防止白点产生的退火机理优化

1.钢中的白点

白点是由钢中的氢所引起的一种内部裂纹，它在钢的断口上表现为圆形或椭圆形银白色或灰色的斑点。在垂直于白点进行切割的酸浸蚀面上，白点表现为不同长度的细裂纹，故也称为发裂。发裂的厚度极小，一般为几个到十几个微米。白点的数量、长度、方位和白点区域距表面的距离随钢的化学成分、钢中氢含量和热加工的条件而定。白点不在钢件表面形成，在钢坯或锻件内部含有白点的区域距钢件表面总有相当一段距离，约50mm。

白点不是在钢的凝固过程中形成的，而是在锻造、轧制后，当钢坯冷却到比较低的温度（如250～150℃以下）时才形成。甚至在不少情况下，白点是在钢坯被冷却到室温以后在室温的停留过程中形成的。由于温度的降低，氢在铁素体中的溶解度越来越小，加之在低温下发生贝氏体相变或马氏体相变，产生内应力，则可能逐渐形成白点。

不同牌号的钢形成白点的倾向性不同。锰的质量分数小于0.7％、碳的质量分数小于0.4％的碳钢，在普通的冶炼和热加工条件下通常不产生白点。在铁素体类钢中一般不产生白点。奥氏体钢和莱氏体钢是对白点不敏感的钢。对形成白点比较敏感的钢主要是合金结构钢和一些合金工具钢。在炼钢方法和热加工方法相同的条件下，钢对白点的敏感性与钢中碳和合金元素的含量有关。一般来说，碳的质量分数比较低的珠光体类结构钢与高合金马氏体类钢（特别是当碳的质量分数高达0.3％～0.5％或以上时）相比，前者对白点的敏感性要小些。含碳量较低的铬钢、锰钢、硅锰钢、铬锰钢、硅钢、铬锰钛钢和铬镍钢属于白点倾向较小的钢。碳的质量分数大于0.3％、铬的质量分数大于1.0％、镍的质量分数大于2.5％的铬镍钢、铬镍钼钢和铬镍钨钢形成白点的倾向性最大。GCr15钢也属于白点敏感性较大的钢。

白点破坏了钢的连续性，在钢中起到内部缺口的作用，显著降低钢的力学性能，尤其是降低钢的塑性和韧性指标。在负荷下白点裂口尖端有高度的应力集中并处于三向拉应力状态，因而金属的塑性变形比较困难，使钢的塑性、韧性降低，它往往是疲劳裂纹的发源地。白点有造成突然事故的危险，因此是钢材中不允许存在的冶金缺陷。

钢中含有足够数量的氢是形成白点的必要条件，而内应力的存在具有促进白点形成的作用。因此，过饱和的含氢量是产生白点的“元凶”，而内应力是“帮凶”。一般认为，固态钢中固溶氢过高时，钢显著变脆，称为氢脆。

图12-5 氢在铁素体中的溶解度（1atm＝1.013×10⁵Pa）

氢以离子或原子形式溶入液态或固态钢中，溶入钢中的氢在固态下形成间隙固溶体，氢原子存在于面心立方和体心立方晶格的间隙处。氢在钢中的溶解度与铁的晶体结构有关，并且随氢的分压力（压强）和温度而异，如图12-5所示^[5]。可以看出，当发生固态转变时，氢的溶解度发生突然的变化。在铁的点阵不改变的范围内，随着温度的降低，在给定的氢分压力条件下，氢的溶解度将不断降低。在快速冷却情况下，氢来不及析出而成为过饱和的固溶体，被保留在固态钢中的过饱和的氢将不断地从表面向大气中扩散，逸出钢件。同时，氢在钢件内部也在运动，在晶体缺陷处聚集、析出，析出的氢原子结合为氢分子，按下式进行反应：。氢原子结合为氢分子时体积剧烈膨胀，造成巨大的压力。

在300℃以上，氢在空隙中析出和结合为氢分子的过程是可逆的。但是，当钢材温度降低到300℃以下时，氢分子的分解过程实际上已经停止，也就是说，此时氢的析出并结合为氢分子的过程是不可逆的。在不可逆析出的情况下，因析出而产生的分子氢的压力也将增大。因此，这时形成白点的危险性加大。(www.xing528.com)

分子氢的巨大压力是形成白点的原因，分子氢的压力对形成白点来说是足够的，白点是由钢中显微空隙内分子氢的巨大压力造成的内裂，这种学说称为白点的分子氢假说。后来有人提出了原子氢-组织应力假说，认为在具有相当高塑性的结构钢中，在普通的生产条件下，仅仅由于显微空隙中分子氢的压力形成白点是不可能的。这种学说认为，氢的作用主要在于当溶解于钢中时使钢失去了塑性，为形成白点创造了条件。因为钢的脆性状态使钢断裂时所需要做的功减小，有利于形成白点。实际上，从白点的特征来看，白点属于脆性破坏。当钢中含有足够高的氢时，其中一部分氢溶于固溶体中使钢失去塑性，另一部分氢在显微孔隙中造成分子氢的压力。在钢不具有塑性的场合下，分子氢压强对形成白点能起到相应的作用。

在工业用钢中要想形成白点，除了分子氢的压力外，还必须有由其他原因所引起的内应力的作用。这些应力包括变形应力、热应力和组织应力。对形成白点具有最大作用的因素是组织应力。组织应力的产生主要与树枝状偏析所引起的枝干部分和枝间部分发生固态转变的温度和时间不一致有关，其次也与冷却时在钢坯截面上因内外温度不同所引起的固态相变时间先后不一有关。单纯的热应力和形变应力对形成白点固然也起作用，然而，在没有热应力和形变应力作用的场合下白点仍然能够形成，因此认为热应力和形变应力相对于组织应力属于次要因素。总之，原子氢-组织应力假说认为固溶于钢中的原子状态的氢使钢失去塑性，此点对形成白点具有决定性的意义，同时强调了除分子氢压力以外的其他应力来源的必要性和组织应力的重要性。

2.防止白点的措施

防止钢中形成白点的措施包括两个方面：一是设法尽量减少钢液中的含氢量，并创造条件使氢气能从钢坯中扩散逸出；二是减小冷却时钢坯中所产生的内应力，特别是组织应力。

（1）控制钢液中的含氢量 一般认为，锻件中氢的质量分数低于0.0002％时不会产生白点。对于电炉炼钢和氧气顶吹炼钢，如果不经过真空除气，钢液中氢的质量分数为4×10^－4％～6×10^－4％。为了使这种合金结构钢成为不形成白点的钢材，最好使钢中氢的质量分数降低到1.8×10^－4％以下^[3]。

（2）均匀化退火去氢 为了使固态钢中的氢能够充分地扩散逸出，通常选择在铁素体状态下的较高温度进行加热扩散去氢。因为氢在体心立方点阵中的溶解度比在面心立方点阵中的溶解度小得多，而且氢在体心立方点阵中的扩散系数高于在面心立方点阵中的扩散系数。因此，选择在体心立方的铁素体状态下加热要比在奥氏体状态下加热更有利于去氢。

为了防止形成白点，可以采取锻轧后对钢坯进行缓冷或者进行专门的去氢热处理。对于白点敏感性较小的珠光体钢，通过缓冷就足以防止白点产生。在缓冷过程中，钢坯中的氢可以扩散逸出，同时，缓冷时奥氏体向铁素体-珠光体的转变是在较高温度下完成的，因而当钢坯冷至250℃以下时，不会因固态相变而产生组织应力，使白点得以避免。

对于高碳铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢和铬镍钨钢的大尺寸钢坯来说，缓冷也将形成贝氏体或马氏体组织，内应力较大，组织中存在大量亚结构，导致氢的溶解度增大，难以扩散溢出，因而形成白点的倾向增大。因此，在锻轧后要立即对钢件施行预防白点退火，使氢从钢中充分扩散逸出，以避免白点的产生。