+模铸（模铸锭）
电弧炉+LF炉外精炼+真空VD+连铸（连铸锭）或连铸连轧成材
中间消耗锭+电渣重熔（电渣锭）
常见的四方形及八角型模铸锭如下
各种大小规格的电渣锭
对于钢锭来说，钢厂的一纸质保书就是说明一切：
钢厂的质保书应该有冶炼方法、化学成分及执行标准、气体含量等检测结果。
所以，就钢锭来说，由于不能直接用于加工成产品，钢厂一般只通过精炼保证化学成分及其均匀性，通过其它工艺保证其气体含量及尽量降低其它缺陷就行了。在钢锭这个环节主要的检测项目是化学成分分析与气体含量检测。
有些内部缺陷也是钢锭所固有的缺陷，
例如：钢锭的疏松、气孔是无法完全控制的，但皮下气孔等缺陷可以从浇铸工艺加以控制。
这就是模铸钢锭的皮下气泡
这是连铸坯的皮下疏松
为了了解钢锭的内部疏松问题，我们也解剖过钢锭
金相样件宏观照片及对应的100倍金相照片如下
所以，对于钢材的内部缺陷来说，在“锭”这个环节一般是在下料过程中被动地发现皮下气孔或皮下疏松外，很少去主动发现其内部其它缺陷。
钢材的内部缺陷主要是在“材—件”这两个环节发现，并且大多采用主动检测手段发现，除此这外，也有少量的是通过下料或加工过程的被动地发现。
关于在“材”这个环节发现钢材的内部缺陷问题，由于“材”的形态很多无法一一例举，我们重点谈棒材与锻件这两种形态：
1、对棒材内部缺陷的发现
一般通过“热酸低倍检验、超声波探伤、金相观察”三种常规方式。
①对棒料作径向切片后，经按GB226《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》腐蚀后，对腐蚀样本参照GB/T1979《结构钢低倍组织缺陷评级图》可发现：一般疏松、中心疏松、锭型偏析、点状偏析、中心偏析、皮下气泡、白点、轴心晶间裂缝、夹渣或异金属夹杂等缺陷。
这些缺陷应分为两类缺陷
“点状偏析、中心偏析、白点、夹渣或异金属夹杂”属于冶金缺陷
“一般疏松、中心疏松、皮下气泡、轴心晶间裂缝、锭型偏析”属于热压力加工缺陷。
②对棒料进行超声波探伤可发现：白点、轴向延伸性缺陷、密集性缺陷、单个大当量缺陷、面缺陷（裂纹）等。
其中：白点、密集性缺陷、单个大当量缺陷均属于冶金类缺陷。轴向延伸性缺陷、面缺陷（裂纹）属于热压力加工类缺陷。
③对棒料的金相观察可发现：成分偏析（成分带状偏析）、组织带状偏析、组织缺陷（如魏氏组织，其它异常组织）、渣孔等。
2、对锻件内部缺陷的发现
锻件作为制造机械零件的毛坯，也可以称为“材”。特别是一些重要机械零件（如重型变速箱或风电齿轮，齿轮轴等）对毛坯内部缺陷控制非常严格，毛坯内部缺陷的发现主要依靠超声波探伤。
对锻件超声波探伤可发现材料内部的主要缺陷有：白点、密集性缺陷、点状缺陷、面缺陷、延伸性缺陷等
①超声波探伤对白点与其它密集性缺陷的发现
“白点”属于材料的冶金类缺陷，其实质是钢在冶炼过程中氢含量超标（一般要求冶炼过程，经真空VD后取样测氢含量≤1.9PPm），在锻件冷却到室温过程中，氢以气体分子形态聚集于晶界处，将晶界撑破形态晶界裂纹，所以，白点的实质是材料的晶界裂纹，对机械零件的破坏性极大。
由于氢具有还原性，且白点所形态的晶界裂纹又属于封闭性的，所以发现白点后条件许可情况下，也可以通过“重新锻造+除氢”工艺消除材料中的“白点”。
案例一
下面是我公司对锻件“白点”的判断案例：
具体过程如下
超声波探伤定位－精准剖切样片－荧光磁探伤显示磁痕－定位打断口。
同时也可对精准剖切的样片做热酸浸蚀显示“白点”裂纹形态
也可在荧光显示磁痕后作“白点”金相形态观察。
以下是超声波纵波A扫描反射“白点”缺陷波形态
以下是超声波探伤定位后的精准切片
以下是对切片的荧光磁探伤显示磁痕
以下是对磁痕的标识及制作打断口样块
以下是“白点”的断口形貌
以下是在荧光磁痕处取金相观察试样情况
以下是“白点”的400与1000倍光学金相形态
从以上案例可以看出，要准确判断材料中存在“白点”缺陷是需要最终打断口确认，但对锻件内部缺陷判断来说不可能每次都去打断口判断。我们的经验是通过对材料“白点”的存在条件、分布特点、超声波探伤反射波特征等，用超声波探伤初步判断，并结合锻造返工确认，如果材料内部的“白点”缺陷是可能通过锻造返工消除的。
案例二：
下面是我公司对锻件“白点”的返工消除案例
由于氢具有还原性，且白点所形态的晶界裂纹又属于封闭性的，所以发现白点后条件许可情况下，也可以通过“重新锻造+除氢”工艺消除材料中的“白点”。
首先是锻件通过超声波探伤，发现心部有密集性缺陷，疑似“白点”。
制订合理的锻造返工工艺（重新锻造+除氢工艺）
返工后再次在同一件锻件上进行超声波探伤情，原有的密集性缺陷反射波已完全消失。
关于锻件内其它密集性缺陷的发现
我们在对锻件超声波探伤检测中，还发现有其它形态的密集性内部缺陷存在，虽然在超声波反射波型特征上与“白点”类似，但金相形态、缺陷分布特征、存在条件都有很大区别，这也是我们区别“白点”与其它密集性缺陷的依据。
A）锻造比不够造成锻件中心区域缩孔未焊合
B）材料局部成分偏析造成应力开裂
这两类缺陷的超声波探伤反射波型特征都很相似，但金相特征完全不同
下面是因锻造比不够，中心区域缩孔未焊合缺陷的取样过程与金相特征
下面是径向观察缺陷情况
轴向与么向的100倍金相组织观察
从纵向与径向金相组织观察看，这样的密集性缺陷与“白点”有明显差异，金相观察所看到的就是锻造未焊合的材料缩孔，这样的缺陷属于热压力加工缺陷。
下面是因材料局部区域成分偏析导致应力开裂形成的密集性缺陷
探伤及取样过程与前面一样（略）
下面是缺陷宏观形态
下面是缺陷金相形态
案例三：
另外再给大家分享一个铸钢件“白点”缺陷的判定案例
某一生产桥梁拉锚部件的企业，其生产的一款主缆锚杯为20Mn铸钢件。毛坯采购回厂后的第一道工序就超声波探伤，验收按GB/T 7233.1-2009《铸钢件超声波检测 第一部分 一般用途铸钢件》二级合格。
企业在对主缆锚杯毛坯探伤过程就发现，其内部存在大量的密集性缺陷，但缺陷的当量不大。双方为此发生僵持。
企业一方认为铸件内密集性缺陷太多，存在一定风险。
供应商则认为缺陷当量未超过标准的2级质量等级应该接收。
当企业请我去处理这个事时，我以毛坯探伤后发现确实为双方所述。但我仔细查看了拉锚杯图纸的技术要求，在产品技术要求中明确规定“不允许存在龟裂状缺陷”
最后双方达成一致意见，如果是裂纹性质的密集性缺陷，企业就拒收该批产品（毛坯价值近两百万）；若密集性缺陷属于气孔或疏松性质，则企业就应接收这批产品。
下面就是通过对毛坯进行超声波探伤－精确定位－切片－磁探伤－打断口－对断口作扫描电镜观察－取样作光学金相观察。
下面是断口形貌
下面是光学金相观察情况
在重庆大学失效分析中心对断口作电镜扫描情况
最终判定：20Mn铸钢件毛坯内部缺陷属于冶金缺陷类型的“白点”。
企业拒收了这批毛坯，有效地杜绝了一次非常严重的潜在风险。
锻件内部单个缺陷的发现
重要机械零件（如重型齿轮或风电齿轮）对材料内部单个缺陷控制较严，一般情况下不允许3倍全齿高区域内有超过Φ2当量的单个缺陷。
在材料内部的单个缺陷基本上以渣孔为主，属于冶金类缺陷。在实际操作中主要用超声波探伤发现。
下面是我公司用超声波探伤发现的锻件内部单个超标缺陷案例
对一件2.3T重齿轮锻坯探伤发现，在边缘记号向下深度85mm处发现当量Φ3的单个缺陷
经对缺陷精确定位后取样
对小样再次超声波探伤精确定位
按定位深度进行精准线切割金相观察面（也就是临近缺陷所在平面）
制作金相样件进行光学金相观察结果
金相观察结果初步表明，该单个缺陷应该属于冶炼类型的渣孔缺陷。
若要进一步判断渣孔处的组织成分，可将此样件在电镜下作能谱分析。
最后讲在“件”这个环节发现材料内部缺陷问题
在产品的生产过程中或在成品中发现材料内部缺陷，我们归纳为在“件”这个环节发现材料内部缺陷。
案例五：
下面与大家分享一个汽车零部件内部缺陷案例
某企业生产的汽车后芯轴为40Cr锻件，经调质－机加后成品，在装配过程中发现法兰盘处有裂纹
解剖后发现该裂纹从内部向外扩展，裂纹应该属于材料内裂纹而非外部原因造成。
经超声波探伤并解剖发现，裂纹均发生在法兰处并作横向延伸，若作为材料原始内部缺陷，不可能都分布在同一位置并且形态基本一致。
对锻件毛坯探伤，用裂纹件取样在裂纹处作金相观察，裂纹处没有任何异常现象
然后将探伤无裂纹锻件在法兰处剖切作锻造流线显示，法兰处锻造流线如下图
最后结合后芯轴锻造工艺（法兰为一次锻造成型）、裂纹处金相组织、裂纹分布特征、法兰处锻造流线特征等综合分析，该缺陷虽然属于锻件内部缺陷，但不属于材料自身带来，而属于锻造工艺不当在法兰处上下流线分层间，金属变形不一致形成过大剪切应力导致材料撕裂。
纠正措施：
锻造工艺由原来一次锻造成形改成“放坯—成型”，通过减少法兰处锻造一次变形量加以解决。
总结：
材料的内部缺陷主要通过无损检测方法发现，但在判定材料内部缺陷的属性过程，还有必要曾加光学金相观察或扫描电镜观察。只有通过大量实践才能在不破坏产品（毛坯）条件下，发现并判定缺陷属性。
