碳素鋼缺陷(defect of carbon steel)
碳素鋼在冶煉和軋制(鍛造)加工過程中，由于設備、工藝和操作等原因造成鋼的欠缺。主要包括結疤、裂紋、縮孔殘余、分層、白點、偏析、非金屬夾雜、疏松和帶狀組織等。
結疤 鋼材表面未與基體焊合的金屬或非金屬疤塊。有的部分與基體相連，呈舌狀；有的與基體不連接，呈鱗片狀。后者有時在加工時脫落，形成凹坑。煉鋼(澆鑄)造成的結疤，疤下一般有肉眼可見的非金屬夾雜(圖1)。軋鋼造成的結疤一般稱%26ldquo;軋疤%26rdquo;，疤下一般僅有氧化鐵皮。
煉鋼(澆鑄)造成結疤的主要原因有：(1)上鑄錠未采取防濺措施或下鑄錠開鑄過猛造成飛濺結疤。(2)下鑄錠保護渣性能不佳或模子不清潔、不干燥，造成鋼錠(連鑄坯)表面或皮下夾雜、氣泡和重皮。(3)模壁嚴重缺陷或鑄溫過高造成凸疤和粘模，經軋制或鍛壓加工演變為結疤。
軋鋼方面造成結疤的原因有：(1)成品前某道(架)軋輥或導衛裝置缺陷或操作不當造成軋件凸包、耳子、劃疤，經再軋形成結疤。(2)鋼坯火焰清理清痕過陡或殘渣未除凈，外物落在鋼坯上被軋成結疤。
結疤缺陷直接影響鋼材外觀質量和力學性能。在成品鋼材上不允許結疤存在。對結疤部位可進行磨修，磨修后鋼材尺寸應符合標準規定。為了減少和消除結疤，一是煉鋼、軋鋼要改進有關工藝和操作，二是對鋼坯表面缺陷部位進行重點清理或全面扒皮清理。
裂紋 按裂紋形狀和形成原因有多種名稱，如拉裂、橫裂、裂縫、裂紋、發紋、炸裂(響裂)、脆裂(矯裂)、軋裂和剪裂等。從煉鋼、軋鋼到鋼材深加工幾乎每道工序都有造成裂紋的因素。
(1)煉鋼方面。鋼中硫、磷含量高，鋼的強度、塑性低；鑄錠澆鑄(模鑄、連鑄)溫度過高，澆鑄速度過快，鑄流不正；鋼錠模、結晶器設計不合理；冷卻強度不足或冷卻不均，造成激冷層薄或局部應力過大；鋼錠模有嚴重缺陷或保溫帽安裝不良造成鋼錠凝固過程懸掛；保護渣性能不佳，模子潮和各種澆鑄操作不良都能造成鋼錠表面質量不佳，在鋼材上形成裂紋(圖2)。
(2)軋鋼(鍛造)方面。鋼錠、鋼坯加熱溫度不均或過燒造成裂紋；高碳鋼加熱或冷卻過快，火焰清理或火焰切割鋼材溫度過低造成炸裂；鋼材矯直應力過大，矯直次數過多而又未進行適當熱處理時易產生矯裂；冷拔管、線鋼料熱處理不良或過酸洗造成裂紋；鋼件在藍脆區剪切易剪裂；焊接工藝不當造成焊縫或熱影響區裂紋。
裂紋直接影響鋼材的力學性能和耐腐蝕性能，成品鋼材不允許裂紋存在。對于裂紋可以進行磨修，磨修后鋼材尺寸應符合標準規定。為了防止或減少鋼材裂紋，一是要改進煉鋼、軋鋼和鋼材深加工及有關工序工藝操作；二是對鋼坯缺陷部位要進行重點清理，對重要用途鋼坯可以進行扒皮處理。
縮孔殘余 鋼水凝固過程中，由于體積收縮，在鋼錠或連鑄坯心部未能得到充分填充而形成的管狀或分散孔洞。在熱加工前，因為切頭量過小或縮孔較深，造成切除不盡，其殘留部分稱為縮孔殘余(圖3)。
縮孔殘余分布在鋼錠上部中心處，并與鋼錠頂部貫通的叫一次縮孔。由于設計的鋼錠模細長或上小下大，在澆鑄凝固過程中，鋼錠截口以下錠中心仍有未凝固的鋼水，凝固后期不能充分填充，形成的孔洞叫二次縮孔。一次縮孔和二次縮孔有本質差別，前者只出現在鋼錠頭部，后者在鋼錠上、中、下部位都有可能出現。一次縮孔酸洗試片中心區域呈不規則的折皺裂縫或空洞。在其上或附近常伴有嚴重的夾渣、成分偏析和疏松。二次縮孔孔洞中或附近沒有夾渣，但有偏析生成碳物。一次縮孔殘余和空氣貫通的二次縮孔在軋制(鍛造)過程中不能焊合，與空氣隔絕的二次縮孔和連鑄坯縮孔在軋制時一般能夠焊合，不影響鋼材使用性能。
縮孔殘余嚴重地破壞鋼材的連續性，是鋼材不允許存在的缺陷，軋制(鍛造)時必然在鋼坯上產生裂紋。為了防止縮孔的產生，要求正確設計鋼錠模和保溫帽尺寸，并采用性能優良的保護渣、保溫劑(發熱劑)和絕熱板，把縮孔控制在鋼錠頭部，以保證在開坯時切掉。控制澆鑄速度不要太快，溫度不要過高可以防止縮孔產生。
分層 鋼材基體上出現的互不結合的兩層結構。分層一般都平行于壓力加工表面，在縱、橫向斷面低倍試片上均有黑線(圖4)。分層嚴重時有裂縫發生，在裂縫中往往有氧化鐵、非金屬夾雜和嚴重的偏析物質。
鎮靜鋼鋼錠的縮孔和沸騰鋼錠的氣囊及尾孔經軋制(鍛造)不能焊合產生分層。鋼中大型夾雜和嚴重成分偏析也能產生分層。分層是鋼材中不允許存在的缺陷，嚴重影響鋼材的使用。
防止分層缺陷的措施有：(1)煉鋼方面，要凈化鋼質，減少偏析、縮孔、氣囊和大型非金屬夾雜，防止連鑄坯產生中間裂紋。(2)軋鋼方面，在鋼錠加熱時要嚴防內裂，初軋坯要切凈縮孔和尾孔。
白點 在鋼材縱、橫斷面酸浸試片上，出現的不同長度無規則的發紋。它在橫向低倍試片上呈放射狀、同心圓或不規則分布，多距鋼件中心或與表面有一定距離。型鋼在橫向或縱向斷口上，呈圓形或橢圓形白亮點(圖5)。直徑一般為3～10mm。
板鋼在縱向、橫向斷口上白點特征不明顯，而在z向斷口上呈現長條狀或橢圓狀白色斑點。采用斷口檢查白點時，最好把試樣先進行淬火和調質處理。
鋼坯上出現白點，經壓力加工后可變形或延伸，壓下率較大時也能焊合。
白點缺陷對鋼材力學性能(韌性和塑性)影響很大，當白點平面垂直方向受應力作用時，會導致鋼件突然斷裂。因此，鋼材不允許白點存在。
白點產生的原因，一般認為是鋼中氫含量偏高和組織應力共同作用的結果。奧氏體中溶解的氫，在冷卻相變過程中，其溶解度顯著降低，所析出的氫原子聚集在鋼材微孔中或晶間偏析區或夾雜物周圍，結合成氫分子，產生巨大局部壓力，當這種壓力與相變組織應力相結合超過鋼的強度時，則產生裂紋，形成白點。
白點多在高碳鋼，馬氏體鋼和貝氏體鋼中出現。奧氏體鋼和低碳鐵素體鋼一般不出現白點。
消除白點的措施主要是改進冶煉操作，采用真空處理，降低鋼水氫含量和采用鋼坯(鋼材)緩冷工藝。
偏析 鋼材成分的嚴重不均勻(圖6)。這種現象不僅包括常見的元素(如碳、錳、硅、硫、磷)分布的不均勻性，還包括氣體和非金屬夾雜分布的不均勻性。
偏析產生的原因是鋼水在凝固過程中，由于選分結晶造成的。首先結晶出來的晶核純度較高，雜質遺留在后結晶的鋼水中。因此，結晶前沿的鋼水為碳、硫、磷等雜質富集。隨著溫度降低，雜質凝固在樹枝晶間，或形成不同程度的偏析帶。此外，隨著溫度降低，氣體在鋼水中溶解度下降，在結晶前沿析出并形成氣泡上浮，富集雜質的鋼水沿上山軌跡形成條狀偏析帶。由于偏析在鋼錠上出現部位不同和在低倍試片上表現出形式各異，偏析可分為方形偏析、%26ldquo;V%26rdquo;、%26ldquo;＾%26rdquo;形偏析、點狀偏析、中心偏析和晶間偏析等。
另外，脫氧合金化工藝操作不當，可以造成嚴重的成分不均。保護渣卷入到鋼水中造成局部增碳。這些因素使鋼材產生偏析的程度往往超過由于選分結晶造成的偏析。
偏析影響鋼材的力學性能和耐蝕性能。嚴重偏析可能造成鋼材脆斷，冷加工時還會損壞機械，故超過允許級別的偏析是不允許存在的。
偏析程度往往與錠型、鋼種、冶煉操作和澆鑄條件有關。合金元素、雜質和氣體的偏析，隨澆鑄溫度升高和澆鑄速度加快，偏析程度愈嚴重。連鑄鋼采用電磁攪拌可以減輕偏析程度。另外，增加鋼水潔凈度是減輕偏析的重要措施。
非金屬夾雜 鋼中含有與基體金屬成分不同的非金屬物質(圖7)。它破壞了金屬基體的連續性和各向同性性能。
按非金屬夾雜的來源可分為內生夾雜、外來夾雜及兩者混合物。內生夾雜是由脫氧和結晶時進行的各種物理化學反應形成的，主要是鋼中氧、硫、氮同其他成分間的反應產物，如Al2O3等。內生夾雜的特點是顆粒小，在鋼內分布均勻，它與脫氧方法和化學成分有密切關系。外來夾雜是指鋼中混入耐火材料、爐渣、鋼包渣和模內保護渣等外來物質。外來夾雜的特點是尺寸大，成分結構復雜，分布不規則，具有很大的偶然性。空氣對鋼水的二次氧化會形成外來夾雜。在煉鋼過程中，外來夾雜與內生夾雜往往會形成兩者的混合物，具有兩者的共同特點，使檢驗者難以分辨其來源。非金屬夾雜按顆粒大小可分為亞顯微、顯微和大顆粒夾雜三種，其顆粒尺寸分別為%26lt;1%26mu;m、1～100%26mu;m和%26gt;100%26mu;m。大顆粒夾雜往往出現在鋼錠沉淀晶區和皮下位置。連鑄鋼上弧區有時也發現大顆粒夾雜。
按非金屬夾雜本身性質，可以分為塑性夾雜和脆性夾雜兩種。塑性夾雜在熱加工過程中，隨金屬一起發生變形，如MnS；而脆性夾雜，隨熱加工金屬的變彤發生破碎，如Al2O3。當非金屬夾雜熔點特別高時，在鋼中一生成就以固態形式存在，這類非金屬夾雜物在熱加工時既不變形，也不破碎，保持其原來形狀，如TiN。對于熔點很低的夾雜，從最后結晶母液中排除，此時多沿初生奧氏體晶界呈網狀薄膜析出，如FeS。
鋼中非金屬夾雜對鋼材的強度、伸長率、韌性和疲勞強度有不同程度的影響。按使用要求，根據中國國家非金屬夾雜標準評定鋼材夾雜級別。鋼材中不允許存在嚴重危害鋼材性能的大顆粒夾雜。
保證出鋼和澆鑄系統清潔，采用吹氬、渣洗、噴粉、真空處理等爐外精煉措施及保護澆鑄措施，可以減少鋼中非金屬夾雜。
疏松 鋼材截面熱酸蝕試片上組織不致密的現象(圖8)。在鋼材橫斷面熱酸蝕試片上，存在許多孔隙和小黑點子，呈現組織不致密現象，當這些孔隙和小黑點子分布在整個試片上時叫一股疏松，集中分布在中心的叫做中心疏松。在縱向熱酸蝕試片上，疏松表現為不同長度的條紋，但仔細觀察或用8～10倍放大鏡觀察，條紋沒有深度。用掃描電子顯微鏡觀察孔隙或條紋，可以發現樹枝晶末梢有金屬結晶的自由表面特征。
疏松的成因與鋼水冷凝收縮和選分結晶有關。鋼水在結晶時，先結晶的樹枝晶晶軸比較純凈，而枝晶問富集偏析元素、氣體、非金屬夾雜和少量未凝固的鋼水，最后凝固時，不能夠全部充滿枝晶間，因而形成一些細小微孔。
鋼材在熱加工過程中，疏松可大大改善，但當鋼錠疏松嚴重時，壓縮比不足或孔型設計不當時，熱加工后疏松還會存在。嚴重的疏松視為鋼材缺陷，當疏松嚴重時，鋼材的力學性能會受到一定影響。但根據鋼材使用要求，可以按標準圖片評定鋼材疏松級別。
采用提高鋼水純凈度、加快冷卻速度、連鑄用電磁攪拌和減少枝晶等措施，可以減少疏松。
帶狀組織 熱加工后的低碳結構鋼，其顯微組織鐵素體和珠光體沿軋向平行排列，呈帶狀分布，形成鋼材帶狀組織(圖9)。
帶狀組織形成的機制一般有3種：(1)通常，在低碳鋼中，當樹枝晶間富集磷、硫等雜質，鋼材經熱加工后，非金屬夾雜被拉長。如硫化物，而奧氏體在冷卻過程中先共析鐵素體沿硫化物夾雜形核和長大，形成鐵素體條帶。同時，鐵素體形成時向鐵素體條帶兩側排碳，也形成了珠光體條帶。(2)當低碳鋼中含錳較高時，先凝固的樹枝晶晶干成分較純，形成鐵素體條帶。而枝晶間含錳、碳、硫、磷等雜質，而且鐵素體條帶也向枝晶間排碳，形成珠光體條帶。(3)當熱加工終軋溫度較低時，在雙相區軋制也能形成帶狀組織。
帶狀組織實質上是鋼材組織不均勻的一種表現，影響鋼材性能，產生備向異性。帶狀組織降低鋼材塑性、沖擊韌性和斷面收縮率，特別是對橫向力學性能影響較大。
根據鋼材的使用要求，可以按中國國家帶狀組織評級標準圖片來評定鋼材帶狀組織的級別。
降低鋼中夾雜和樹枝晶成分偏析是減輕鋼中帶狀組織的主要措施。
