铸件缺陷分析技术讲座：第九讲 夹杂类缺陷

夹杂类缺陷是铸件含有各种金属和非金属夹杂物的总称。非金属夹杂物是存在于铸件中的非金属相,金属夹杂物则是与基体金属颜色显然不同的异型金属块。夹杂物的存在,破坏了合金基体的连续性,造成合金组织不均匀、影响了合金的力学性能和铸造性能等,为提高铸件质量,近年来对减少夹杂物数量的各种途径进行了研究并取得了显著进展。     

45热轧圆钢顶锻开裂原因分析

对45热轧圆钢室温顶锻试验中出现的裂纹进行了研究,分析了表面缺陷、变形温度、变形量、显微组织、夹杂物等对顶锻开裂的影响.结果表明:引起室温顶锻开裂的直接原因是钢中存在大量脆性氧化铝和塑性硫化物非金属夹杂物,该夹杂物沿轧制方向不均匀分布,对拉伸性能影响不大,但对顶锻开裂有较大的影响,特别是当夹杂物处在变形鼓形区附近时;脆性夹杂物造成应力集中,塑性夹杂物形成空洞,使夹杂物和基体界面处容易形成裂纹源,进而在应力作用下不断扩展并最终开裂;原始片状珠光体组织及热轧后的热应力加剧了夹杂物开裂倾向.     

氧化铝夹杂破碎与弥散行为的试验研究

金属零件基体中的非金属夹杂物不可避免且对基体力学性能影响严重,而锻造变形是使非金属夹杂物在金属基体中破碎和弥散的主要途径。以钢中常见的Al₂O₃硬性夹杂为研究对象,采用粉末冶金技术与3D打印熔覆成形技术相结合的方法制备了内含不同气孔率Al₂O₃夹杂的金属试样。进行含Al₂O₃夹杂金属试样在系列变形条件下的锻造试验,通过变形后Al₂O₃夹杂的形貌观察,研究分析了夹杂气孔率和锻造工艺参数（变形温度、变形速度、变形路径）对Al₂O₃夹杂破碎及弥散行为的影响。结果表明,夹杂气孔率越高,越易发生破碎行为。降低变形温度或提高变形速度可促进较高气孔率Al₂O₃夹杂的破碎及弥散;对于具有较低气孔率的Al₂O₃夹杂,提高变形温度是加剧其破碎程度的主要方式。同时变形路径的复杂化可显著提高Al₂O₃夹杂的破碎程度,促进其在金属基体中进一步的弥散。     

CeF3对自保护药芯焊丝熔敷金属中夹杂物和韧性的影响

详细研究了CeF3对自保护药芯焊丝熔敷金属中非金属夹杂物尺寸和分布的影响.结果表明,熔敷金属中的主要非金属夹杂物是AlN和Al2O3.药芯中加入CeF3能够细化夹杂物和降低大尺寸夹杂物的数量,加入适量的CeF3能够提高熔敷金属的低温冲击韧度.稀土改变夹杂物在熔敷金属中的尺寸和分布主要是与夹杂物在熔敷金属凝固时的上浮行为有关,稀土能促进大颗粒夹杂物的上浮.     

40Cr锻件接头连接件缺陷分析

桥梁缆索用配件40Cr锻件接头连接件在调质后发现有开裂现象,经金相分析后发现由于材料中存在非金属夹杂物,在锻造时沿夹杂物形成局部带状组织,在淬火时产生的应力作用下促使裂纹产生并沿夹杂物分布扩展,从而导致工件开裂。     

45钢中非金属夹杂物的鉴别

钢中的非金属夹杂物对钢的质量影响很大,钢中不同类型的夹杂物对钢的性能的影响也不同,在实践中必须区分开不同类型的夹杂物。 我厂生产的曲轴是用45钢经锻打成形的,金相分析时发现其中有一条粗大的非金属夹杂物,初看时,发现夹杂物太大,不敢肯定夹杂物的性质。为了     

多夹杂物对重载铁路钢轨疲劳寿命的影响

非金属夹杂物容易引起钢轨疲劳损伤,为了探究非金属夹杂物特征参数对重载钢轨疲劳性能的影响规律,文中采用ABAQUS有限元软件建立重载钢轨分析模型,对外载荷作用下含夹杂物钢轨的应力状态进行仿真计算,通过FE-SAFE疲劳仿真软件对含多夹杂物钢轨进行疲劳寿命预测。结果表明：相比于软质塑性MnS夹杂物,硬质脆性Al₂O₃夹杂物对钢轨最大应力的影响更大;夹杂物位于钢轨的高应力区时,在外部载荷作用下,曲线段钢轨的最大应力大于直线段钢轨的最大应力;相邻夹杂物相距临界距离时,多夹杂物水平分布时比其垂向分布时对钢轨应力的影响更大,且随着相邻夹杂物距离变小,钢轨基体的最大应力变小;相邻多夹杂物会使钢轨疲劳寿命骤减,含4个相邻夹杂物的钢轨比含2个夹杂物钢轨的疲劳寿命短。     

硫复合系易切削钢中夹杂物热变形行为的数值模拟

用模拟轧制的方法研究了热加工参数对Ｓ－ＲＥ系易切削钢中夹杂物形态，大小，分布，数量及相对塑性的影响，通过实验结果建立数学模型，利用计算机数据模拟夹杂物的热变形行为，为锻造或轧制过程中的夹杂物预测和控制提供一种新的参考方法。     

Ti对低合金高强钢大热输入焊缝夹杂物的影响

对不同Ti质量分数的低合金高强钢气电立焊焊缝夹杂物进行对比分析,并研究焊缝夹杂物数量、分布、类型对焊缝组织的影响。结果表明,当Ti质量分数由0增加至0.028%~0.038%范围内时,夹杂物得到有效细化,尺寸小于2μm的夹杂物比例大幅度提高,促进了针状铁素的形核。当Ti过量时,小于2μm的夹杂物比例迅速降低,贝氏体转变成为主导。夹杂物中心以氧化物为主,外层包裹物为MnS。随着Ti质量分数的增加,夹杂物中Mn、Si等元素减少,Al、Ti、O质量分数增加,夹杂物中心的氧化物以MnO、SiO2、Al2O3、MgO的次序逐渐转移至边缘,最终被TixOy取代。此过程中,夹杂物由Mn-Si-O转变为Ti-Mn-Al-O,最后转变为Ti-Al-O,并且对于针状铁素体形核而言,完成了无效夹杂物-有效夹杂物-无效夹杂物的转变。     

A3钢板材在冷冲压成型过程中开裂原因的分析

本文采用金相显微镜和扫描电镜观察了A3钢制造的汽车车轮轮箍的开裂部位的夹杂物的形态、分布和大小以及断口的形貌。结果表明钢中存在有由于冶炼工艺不当而产生的大块外来非金属夹杂物。这些夹杂物的存在降低了钢的基体的结合力,从而使钢板在远低于其极限强度下开裂。     

组织特征对粉末高温合金FGH96疲劳裂纹扩展速率的影响

通过对不同热处理后获得3种典型显微组织的粉末高温合金FGH96合金试样在650 进行保载90 s和5 s并恒载荷循环应力作用下的疲劳试验,研究组织特征对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,确定不同载荷条件下孕育期、萌生期、扩展期及瞬断期所占的比率。结果表明,γ相特征显著影响疲劳裂纹扩展速率;疲劳行为对保载时间存在敏感性,随保载时间的延长,在疲劳-蠕变的交互作用下会明显加快合金疲劳裂纹扩展;在整个疲劳破坏过程中,萌生比率均高于扩展比率,说明该合金抗裂纹萌生的能力要高于抗裂纹扩展的能力;此外,该合金疲劳裂纹扩展四个阶段在整个断裂周次所占的比率分配上,孕育期比率一般较小,萌生期和扩展期比率较大,瞬断期的比率很小,表明该合金裂纹扩展一旦失稳将高速扩展并迅速断裂。     

大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望

近些年来,化学气相沉积（Chemical vapor deposition,CVD）单晶金刚石在电子学领域的应用令人瞩目,这得益于CVD单晶金刚石在生长技术和半导体掺杂技术上的进展。一直以来,成熟的衬底加工技术是半导体材料得以应用的基础,其中超精密抛光作为晶圆衬底加工的最后一道工序,直接决定了晶圆表面粗糙度和亚表面损伤程度。可以预见,超精密抛光技术将会在制备大尺寸高质量金刚石衬底中发挥重要作用。对目前国内外现有的单晶金刚石抛光方法进行综述,以制备大尺寸高质量单晶金刚石衬底为目标,从加工设备、工艺参数、加工精度、加工效率和材料去除机理等方面进行分析,总结各种抛光方法的优势和缺点,展望未来大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术的发展趋势。目前鲜有针对大尺寸单晶金刚石抛光技术的综述,本文为国内学者展开单晶金刚石抛光相关工作的研究提供综述资料。     

表面活性剂含量对氧化铈/氧化硅复合磨料分散性的影响

以乙醇为溶剂及表面活性剂,以氨水为催化剂,利用正硅酸乙酯的水解得到氧化硅颗粒,并分析乙醇质量92%时制备的氧化硅颗粒呈球形,粒径分布均匀,表面光滑,呈单分散状态;乙醇质量分数为96%时制备的氧化硅颗粒粒径分布范围大,并且小颗粒团聚一体,聚集到大颗粒上.基于理想的氧化硅颗粒,利用化学沉淀法制备CeO2/SiO2复合磨料,并通过透射电子显微镜(TEM)及X射线衍射仪(XRD)对制备的样品进行表征.结果表明,制备的CeO 2/SiO2复合磨料为球形,粒径为150分数对制备的氧化硅颗粒以及氧化铈/氧化硅复合磨料分散性的影响.结果表明:水解体系中乙醇质量分数为71%时制备的氧化硅颗粒基本呈球形,粒径分布范围大,呈少量单分散状态;乙醇质量分数为~250 n m ,具有草莓状核壳的包覆结构,作为抛光磨料可以提高抛光表面质量.     

等温变形参数对15％SiC颗粒增强铝基复合材料组织性能的影响

研究了15％SiC铝基复合材料等温变形后的显微组织和室温拉伸性能的变化,得出结论为在经过等温变形后晶粒有一定的变化,但程度较小,变形速度加快时SiC颗粒的分布出现局部的聚集现象;而拉伸性能随总变形量的增大而提高,变形温度升高和变形速度加快时拉伸性能降低,而变形火次的影响很小。     

焊接工艺参数对FGH96合金惯性摩擦焊过程材料塑性流动行为的影响

采用数值模拟方法对FGH96合金惯性摩擦焊过程进行分析,获得温度、轴向缩短量、材料流动与飞边四者之间的关系,着重研究初始转速与轴向压力等焊接工艺参数对材料塑性流动行为的影响规律。研究结果表明:在惯性摩擦焊初始阶段,材料温度与流动速度较低,无飞边产生;随着焊接过程的进行,材料的温度与流动速度呈现先升高后降低的规律;在焊接过程进入稳态后,摩擦面中心区域的材料主要沿试件的旋转方向流动,而摩擦面上两边界附近的材料向面外流动并形成飞边,飞边尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加。同时,随到摩擦面距离的增加,材料的流动速度逐渐降低且材料沿轴向流动的速度分量增大。结合FGH96合金惯性摩擦焊轴向缩短量的数值模拟结果,解释了从提高材料流动速度的幅度上看增加轴向压力优于初始转速的原因。     

Influence of non-metallic inclusions on the wear behaviour of ferrous materials in nominally dry friction systems

In non-lubricated rolling-sliding and sliding friction systems under large plastic deformation or on exceeding the deformability limit, cracks appear in the near-surface regions which can lead to very high wear rates. The cause of cracking is ascribed to non-metallic manganese sulphide inclusions but the material microstructure has an effect on the crack distribution and propagation and therefore determines the wear behaviour. To avoid the different negative effects of non-metallic inclusions on the wear behaviour, the cleanliness of the material should be generally improved.     

Investigation into sliding wear performance of zinc-based alloy reinforced with SiC particles in dry and lubricated conditions

The objective of the present investigation was to assess the influence of SiC particle dispersion in the alloy matrix, applied load, and the presence of oil and oil plus graphite lubricants on the wear behaviour of a zinc-based alloy. Sliding wear performance of the zinc-based alloy and its composite containing SiC particles has been investigated in dry and lubricated conditions. Base oil or mixtures of the base oil with different percentages of graphite were used for creating the lubricated conditions. Results show a large improvement in wear resistance of the zinc-based alloy after reinforcement with SiC particles. The lubrication improved the wear resistance and friction behaviour of both the reinforced and base alloys. It was also observed that there exists an optimum concentration of graphite particles in the lubricant mixture that leads to the best wear performance. The composite experienced higher frictional heating and friction coefficient than the matrix alloy in all the cases except oil lubricated conditions; a mixed trend was noticed in the latter case. The wear rate and frictional heating increased with load while friction coefficient was affected in an opposite manner. Test duration influenced the frictional heating and friction coefficient of the samples in a mixed manner.Examination of worn surfaces revealed a change of predominating wear mechanisms from severe ploughing and/or abrasive wear for base alloy to delamination wear for the reinforced material under dry sliding conditions. The presence of the lubricant increased the contribution of adhesive wear component while reducing the severity of abrasion. This was attributed to the generation of more stable lubricant films on the contacting surfaces. Cross-sections of worn surfaces indicated substantial wear-induced plastic deformation, thereby suggesting adhesive wear to be a predominant wear mechanism in this study. The debris particles revealed deformed flakes and machining chips signifying the involvement of adhesion and abrasion modes of wear respectively.     

Al-Zn-Mg-Cu合金高压扭转变形微观组织及力学性能

以Al-Zn-Mg-Cu合金为研究对象,在不同变形工艺条件（扭转圈数、变形温度）下对其进行高压扭转试验,利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射技术（XRD）以及硬度测试等手段分析变形工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响规律。研究结果表明：原始铸态组织呈等轴状,分布不均匀,粗大的第二相粒子（Al2Cu、MgZn2）沿晶界呈链状分布;高压扭转变形过程中,随着变形温度的升高、扭转圈数的增多,基体组织中粗大的第二相粒子数量明显减少,分布更加均匀,第二相粒子回溶进Al基体,获得过饱和固溶体;高压扭转变形后的Al-Zn-Mg-Cu合金位错密度显著上升,并且扭转圈数越多,变形温度越高,位错密度增加幅度也越大,微晶尺寸则随着扭转圈数的增大和变形温度的升高而减小;高压扭转变形后Al-Zn-Mg-Cu合金显微硬度值总体上随扭转圈数增大和变形温度升高而增大。     

Effectiveness of an externally added solid lubricant on the sliding wear response of a zinc–aluminium alloy,its composite and cast iron

The role played by an externally added solid lubricant like graphite towards controlling the sliding wear behaviour of a zinc-based alloy has been examined in this study. The influence of dispersing hard silicon carbide particles in the alloy was also investigated by testing the composite in identical test conditions. The wear performance of the zinc-based alloy and its composite was compared with that of a gray cast iron. Wear tests were performed in oil lubricated environment. Composition of the lubricant was changed by adding various quantities of graphite (particles) to the oil. The study suggests that the wear response (in terms of wear rate, frictional heating and friction coefficient) of the samples improved in the presence of suspended graphite particles in the oil lubricant. However, this improvement was noticed up to a critical content of graphite particles only and the trend reversed at still higher graphite contents. The zinc-based (matrix) alloy revealed highest wear rate. Dispersoid silicon carbide particles showed a significant improvement in the wear performance of the matrix alloy. The cast iron performed in between the matrix alloy and composite. The frictional heating and friction coefficient were the highest for the composite while the cast iron and the matrix alloy showed a mixed response. Examinations of wear surfaces, subsurface regions and debris particles helped to substantiate the observed wear response of the samples.