“白点”缺陷

xtq

钢板或锻件中，常见的一种缺陷叫“白点”，但不知这种缺陷是一种什么样的缺陷？

luoxing005

白点是由于钢中氢含量过高引起的一种缺陷。白点是锻件在冷却过程中产生的一种内部缺陷。在钢坯的纵向断口上呈圆形有椭圆形的银白色斑点。合金钢白点的色泽光亮，碳素钢的较暗些。白色斑点的平均直径由几毫米到几十毫米。白点的存在对钢的性能有极为不利的影响。它使钢的力学性能降低，热处理淬火时使零件开裂，使用时造成零件的断裂。 预防白点退火在630-680℃保温几小时后空冷即可。
# V/ \- i: w9 t; d0 `' \      铸件冷却时，表层及薄截面处，往往产生白口。白口组织硬而脆、加工性能差、易剥落。因此必须采用退火（或正火）的方法消除白口组织。退火工艺为：加热到850－950℃保温3～5 h，随后炉冷到500—550℃再出炉空冷。在高温保温期间 ，游高渗碳体和共晶渗碳体分解为石墨和A，在随后护冷过程中二次渗碳体和共析渗碳体也分解，发生石墨化过程。由于渗碳体的分解，导致硬度下降，从而提高了切削加工性。

misket706

白  点

2 N  p: V3 E% ^: z    白点是锻件在冷却过程中产生的一种内部缺陷。在钢坯的纵向断口上呈圆形有椭圆形的银白色斑点。合金钢白点的色泽光亮，碳素钢的较暗些。白色斑点的平均直径由几毫米到几十毫米。图片3-31为时轮锻件纵向断面上的白点。在钢坯的横向断口上白点呈细小的裂纹（图片3-32）。从显微组织上观察，在白点的邻近区域没有发现塑性变形痕迹。因此，白点是纯脆性的。
' z0 O1 E& }$ nhttp://210.28.144.20:208/MachineBase/Forging/duanzao/zlbz/images1/3-31.jpg
  B, B' i- `( I$ n& l6 x图片3-31 34CrNi3Mo钢叶轮锻件纵断面上的白点
http://210.28.144.20:208/MachineBase/Forging/duanzao/zlbz/images1/3-32.jpg
图片3-32 横向低倍上的白点

misket706

    （一）白点对钢的力学性能的影响
    白点的存在对钢的性能有极为不利的影响。它使钢的力学性能降低，热处理淬火时使零件开裂，使用时造成零件的断裂。
  L: V- |; `' j" `9 p+ }" l- ~    白点对钢力学性能的影响与取样的位置及方向有很大关系。当试样轴线与白点分布平行时，力学性能的降低有时并不明显；当试样轴线与白点分布垂直时，力学性能将显著下降，尤其是塑性指针和冲击韧度降低更为明显。表3-10是白点对铬、镍、钼结构钢钢坯力学性能的影响；表3-11是白点对22CrMnMo钢齿轮轴力学性能的影响。

表3-10  白点对铬镍钼钢力学性能的影响

钢的化学成分 " U' i% t0 i' m1 i5 c. d（质量分数）（%）	试样的白点 情 况	试样方向	力  学  性  能 * m( {, P' z$ v# d1 H2 n+ k
			σb/MPa ) }8 \2 h0 j0 @5 ?	σs/MPa	ψ（%） 6 a7 C& q, ^; J+ ?0 F	αK/ ; r  T: H3 s# g- H' I8 h* l（J/m2） 5 }% x/ w; J$ J2 n
C=0.33  Mn=0.30 6 v, C) E# x3 v/ R1 qSi=0.20  Cr1.79 Ni=1.87  Mo=0.30 S=0.008  P=0.012 & ^: [$ W0 {- v	无白点   M& z" z* B6 s& J4 [9 _+ v/ o0 x有白点 7 `7 W+ b- v( ~9 v' M3 m	纵向 纵向 4 v7 S: n* L1 x, D	745 694	216 ( Q; x8 z! n- {& G. a206	55.4 - n' ?, l" @/ v- ?55.6	0.96   S$ o2 G7 W) c9 B' ]  f9 K0.82
	无白点 + z& f/ Z7 v+ w有白点	横向 横向 ! u5 i. s8 H5 J$ P3 e+ q' n	712 446	161 76	31.1 19.3	0.70 0.40 / K2 x7 y6 G( |0 d3 O5 _
C=0.32  Mn=0.31 0 T* I: f& P) c3 B! o/ ?Si=0.13  Cr2.06 Ni=1.68  Mo=0.21 S=0.013 P=0.018	无白点 有白点 % n9 ~! `. H$ g	纵向 . z% n$ _+ ?! ~' e纵向	716 548	226 , i: W1 c+ v3 P9 k; x/ i( u* @140	56.0 9 L8 `( s9 f# h! }$ h! ^39.2 ! a0 e( r) f- u( V" j" B	1.02 0.76 + q4 v6 q9 Q- v' S; l
	无白点 " S& w7 P1 U/ j! [9 W+ N有白点 8 q0 _* z, Z  V. E	横向 & A3 }7 Z+ Y5 \& I% ~横向	700 347	183 9 e5 [* e# P* }' _80	51.3 2 e% H2 V" o4 x1 T1 e7.4 7 k/ ~9 Y* H* {8 D	0.86 0.43 & _$ r( A( R& Q+ c1 G

6 W! M$ f& Y3 Q; ^' T% G  g( `( ]) J

    由于白点处是应力集中点，在交变和重复载荷作用下，常常成为疲劳源，导致零件疲劳断裂。国外电站设备曾发生因转子和叶轮中有白点而造成的严重事故。因此，白点是一种不允许的缺陷。
3 u! O% O! X# N& Z8 J6 K$ }3 I    近来有关数据介绍，白点不太严重的钢材，在适当的温度和应力状态条件下，当锻比足够大时，可以使白点焊合。

表3-11 白点对22CrMnMo钢力学性能的影响

试样编号	取样方向 3 g, j! j) n# b% Y; O* T; T: v	力  学  性  能
		σb/MPa	δ（%） * @9 w+ J& E/ J+ j	ψ（%）
02 5 r' t6 c- `* U$ H. Z5 y3 L03	纵向 纵向	741 ' w8 i8 M; U& K' M! }) [705 5 _/ m! |6 b: e, G	16.0 13.0	45.2 * S; B2 G( G3 F' Y" G2 z32.8
06 07	横向 横向 - U& X2 J. x' V4 o+ C. N	506 9 l/ ]: |# G$ n2 j& ]453 + r9 j+ K2 U0 R	1.6 6 q6 b/ c4 `; Q3 \0.8	1 F, l' L6 b& N8 K5 \/ t7 k5.7

    白点多发生在珠光体和马氏体类合金钢中，碳素钢程度较轻，奥氏体和铁素体类钢很少发现白点，莱氏体合金钢也未发现过白点。锻件尺寸愈大，白点愈易形成。因此，锻造白点敏感性钢的大型锻件时就应特别注意，例如电站的转子和叶轮锻件等。
) {7 ]7 `2 T" x7 ~, f+ s4 \7 z    （二）关于白点形成的原因
, D4 k! w6 E  J& ~+ O4 Z$ r( l    关于白点形成的理论较多。但比较有说服力而又能被实践证明的是：白点是由于钢中氢和组织应力共同作用的结果。这里的组织应力主要指奥氏体转变为马氏体和珠光体时形成的内应力。没有一定数量的氢和较显著的组织应力，白点是不能形成的。但是，若只是含氢量较高，而组织应力不大，一般也不会出现白点。例如，单相的奥氏体和铁素体类钢，因没有相变的组织应力，就极少出现白点。
    氢气和组织应力是如何促使形成白点的呢？目前对这些问题的认识大致如下：1）钢中含有氢时，使钢的塑性降低。当含氢量达到某数值时，塑性急剧地下降，造成氢脆现象。尤其当钢内长时间存在应力的情况下，氢可以扩散到应力集中区（间隙溶解的氢原子有集中到承受张应力的晶格中去的倾向），并使其塑性下降到几乎等于零。在应力足够大时就产生脆性破断。例如25Cr2Ni2Mo钢含 14.5cm3／100g的氢时，于900℃正火，600℃回火后的伸长率降至0.6％，断面收缩率降至0；含7.84cm3／100g的氢时，淬火状态的伸长率和断面收缩率均降至 0。20钢含170cm3／100g 的氢时，退火状态的伸长率降为 0.2％，断面收缩率为0；含12.76 cm3／100g的氢时，淬火状态的伸长率和断面收缩率均降至0；2）炼钢时钢液中吸收的氢，在钢锭凝固时因溶解度减少而析出。图3-38为氢在铁中的溶解度曲线。它来不及逸出钢锭表面而存在于钢锭内部空隙处。压力加工之前加热时，氢又溶于钢中，压力加工后的冷却过程中由于奥氏体分解和温度降低，氢在钢中溶解度减少，氢原子从固溶体中析出到钢坯内部的一些显微空隙处。氢原子在这里将结合成分子状态，并产生相当大的压力（当钢中含氢量为0.001%，温度为400℃时，这种压力可高达1200MPa以上）。另外，氢与钢中的碳反应形成甲烷（CH4），也造成很大的分子压力。这一点被有的白点表面有脱碳现象所证实；3）钢坯在冷却过程中因相变而造成的组织应力在一定条件下可达到相当大的数值（树枝状偏析愈严重、冷却速度愈快、淬透性愈好的钢，组织应力就愈大）。因此，钢氢脆失去了塑性，在组织应力及氢析出所造成的内应力的共同作用下，使钢发生了脆性破裂，这就形成了白点。压力加工过程中不均匀变形经起的附加应力和冷却时的热应力对白点形成也有一定影响。
+ J+ l/ Q+ [6 H. C% ~* w    铸钢因为内部有许多较大的空隙，氢析出时不会造成很大的内应力，因此对白点不敏感。铁素体和奥氏体类钢因冷却时无相变发生，不会有组织应力，所以一般也不出现白点。莱氏体钢冷却时虽有较大的组织应力，但可能是由于氢在这些钢中形成稳定的氢化物和由于复杂的碳化物阻碍了氢的析出等原因，也不产生白点。
: a8 X3 F5 N" q7 `7 [5 A    白点常常是锻件冷却至室温后几小时或几十小时，甚至更长的一段时间后才产生的。例如，160mm的马氏体类合金结构钢方坯，冷却后12、24、48h均未发现白点，直到72h才发现白点。另外，白点开始产生后，在以后的继续冷却和放置期间还不断地扩大和产生新的白点。因此，检查白点应在冷却后再隔一段时间进行。

http://210.28.144.20:208/MachineBase/Forging/duanzao/zlbz/images/3-38.jpg
图3-38  氢在铁中溶解和温度的关系

misket706

（三）防止白点产生的对策
/ D9 b5 o& [! [0 P0 E+ j, d% y! R    由于白点主要是由于钢中氢和组织应力共同作用下引起的，因此设法除氢和消除组织应力就可以避免白点的产生。其中首先应是除氢。最彻底的办法是从熔炼工艺着手，使氢在钢中的含量减少到不至引起白点的产生。严格控制炼钢操作过程，采用真空浇注等是很有效的措施。如果炼钢过程中氢含量不能控制在2cm3／100g以下，则必须在锻后采用合理的除氢冷却规范，决不允许锻后直接空冷到室温。压力加工的钢材如果不存在白点，以后用这些钢坯锻成的锻件就不会再出现白点。因此对锻造来讲，关键问题是制定合理的锻后冷却规范。
    为了消除白点，制定冷却规范的主要原则是：在尽量减小各种应力（相变组织应力、变形残余应力及冷却温度应力等）的条件下在氢扩散速度最快的温度区间，长时间保温，使氢能从钢锭中充分扩散出来。具体的措施是采用等温退火。
    对马氏体类钢，在等温转变时，有两个温度范围奥氏体稳定性很小，分解速度最快。一个是600～620℃（保温15h奥氏体可分解20%）；另一个是280～320℃（16min内奥氏体可分解95％。试验证明，在这两个奥氏体分解比较快的温度范围内，氢扩散的速度也是最快的。图3-39为氢的扩散速度与温度的关系曲线。体心立方晶格的铁素体比面心立方晶格的奥氏体可溶解的氢少。在600～620℃长时间保温，进行等温退火时，钢的塑性较好，同时温度应力、相变应力较小，较安全，但时间要很长。在280～320℃作等温退火，奥氏体分解快、需要的时间短，但相变应力和温度应力较大，材料塑性较低，对较大的锻件，如控制不好易出现裂纹。另外，较大截面的锻件，中心部分的氢也很难扩散出去。因此，对铬镍钼钢的大锻件，一般采用起伏的冷却规范，既能充分除氢，尽量减小应力、又能提高效率。图3-40为34CrNiMoφ1030mm转子锻件的冷却曲线。该曲线的主要特点是：①锻后先保温一段时间，使锻件内外温度均匀，以消除变形不均匀引起的残余应力和冷却时的温度应力。然后缓冷至略高于马氏体开始转变温度Ms，这时奥氏体不是分解为脆性的马氏体，而是韧性较好的贝氏体，相变应力较小，在稍高于Ms点保持一段时间，使奥氏体充分分解，使氢充分向外扩散。但因温度低，氢气析出只在表面，锻件中心部分仍保留较多的氢；②将锻件再加热到重结晶温度以上，并保温，使氢由含量多的心部向含量少的表面扩散，亦即使氢含量沿截面较均匀地分布；这时由于重结晶的作用使锻件的晶粒细化，为最终热处理创造较好的条件；③再次缓冷到Ms点以上，氢从表面扩散出去，而中心部分仍被保留着；④为使组织全部转变为索氏体，将锻件加热到600～650℃并进行充分保温，一方面使奥氏体充分分解，另一方面使中心的氢尽量向表面扩散。 http://210.28.144.20:208/MachineBase/Forging/duanzao/zlbz/images/3-39.jpg
图3-39  氢的扩散速度与温度的曲线

http://210.28.144.20:208/MachineBase/Forging/duanzao/zlbz/images/3-40.jpg
& @* J# M9 ?, Z& [图3-40   34CrNiMo转子等锻件冷却曲线

    34CrNi3Mo钢对白点很敏感，而且转子锻件截面较大，所以工艺较复杂。对其他锻件，冷却曲线应根据钢种和尺寸具体确定。
    对珠光体类钢锻件，锻完后冷却到Ac1以下50～150℃，使奥氏体分解为珠光体，再加热到Ac1以下20～50℃，长时间保温（根据锻件尺寸大约几小时到十几小时，保温过程中使组织应力充分消除，并使氢逸出），然后缓慢冷却；或者锻后冷却至Ac1以下50～150℃，再热至Ac3以上20～30℃（过共析钢为Ac1以上20～30℃）保温，再冷却至Ac1以下50～60℃长时间保温，以后缓慢冷却。在奥氏体已转变为珠光体的情况下，在靠近Ac1点保温可使氢较快地逸出。