熱處理的斷裂及預(yù)防

1、1簡(jiǎn)介熱處理裂紋的分類：非淬火裂紋表面龜裂、表面邊緣T型裂紋；淬火裂紋縱裂（組織應(yīng)力型）、弧裂（局部拉應(yīng)力型）、大型工件淬火裂紋（縱斷、橫斷）、邊廓表面裂紋（局部拉應(yīng)力型）、脫裂、第二類應(yīng)力裂紋2縱裂縱裂的宏觀形態(tài)沿細(xì)長(zhǎng)零件表面啟裂，在沿縱向擴(kuò)展的同時(shí)，又以垂直表面的方向向截面內(nèi)部擴(kuò)展，形成外寬內(nèi)尖的楔形裂口?？v裂的擴(kuò)展總是終止于截面的中心處附近，外觀上看縱向單條裂紋和橫截面上的楔形裂口，是縱裂的基本宏觀形態(tài)?？v裂的形成條件 淬透是縱裂形成的必要條件。小工件淬透后的應(yīng)力狀態(tài)屬于組織應(yīng)力型殘余應(yīng)力，一般情況下組織應(yīng)力的切向應(yīng)力顯著大于軸向應(yīng)力。因此形成組織應(yīng)力型殘余應(yīng)力是縱裂的應(yīng)力條件?？v裂預(yù)防

2、措施采用較緩慢的冷卻介質(zhì)，如油等 。也可用水、油雙液淬火，但水、油雙液淬火對(duì)于一些小件無實(shí)際使用價(jià)值。工件加熱避免過熱，出爐后可適當(dāng)預(yù)冷，淬火后及時(shí)回火。加強(qiáng)技術(shù)管理技術(shù)培訓(xùn)，切實(shí)對(duì)有關(guān)工藝操作人員進(jìn)行淬裂理論教育。3弧裂弧裂形成的條件應(yīng)同時(shí)具備整體快速冷卻、不能淬透、具有弧裂的幾何敏感部位的結(jié)構(gòu)形式。幾何敏感部位的結(jié)構(gòu)形式有孔洞、凹面和碗面、截面尺寸突變、軸肩。幾何敏感部位的緩冷效應(yīng)具有上述結(jié)構(gòu)形式在淬火冷卻過程中的主要作用是顯著降低那里的實(shí)際冷卻速度，產(chǎn)生緩冷效應(yīng)。幾何敏感部位處的組織 幾何敏感部位緩冷效應(yīng)，要么使局部未淬硬產(chǎn)生淬火屈氏體并處在馬氏體的包圍之中（在金相的宏觀或微觀上可看出）

3、；要么淬硬層被局部明顯減薄。在熱處理生產(chǎn)中產(chǎn)生的弧裂中，前一種占絕大多數(shù)?；×训男纬蓴U(kuò)展方式及典型宏觀形態(tài) 弧裂首先在幾何敏感部位的表面上形成，并由此沿曲（?。┟嫦认蚪孛鎯?nèi)部定向擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)可穿越零件的其余截面，再向零件的外表面延伸，直到在那里呈弧形露出；嚴(yán)重時(shí)常使相應(yīng)部位沿弧裂脫落（或經(jīng)敲擊即可脫落）。開裂面通常為形狀各異的曲（?。┟妫畹湫偷氖菑膸讉€(gè)不同的方向觀察時(shí)都呈弧形，是判定弧裂的重要依據(jù)。對(duì)存在于幾何敏感部位上并可引起應(yīng)力集中效應(yīng)的因素（如尖銳拐角），并不誘發(fā)或促進(jìn)弧裂的產(chǎn)生?；×训念A(yù)防措施實(shí)施局部強(qiáng)冷：對(duì)于可能引起弧裂的零件，要考慮對(duì)幾何敏感部位進(jìn)行局部強(qiáng)冷（高溫區(qū)間）的可能性和

4、實(shí)施方法。實(shí)施局部弱冷：對(duì)于可能引起弧裂的零件，要考慮對(duì)幾何敏感部位進(jìn)行局部弱冷（高溫區(qū)間）的可能性和實(shí)施方法。最典型的當(dāng)屬堵孔淬火，讓孔內(nèi)在高溫區(qū)內(nèi)冷速更緩，并全部轉(zhuǎn)變成屈氏體組織。實(shí)施低溫區(qū)緩冷的淬火方法。4大型零件淬火裂紋大型零件淬火殘余應(yīng)力為熱應(yīng)力型淬火介質(zhì)的冷卻能力越強(qiáng)、截面尺寸越大、加熱溫度越高,淬火殘余應(yīng)力越大。應(yīng)力作用方式與開裂原因 冷卻末期，外層金屬已冷到低溫，內(nèi)部金屬的溫度必然高于外層。當(dāng)其繼續(xù)降溫時(shí)，因伴隨體積收縮受到外層金屬的強(qiáng)力約束，而在中心部位產(chǎn)生三維拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處。金屬力學(xué)性能理論表明，金屬在三維拉應(yīng)力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉(zhuǎn)變

5、為脆性狀態(tài)，極易產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂；這就是具有珠光體組織的大件心部金屬，在熱應(yīng)力型應(yīng)力作用下形成裂紋的根本原因。斷口特征短圓柱型：常為縱向裂開，當(dāng)高度為直徑的兩倍左右時(shí)，有橫斷現(xiàn)象。多見于碳素工具鋼，這些零件中心往往存在網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的強(qiáng)度并沿其擴(kuò)展。軸類： 當(dāng)軸向與切向最大拉應(yīng)力超過零件中心處材料的強(qiáng)度時(shí)，首先在該處開裂。隨后在淬火應(yīng)力的作用下，裂紋分別沿縱向和橫向由內(nèi)向外擴(kuò)展，直到在外表面露出裂紋。但是裂紋也可能終止于內(nèi)部某處成為內(nèi)裂。當(dāng)殘余應(yīng)力足夠大時(shí)，可能在淬火末期自行完全斷開。然而更多時(shí)候是在露出零件表面裂紋的基礎(chǔ)上，通過機(jī)加工等辦法而顯現(xiàn)。在長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于直徑的時(shí)候，橫斷比縱裂更多

6、見，而且同一零件上可能產(chǎn)生多處橫斷或縱裂。裂紋源通常位于截面中心處，當(dāng)截面中心附近區(qū)域存在冶金缺陷時(shí)，裂紋源才可能偏離截面中心處。齒圈類： 一般為中碳鑄鋼制造，只能形成徑向裂紋。裂源為橫斷面的幾何中心處或鑄造的熱節(jié)點(diǎn)處，并由此通過齒圈中心的徑向面，由里向外擴(kuò)展，最終裂開。炸裂的內(nèi)裂：炸裂是有傷害危險(xiǎn)的開裂，應(yīng)注意防范。炸裂發(fā)生在冷卻末期以后。斷口特征：斷裂面平齊，無明顯塑性變形發(fā)生，呈典型的脆性斷口。內(nèi)部冶金缺陷的作用 大件截面中心及其附近，是熱應(yīng)力型應(yīng)力的最大拉應(yīng)力存在和作用的位置，這里又是許多冶金缺陷產(chǎn)生或存在的部位。這些缺陷是重要的促裂、誘裂因素，也是大件淬裂的天然裂源和直接原因。由于種

7、種原因的制約與影響，目前我國(guó)大型鑄鍛件的綜合冶金質(zhì)量還很不理想，因而成為影響大件淬裂的最重要的實(shí)際因素之一。 應(yīng)當(dāng)注意的是：存在于大型零件表面上的一切能引起應(yīng)力集中效應(yīng)的因素，在淬火過程中，決無誘發(fā)和促進(jìn)裂紋作用。故此，熱處理之前不必要清除大型鑄鍛件的表面缺陷。大件淬裂的預(yù)防措施利用熱處理基本應(yīng)力的交互作用和雙重作用特征，設(shè)計(jì)或改進(jìn)大件的淬火工藝；利用預(yù)冷降溫的方法；淬火冷卻不進(jìn)行到低溫；及時(shí)回火注意回火冷卻方法。5邊廓裂紋邊廓裂紋的形成條件只能產(chǎn)生在尖棱角或外輪廓的附近；快速淬火冷卻條件下； 上述兩項(xiàng)決定了裂紋形成處的組織應(yīng)力值極大（組織轉(zhuǎn)變快，截面溫差?。?。并且裂紋形成于淬火初期，此后隨著

8、冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋迅速擴(kuò)展。在制定熱處理工藝時(shí)必須要了解邊廓裂紋的這個(gè)特點(diǎn)。邊廓裂紋的宏觀特征 在輪廓或邊棱的附近，并與之基本平行的單條或多條毛細(xì)裂紋；外寬內(nèi)尖與零件外表面基本垂直且裂紋較淺。加熱溫度及應(yīng)力集中因素的影響邊廓裂紋在較低的淬火溫度下就能產(chǎn)生，正常淬火溫度已發(fā)育長(zhǎng)大，過熱條件下嚴(yán)重?cái)U(kuò)展。一般應(yīng)力集中因素不產(chǎn)生影響，但表面機(jī)加工刀痕例外。在具有圓形輪廓的淬火零件上，邊棱附近產(chǎn)生的邊廓裂紋，幾乎都是沿著圓形的機(jī)加工刀痕形成和擴(kuò)展的。這是因?yàn)檫吚飧浇募庸さ逗郏『锰幵谶@類裂紋賴以形成的表面局部合成拉應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍內(nèi)。邊廓裂紋的預(yù)防措施選用較緩和的淬火冷卻介質(zhì)；淬火冷卻介質(zhì)的溫度不可

9、低于15，當(dāng)?shù)陀?裂紋已不可避免；加強(qiáng)人員培訓(xùn)和加強(qiáng)熱處理生產(chǎn)的技術(shù)管理。6脫裂在某些回轉(zhuǎn)體零件（如車輪、齒輪等）和圓柱體零件（如軸、銷類）淬火時(shí)，有時(shí)在輪緣、齒圈和軸肩等部位乃至全部脫（崩）落的淬裂現(xiàn)象，就是脫裂。脫裂的形成規(guī)律脫裂的產(chǎn)生的條件： 熱處理?xiàng)l件：表面加熱淬火回轉(zhuǎn)體零件和圓柱體零件，也產(chǎn)生在普通淬火的該類零件上。大多數(shù)脫裂產(chǎn)生在水冷淬火工藝條件下，油冷很少見。金相條件：大量金相分析確定，在形成脫裂的區(qū)域附近，有馬氏體和屈氏體兩相組織存在是脫裂形成的必要且充分條件。 表面淬火時(shí)，在馬氏體組織和原始組織區(qū)的珠光體型組織的分布，一般由相應(yīng)的工藝條件決定。從工藝上采取措施（如端部留軟帶）

10、，消除截面組織的差異，便消除了脫裂賴以產(chǎn)生的組織條件。 普通淬火時(shí)，通常由于局部幾何結(jié)構(gòu)的緩冷效應(yīng)決定。如軸肩截面過渡處便是可能產(chǎn)生緩冷效應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)形式。由于不同原因（如水溫過高）造成淬火介質(zhì)冷卻能力下降，導(dǎo)致軸類零件的端面、軸階端面和其它具有局部幾何結(jié)構(gòu)緩冷效應(yīng)的部位產(chǎn)生截面組織差異，進(jìn)而形成脫裂。 脫裂的形成和擴(kuò)展都在全馬氏體組織區(qū)內(nèi)進(jìn)行的。生產(chǎn)中形成的大多數(shù)脫裂，都是在馬氏體無過熱特征的情況下產(chǎn)生的，個(gè)別情況下也有馬氏體十分粗大的現(xiàn)象。脫裂的形成、擴(kuò)展方式和宏觀形態(tài)脫肩：軸輥類零件的脫肩過程，先在端面的肩處（或邊棱）附近啟裂，通常多處同時(shí)（同一圓周或相距較近的同心圓上），然后沿垂直表面的

11、方向向截面內(nèi)部擴(kuò)展，也同時(shí)沿圓周方向擴(kuò)展為圓周裂紋；繼而改向，沿圓弧面繼續(xù)在截面內(nèi)部朝軸肩附近的軸外圓表面上擴(kuò)展，最終在此處露出外圓表面而呈弧形裂紋。脫圈：齒輪的脫圈首先在齒圈與輻板截面過渡處的拐角上開裂，然后由此向截面內(nèi)部（沿弧面）擴(kuò)展，同時(shí)也沿拐角（常為尖角）作周向擴(kuò)展，最終使齒圈脫落。影響因素冷卻速度：首先是局部冷速過快，于冷卻最快的部位上形成淬火裂紋；其次，脫裂的產(chǎn)生又是淬火件局部部位的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)冷卻顯著減緩，從而產(chǎn)生截面組織差異，并由此引起局部合成拉應(yīng)力的作用結(jié)果。在熱處理生產(chǎn)實(shí)踐中，冷速局部減緩的原因，一是局部幾何結(jié)構(gòu)自身的緩冷效應(yīng)，二是熱處理操作失誤或是操作失誤與局部幾何結(jié)構(gòu)作

12、用的疊加。在產(chǎn)生截面組織差異的情況下，增加淬火介質(zhì)于低溫區(qū)內(nèi)的冷卻能力或淬火工件相關(guān)部位的冷卻烈度，將會(huì)顯著增加形成脫裂的危險(xiǎn)性?；瘜W(xué)成分：鋼中含碳量的顯著提高或或些合金元素含量的增加，使鋼的淬透性顯著提高，將大大提高脫裂的敏感性。應(yīng)力集中：對(duì)普通應(yīng)力集中不敏感，但過深的機(jī)加工刀痕有明顯的誘裂作用。脫裂的預(yù)防措施端部留軟帶：在表面淬火的輥類、軸類零件的端部預(yù)留適當(dāng)寬度的未淬硬軟帶，能有效避免脫裂的產(chǎn)生。正確選用淬火介質(zhì)：表面淬火的截面組織差異是無法避免的，在確保淬硬的前提下，盡量選用緩和的冷卻介質(zhì)。局部強(qiáng)冷，但應(yīng)謹(jǐn)慎。消除表面應(yīng)力集中：避免截面的尖角過渡，并把表面的粗糙度加工到高于Ra12.5

13、。保證化學(xué)成分，防止含碳量或殘余合金元素含量超標(biāo)。7脫裂原因淬火加熱時(shí)感應(yīng)圈與工件的相對(duì)移動(dòng)速度過快，造成奧氏體相變不均勻，在淬火時(shí)，一小部分相對(duì)另一部分的基體含碳（合金元素）量不同，從而形成一部分為針狀馬氏體，另一部分為板條狀，甚至為索氏體引起組織與熱應(yīng)力的疊加形成淬硬層不均勻，在某部分淬火形成最大切應(yīng)力位于次表層，引起縱向裂紋材料原始組織不合理，沒有進(jìn)行正火就進(jìn)行中頻調(diào)質(zhì)中頻調(diào)質(zhì)回火時(shí)的感應(yīng)圈移動(dòng)（或工件）快，形成圈式硬度不均，即一部分回火正常，另一部分沒有很好的回火，材料的夾雜（，硅酸鹽，塑性?shī)A雜，非金屬夾雜等），有些在軋（鍛造）制過程中補(bǔ)軋（鍛）成長(zhǎng)條狀，引起局部應(yīng)力集中造成裂紋8檢查裂紋的方法檢查零件有無裂紋，最簡(jiǎn)單、最常用的方法是將零件噴砂后用肉眼直接觀察，或使用放大鏡觀察零件的表面即可。當(dāng)用眼睛或放大鏡看不到裂紋時(shí)，還可用浸油探傷法檢查。即將零件浸入到煤油、汽油等油中，稍后取出零件用棉紗擦拭干凈，再涂以石灰粉或其他白