鑄態(tài)金屬常見(jiàn)的組織缺陷有縮孔、疏松、偏析、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)等。
1. 縮孔
金屬在冷凝過(guò)程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀(或喇叭狀)或分散的孔洞,稱為縮孔。縮孔的相對(duì)體積與與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件以及鑄件的大小等有關(guān)。液態(tài)金屬的溫度越高,則液體與固體之間的體積差越大,而縮孔的體積也越大。向薄壁鑄型中澆注金屬時(shí),型壁越薄、則受熱越快,液態(tài)金屬越不易冷卻,在剛澆完鑄型時(shí),液態(tài)金屬的體積也越大,金屬冷凝后的縮孔也就越大。
2. 疏松
在急速冷卻的條件下澆注金屬,可避免在鑄錠上部形成集中縮孔,但此時(shí)液體金屬與固態(tài)金屬之間的體積差仍保持一定的數(shù)值,雖然在表面上似乎已經(jīng)消除了大的縮孔,可是有許多細(xì)小縮孔即疏松,分布在金屬的整個(gè)體積中。 鋼材在鍛造和軋制過(guò)程中,疏松情況可得到很大程度的改善,但若由于原鋼錠的疏松較為嚴(yán)重、壓縮比不足等原因,則在熱加工后較嚴(yán)重的疏松仍會(huì)存在。此外,當(dāng)原鋼錠中存在著較多的氣泡,而在熱軋過(guò)程中焊合不良,或沸騰鋼中的氣泡分布不良,以致影響焊合,亦可能形成疏松。
疏松的存在具有較大的危害性,主要有以下幾種:
a. 在鑄件中,由于疏松的存在,顯著降低其力學(xué)性能,可能使其在使用過(guò)程中成為疲勞源而發(fā)生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件中,有時(shí)會(huì)存在基本上相互連接的疏松,以致不能通過(guò)水壓試驗(yàn),或在使用過(guò)程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象;
b. 鋼材中如存在疏松,亦會(huì)降低其力學(xué)性能,但因在熱加工過(guò)程中一般能減少或消除疏松,故疏松對(duì)鋼材性能的影響比鑄件的??;
c. 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松,對(duì)機(jī)械加工后的表面粗糙度有一定的影響。
3. 偏析
金屬在冷凝過(guò)程中,由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為晶內(nèi)偏析、晶間偏析、區(qū)域偏析、比重偏析。 由于擴(kuò)散不足,在凝固后的金屬中,便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象,即晶內(nèi)偏析。基于同一原因,在固溶體金屬中,后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會(huì)不同,即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。 在澆注鑄鍵(或鑄件)時(shí),由于通過(guò)鑄型壁強(qiáng)烈的定向散熱,在進(jìn)行著凝固的合金內(nèi)便形成一個(gè)較大的溫差。結(jié)果就必然導(dǎo)致外層區(qū)域富集高熔點(diǎn)組元,而心部則富集低熔點(diǎn)組元,同時(shí)也富集著凝固時(shí)析出的非金屬雜質(zhì)和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析。 在金屬冷凝過(guò)程中,如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí),這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮,所形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象,稱為比重偏析。晶體與余下的溶液之間的密度差越大,比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差,以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢,隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢,則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大,因而比重偏析也越強(qiáng)烈。
4. 氣泡
金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體,在冷凝過(guò)程中因溶解度隨溫度的降低而急劇減小,致使氣體從液態(tài)金屬中釋放出來(lái)。若此時(shí)金屬已完全凝固,則剩下的氣體不易逸出,有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中,于是形成氣孔,則稱其為氣泡。
氣泡的有害影響表現(xiàn)如下:
a. 氣泡減少金屬鑄件的有效截面,由于其缺口效應(yīng),大大降低了材料的強(qiáng)度;
b. 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí),在熱鍛加熱時(shí)可能被氧化,在隨后的鍛壓過(guò)程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫;
c. 在沸騰鋼及某些合金中,由于氣泡的存在還可能產(chǎn)生偏析導(dǎo)致裂縫。
5. 白點(diǎn)
在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上,呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫;而在縱向斷面上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn),這種缺陷稱為白點(diǎn)。
白點(diǎn)最容易產(chǎn)生在鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼及低合金工具鋼中。 奧氏體不銹鋼及萊氏體鋼中,從未發(fā)現(xiàn)過(guò)白點(diǎn);鑄鋼中也可能發(fā)現(xiàn)白點(diǎn),但極為罕見(jiàn);焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。
白點(diǎn)的產(chǎn)生與鋼材的尺寸也有一定的關(guān)系,橫截面的直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產(chǎn)生白點(diǎn)。 通常具有白點(diǎn)的鋼材縱向抗拉強(qiáng)度與彈性極限降低并不多,但伸長(zhǎng)率則顯著降低,尤其是斷面收縮率與沖擊韌性降低得更多,有時(shí)可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學(xué)性能比縱向力學(xué)性能降低得多。因此具有白點(diǎn)的鋼材一般不能使用。