锻造工艺过程中,如果加热温度控制不当常常容易引起锻件过热的现象。过热将引起材料的塑性、冲击韧度、疲劳性能、断裂韧度及抗应力腐蚀能力下降:例如18Cr2Ni4WA钢严重过热后,冲击韧度由0.8-1.0MJ/m2下降为0.5MJ/m2
一般认为,金属由于加热温度过高或高温保温时间过长而引起晶粒粗大的现象就是过热。至于晶粒粗大到什么程度算过热,应视具体材料而有所不同。碳钢(包括亚共析钢和过共析钢)、轴承钢和一些铜合金,过热之后往往出现魏氏组织;马氏体和贝氏体钢过热之后往往出现晶内织构组织;1Cr18Ni9T、1CrI3和 Cr17Ni2等不锈钢过热之后a相(或δ铁素体)显著增多;工模具钢(或高合金钢)往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织(见照片)。
钛合金过热后出现明显的β晶界和平直细长的魏氏组织。这些通过金相检查便可以判定。对铝合金的过热现在没有明确的判定标准,一般过热的结构钢经正常热处理(正火、淬火)之后,组织可以得到改善,性能也随之恢复,但是Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、C-Ni-W、C-Ni-Mo-V系多数合金结构钢严重过热之后,冲击韧度大幅度下降,而且用正常热处理工艺,组织也极难改善,因此对过热组织,按照用正常热处理工艺消除的难易程度,可以分为不稳定过热和稳定过热两种情况。不稳定过热是用热处理方法能消除所产生的过热组织,亦称一般过热;稳定过热是指经一般的正火(包括高温正火),退火或淬火处理后,过热组织不能完全消除。合金结构钢的严重过热常常表现为稳定过热,碳钢、9Cr18不锈钢、轴承钢、弹簧钢中也发生类似情况。
过烧,加热温度比过热的更高,但与过热没有严格的温度界限。一般以晶粒边界出现氧化及熔化为特征来判定过烧,如对碳素钢来说,过烧时晶界熔化、严重氧化,工模具钢(高速钢、Cr12Mo等钢)过烧时,晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时,出现晶界熔化三角区和复熔球等现象。锻件过烧后往往无法挽救,只好报废。
02
过热、过烧的鉴别方法
对过热、过烧的判定,目前最广泛应用的是低倍(50倍以下)检查、金相分析和断口分析等三种方法。这三种方法相互配合,相辅相成地使用。
(1)低倍检查
合金结构钢过热之后,在锻件低倍上表现为低倍粗晶。低倍粗晶的显示方法如下:一般采用1:1的盐酸水溶液热浸蚀。对材料纯洁度较差的电弧钢,采用10%~20%的过硫酸氨水溶液等冷浸蚀剂,效果较好。在过热锻件的酸浸低倍试片上,按过热程度不同,用肉眼可观察到:轻微过热时有分散零星的闪点状晶粒;一般过热时晶粒呈片状或多边形;严重过热时则呈雪片状。日前尚无统一的低倍检验标准。
(2)金相分析
利用腐蚀剂对磨制好的金相试样进行电解腐蚀或化学腐蚀,然后在金相显微镜下观察晶界及附近有无过热、过烧的特征,进而判定钢材是否过热与过烧。
在大多数情况下,应用饱合的硝酸铵水溶液对试件进行电解腐蚀,然后在显微镜上观察基体和晶界的颜色。过热钢奥氏体晶界呈白色,基体呈黑色。过烧钢晶界呈黑色,基体呈白色。
也可应用硝酸【10%(质量分数)】 加硫酸【10%(质量分数)】的水溶液或奥勃试剂,对试样进行化学腐蚀,效果也很好。已过热的钢在显微镜下可见到黑色断续或完整的晶界【有人认为黑色晶界是由于沿晶界析出的 MnS被腐蚀造成的),而过烧钢的晶界则呈白色。
(3)断口分析
用断口来检查材料的过热、过烧,也是一种既简便又可靠的方法。通常有两类断口,一类叫“萘状断口”,另一类叫“石状断口”。石状断口是经调质处理后进行的检查。
所谓“ 萘状断口”是典型的穿晶解理断裂;面所谓“石状断口”是典型的沿晶断型。 萘状断口可以显示晶粒的大小,但不能反映第二相颗粒沿晶界析出的情况,即不能表征材料是否稳定过热。
采用“石状断口”来评定过热则有以下优点:
1)“石状断口”表面上出现的过热小平面的大小,反映了晶粒的大小;韧窝的大小和数量多少,反映了MnS等夹杂沿原奥氏体晶界的析出情况:
2)在纤维状断口上出不出现“过热小平面”,标志着稳定过热是否开始:
3)“过热小平面”的尺寸、形状、数量及分布情况,反映过热的严重程度。
当断口由纤维状完全变为“过热小平面”(石状断口)时,就表示严重过热了,可见在韧性状态下检查钢材是否过热,是比较合理的。
例如,某厂对18Cr2Ni4WA钢过热断口进行了研究,在950℃加热时获得正常纤维状断口,在1150℃加热时,在纤维状断口基体上出现了少数分散面细小的“过热小平面”,此时开始轻度过热。随着加热温度的进一步升高,“过热小平面”增多增大,在1400℃时断口的表面全是由大颗粒灰白色“过热小平面”组成,此时为严重过热断口。
45#钢过烧组织
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过热对力学性能的影响
对只是晶粒粗大的过热情况(不稳定过热),当试样主要呈穿晶韧窝断裂时,对力学性能影响不大;当试样呈穿晶解理断裂或沿晶脆性断裂时,晶粒越大,塑性和冲击韧度下降也越大。对稳定过热,例如晶粒粗大并同时有夹杂物沿原奥氏体晶界析出的情况,其试样断口呈穿晶韧性和沿晶韧窝的混合断裂或沿晶韧窝断裂。过热愈严重,“过热小平面”尺寸在断口上所占的比例愈大时,塑性指标和冲击韧度降低也愈显著。过热还影响材料的疲劳强度和断裂韧度,特别是严重过热时,使疲劳强度和断裂韧度下降较大。
按传统概念,钢料过热后,出现魏氏组织,使性能下降。但近来-些研究结果认为,经同样温度奥氏体化后,生成魏氏组织的试样较生成等轴铁素体加珠光体的试样有较高的冲击韧度,较低的脆性转变温度和较大的韧性贮备,过热形成粗晶,降低钢的冲击韧度,而魏氏组织则提高钢的韧性。因此,过热时冲击韧度的降低主要是由晶粒粗大引起的。