《失效分析》

7 金属构件加工
缺陷与失效
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
1、冷隔 冷隔是存在于铸件表面或表皮下的不连续组织，是
由两股未能相互融合的金属液流汇合所形成的不规则 线性缺陷。
冷隔多呈裂纹状或具有光滑边缘的水纹外貌。其显 微特征是金相组织比基体组织粗大，树枝状结晶明显， 周围常被氧化皮所包围，因而与基体组织有明显界线， 冷隔缺陷一般出现在铸件顶壁上，薄的水平面和垂直 面上，厚薄转接处及薄肋处等部位。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
2、气孔
金属在熔融状态溶解大量气体，在冷凝过程中，绝 大部分气体逸出，残余的少量气体则在金属构件内部 形成气孔或称为气泡。在砂型铸造时，砂中的水分与 液态金属发生作用，也可能形成气泡。此外，液态金 属在浇注和在铸型腔内流动的过程中，空气或铸型内 的特殊气氛可能被机械地卷入而引起气泡。
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SiO2夹杂物
石英（六方晶系）、磷石英（斜方晶系）、 方石英（属立方晶系，属四方晶系）。非晶 体SiO2 ，大小不同的典型小球 ，明场中呈深灰 色，常随其中所含的杂质不同而具有不同的色 彩，中心有亮点，边缘有亮环；暗场中无色透 明，鲜明地发亮；偏光下透明并有暗十字。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
鉴别夹杂物的方法有宏观的和微观的两大类：
宏观鉴别法：较为常用的有断口鉴别法、硫印、 酸侵和热蚀、超声波鉴定法等；
微观鉴别法：常用的有化学分析法、岩相法、金 相法、X-Ray衍射和电子显微镜观察等，可以确定夹 杂物的种类、形状、性质和分布，其中金相法的使用 最为广泛。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
气孔常呈大小不等的圆形、椭圆形及少数不规则形 状（如喇叭形），产生于钢锭边缘一带的气泡常垂直 于型壁。孔内一般无氧化和夹杂，气孔的断口形貌特 征为光滑、干净的内壁。但因空气卷入而引起的气泡， 则常因氧化而呈现暗蓝色或褐黑色。
气孔常出现在铸件最后凝固的厚大处或厚薄截面的 交接处。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
7、偏析 合金在冷凝过程中，由于某些因素导致的化学成分
不一致称为偏析。
（1）区域偏析 （2）比重偏析 （3）枝晶偏析
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
8、热裂纹 热裂纹发生在金属完全凝固之前，在固相线附近的
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
3、针孔 溶解于合金液中的气体在凝固过程中析出时，因某
种原因而残留在铸件中形成的针状孔洞，是小于或等 于1毫米的小气孔。针孔在铸件中呈狭长形，方向与 表面垂直、有一定深度，孔内表面光滑，一般在表面 处孔径较小，向内逐渐增大。
通常，针孔无规则地分布在铸件的各个部位，特别 是厚大截面处，内转角及冷却速度缓慢的部位。但在 有色金属内有时也在晶粒内呈规则的排列。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
Al2O3夹杂物 无确定形状。硬脆，不易磨光，易剥落
，常在磨光面上留下曳尾。 明场中呈深灰带紫色；暗场中透明，呈
亮黄色；偏光下各向异性，但颗粒小时各向 异性不明显。
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TiN夹杂物 立方晶系。呈有规则的几何形状，如正方
形或长方形等 。无可塑性，易剥落。受煮沸 的20%氢氟酸溶液侵蚀。明场中呈淡黄色；随 基体中含碳量的增加，其色彩依淡黄粉红 紫红而变动。暗场中不透明，周界为光亮的线 条所围绕；偏光下各向同性，不透明。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
6、夹杂物 固态金属基体内的非金属物质。铸件中常见的夹杂
物包括耐火材料、熔渣、熔剂、脱氧产物及铸造金属 氧化物等的颗粒，一般又可分为硫化物、氧化物、氮 化物和硅酸盐等。绝大多数非金属夹杂物没有金属光 泽；不同的夹杂物具有不同的色泽与形状，其熔点和 性质亦各不相同。非金属夹杂物在反射光下的色泽， 随显微镜观察时所用的光源的性质不同而有改变；只 有在暗场或偏振光下才能看到夹杂物的固有色彩。
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硫化物
MnS与FeS固溶体型夹杂物，球状或共晶状 ， 良好的塑性，抛光时不易剥落 ，明场中FeS为淡 黄色，MnS呈蓝灰色。随MnS含量的增加由带浅 蓝的灰色变为深灰色，然后再变得稍微透明而具 有黄绿色；暗场下不透明；偏光下各向异性，不 透明。易受10%铬酸、碱性苦味酸钠和20%氢氟 酸溶液的侵蚀。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌 4、缩孔
由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的 收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位 形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈 倒锥形。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
5、疏松
铸件组织不致密，存在着细小且分散的孔穴称为 疏松（或缩松）。疏松产生的基本原因与缩孔相似。 在有色金属铸件内，有时会发现沿晶界分布的疏松， 也称为晶间疏松，黑色金属中很少见。通常，疏松细 小而分散，表面或内壁不光滑，常可见到明显的较粗 大的树枝状结晶，严重时可产生裂纹。一般情况下， 疏松区域的夹杂也比较集中。
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7.1 铸造加工缺陷与失效
7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌
9、冷裂纹 冷裂纹发生在金属凝固之后，由于冷却时所形成的
热应力、组织应力及搬运、清理、校正时的热振作用 而产生。冷裂纹不如热裂纹明显，裂纹细小，呈连续 直线状。微观上为穿晶扩展，基本上无氧化脱碳，两 侧组织和基体相差不大。
冷裂纹大多出现在铸件的最后凝固的部位，特别是 在应力集中的内尖角、缩孔、夹杂部位及结构复杂的 铸件上。
液固共存区，由于收缩受阻而形成的裂纹。该裂纹常 常延伸到铸件表面，暴露于大气之中，受到严重氧化 和脱碳或发生其它大气反应。
显微形貌特征为呈连续或断续分布，有时呈网状或 半网状，裂纹短而宽，无尖尾，形状曲折，无金属光 泽(呈氧化色)。微观上为沿晶断裂，伴有严重的氧化 脱碳，有时有明显的偏析、疏松、杂质和孔洞等。