淬火过程中产生的淬火裂纹及其原因

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：工件淬火冷却时，如其瞬时内应力超过该时钢材的断裂强度，将发生淬火开裂。淬火裂纹的实质是在淬火拉应力作用下造成的脆性断裂。因此，纵向裂纹是因淬火时组织应力过大，使最大切向拉应力大于该材料断裂抗力而发生。图3-32纵向裂纹纵向裂纹也可能由于淬火前既存裂纹在淬火时切向拉应力的作用下扩展而成。

工件淬火冷却时，如其瞬时内应力超过该时钢材的断裂强度，将发生淬火开裂。因此产生淬火开裂的主要原因是淬火过程中所产生的淬火应力过大。研究指出，一般裂纹都是在淬火拉应力作用下产生的。淬火裂纹的实质是在淬火拉应力作用下造成的脆性断裂。若工件内存在着非金属夹杂物，碳化物偏析或其他割裂金属的粗大第二相，以及由于各种原因存在于工件中的微小裂纹，则这些地方钢材强度减弱。当淬火应力过大时，也将由此而引起淬火开裂。淬火裂纹的特征是：端部有尖角，断口呈银灰色，断口表面一般无脱碳层，裂纹比较平直；而锻造裂纹表面发生了脱碳，易与纯淬火裂纹区别开。

研究表明，热应力对变形影响较大，而造成开裂的可能性很小。这是因为高温时，钢的塑性较好，在冷却初期的热应力作用下，心部发生塑性变形而使应力降低，故不易开裂。冷却后期，热应力分布状态为表面受压，因此更不容易开裂。而相变应力呈表面受拉状态，加之马氏体较脆，故容易开裂。

1.淬火裂纹的类型及形成原因

实践中，往往根据淬火裂纹特征来判断其产生的原因，从而采取措施预防其发生。

1)纵向裂纹

纵向裂纹又称轴向裂纹，其开裂的走向大体平行于轴向，一般是沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂纹。它往往在钢件完全淬透情况下发生，并与钢的碳含量、工件尺寸及原材料缺陷等因素有关。其形状如图3-32所示。

从纵向裂纹方向看，裂纹应是切向拉应力作用引起而又常见于完全淬透的情况。因此，纵向裂纹是因淬火时组织应力过大，使最大切向拉应力大于该材料断裂抗力而发生。

纵向裂纹也可能是由于钢材沿轧制方向有严重带状夹杂物所致。该带状夹杂物所在处，在淬火切向拉应力的作用下促进裂纹发展而成为宏观的纵向裂纹，这时如果把钢材沿纵向截取试样，分析其夹杂物，常可发现有带状夹杂物存在。

pagenumber_ebook=86,pagenumber_book=78

图3-32　纵向裂纹

纵向裂纹也可能由于淬火前既存裂纹(如锻造折叠、重皮或其他锻造裂纹)在淬火时切向拉应力的作用下扩展而成。这时如果垂直轴线方向截取金相试样观察附近情况可以发现裂纹表面有氧化皮，裂纹两侧有脱碳现象。

实践证明，工件的纵向开裂有明显的“尺寸效应”。直径小的工件，表面与心部温差小，淬火应力也小，不易淬裂；直径较大的工件表面层的热应力较大，心部淬不透，故冷却后心部受拉应力而表面受压应力，也不易产生开裂。在两者之间，在完全淬透情况下，工件有一个淬裂的“危险”尺寸，如碳素钢在水淬时该尺寸一般为直径8～15mm，而在油淬时该尺寸为直径25～40mm。对尺寸处于此范围的工件，应慎重选择淬火方法和淬火介质。

2)横向裂纹与弧形裂纹

横向裂纹大体与工件轴向垂直，由内往外断裂。横向裂纹常发生于未淬透的大型轴类零件上，如轧辊、汽轮机转子等均由热应力所引起。这是由于在淬硬与未淬硬区之间的过渡区存在一个很大的轴向拉应力，其值超过材料的断裂强度，即形成横向裂纹。另外大锻件往往存在着气孔、夹杂物、锻造裂纹和白点等冶金缺陷，这些缺陷作为断裂的起点在轴向拉应力作用下也容易发生断裂。

弧形裂纹也是由热应力引起的，主要产生于工件内部或尖锐棱角、凹槽及孔洞附近，呈弧形分布，如图3-33所示。在尖锐棱角处的冷却速度快，全淬透，在向平缓部位过渡时，同时也向未淬硬区过渡，此处出现最大拉应力区，因而出现弧形裂纹。由于销孔或凹槽部位或中心孔附近的冷却速度较慢，相应的淬硬层较薄，在淬硬过渡区附近拉应力也容易引起弧形裂纹。

pagenumber_ebook=86,pagenumber_book=78

图3-33　弧形裂纹

3)表面网状裂纹

这是一种分布在工件表面的深度较小的裂纹，其深度一般为0.01～1.5mm。裂纹分布方向与工件形状无关，但与裂纹深度有关。图3-34为不同裂纹深度的表面裂纹形态示意图。由图可见，当裂纹深度较小时，工件表面形成细小的网状裂纹，如图3-34(a)所示。当裂纹较深，如接近1mm或更深时，则表面裂纹不一定呈网状分布，如图3-34(d)所示。当工件表面由于某种原因呈现拉应力状态，且材料表面的塑性又很小，在拉应力作用下不能发生塑性变形时就出现这种裂纹。例如，表面脱碳工件，淬火时表层的马氏体因含碳量低，其比容比与其相邻的内层马氏体的小，因而脱碳的表面层呈现拉应力。当拉应力值达到或超过钢的断裂抗力时，则在脱碳层形成表面裂纹。

4)剥离裂纹

剥离裂纹又称表面剥落，裂纹平行于零件表面，如图3-35所示，主要发生在表面淬火件和化学热处理件，一般是沿淬硬层或扩散层发生表面剥落。例如，零件经渗碳淬火时，其渗碳层淬火成马氏体，其内部过渡层可能得到托氏体，心部则仍保持原始组织。由于马氏体的比体积大，膨胀时受到内部的牵制，使马氏体层呈现压应力状态，但接近马氏体层极薄的过渡层具有拉应力，剥离裂纹就产生在拉应力向压应力急剧过渡的极薄的区域内。

pagenumber_ebook=87,pagenumber_book=79

图3-34　表面裂纹形态示意图

(a)裂纹深度为0.02mm；(b)裂纹深度为0.4～0.5mm
(c)裂纹深度为0.6～0.7mm(d)裂纹深度为1.0～1.5mm

pagenumber_ebook=87,pagenumber_book=79

图3-35　剥离裂纹

5)显微裂纹

前几种裂纹都是宏观内应力所致，而显微裂纹是由微观应力(第二类应力)造成的，这种裂纹需在显微镜下才能观察到。显微裂纹往往产生在原奥氏体晶界处或马氏体片的交界处，如图3-36所示。研究表明，显微裂纹多见于过热的高碳钢或渗碳件的片状马氏体中。显微裂纹会显著降低工件的强度、塑性等力学性能，威胁工件运转的安全性并导致零件的早期断裂。

应该指出，实际钢件淬火裂纹的产生原因及分布形式是很多的，有时可能是几种形式的裂纹交织在一起出现。遇到这种复杂情况，则应根据具体问题找出其产生原因，并确定有效的防止措施。

2.影响淬火开裂的其他因素

淬火开裂是由于淬火过程中产生的内应力过大造成的，此外，还有一些其他因素也会导致淬火裂纹产生。

pagenumber_ebook=87,pagenumber_book=79