熱處理變形與裂紋

1、熱處理變形與裂紋工件熱處理后常產(chǎn)生變形和開裂，其結(jié)果不是報廢，也要花大量工時進行修整。工件變形和開裂是由于在冷、熱加工中產(chǎn)生的應(yīng)力所引起的。當應(yīng)力超過彈性極限時，工件產(chǎn)生變形；應(yīng)力大于強度極限時，工件產(chǎn)生裂紋。熱處理中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力是怎樣產(chǎn)生的？只有不斷認識這個問題，才能采用各種工藝方法來減小和近控制這兩種應(yīng)力。在加熱和冷卻時，由于工件熱脹冷縮而產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應(yīng)力是造成變形和開裂的主要原因，而原材料缺陷、工件結(jié)構(gòu)形狀等因素也促使裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。后面主要敘述熱處理操作中的變形和開裂產(chǎn)生原因及一般防止方法，也討論原材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)形狀等對變形和開裂的影響。一、 鋼的缺陷類型1、

2、 縮孔：鋼錠和鑄件在最后凝固過程中，由于體積的收縮，得不到鋼液填充，心部形成管狀、喇叭狀或分散的孔洞，稱為縮孔?？s孔將顯著降低鋼的機械性能。2、 氣泡：鋼錠在凝固過程中會析出大量的氣體，有一部分殘留在處于塑性狀態(tài)的金屬中，形成了氣孔，稱為氣泡。這種內(nèi)壁光滑的孔洞，在軋制過程中沿軋制方向延伸，在鋼材橫截面的酸浸試樣上則是圓形的，也叫針孔和小孔眼。氣泡將影響鋼的機械性能，減小金屬的截面，在熱處理中有擴大紋的傾向。3、 疏松：鋼錠和鑄件在凝固過程中，因部分的液體最后凝固和放出氣體，形成許多細小孔隙而造成鋼的一種不致密現(xiàn)象，稱為疏松。疏松將降低鋼的機械性能，影響機械加工的光潔度。4、 偏析：鋼中由于某

3、些因素的影響，而形成的化學成份不均勻現(xiàn)象，稱為偏析。如碳化物偏析是鋼在凝固過程中，合金元素分別與碳元素結(jié)合，形成了碳化物。碳化物（共晶碳化物）是一種非常堅硬的脆性物質(zhì)，它的顆粒大小和形狀不同，以網(wǎng)狀、帶狀或堆集不均勻地分布于鋼的基體中。根據(jù)碳化物顆粒大小、分布情況、幾何形狀、數(shù)量多少將它分為八級。一級的顆粒最小，分布最均勻且無方向性。二級其次，八級最差。碳化物偏析嚴重將顯著降低鋼的機械性能。這種又常常出現(xiàn)于鑄造狀態(tài)的合金具鋼和高速鋼中。對熱處理工藝影響很大，如果有大塊碳化物堆集或嚴重帶狀分布，聚集處含碳量較高，當較高溫度淬火時，工件容易因過熱而產(chǎn)生裂紋。但為了避免產(chǎn)生裂紋，而降低淬火溫度，結(jié)果

4、又會使硬度和紅硬性降低。碳化物偏析嚴重將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低使用壽命或過早報廢。5、 非金屬夾雜物：鋼在冶煉、澆鑄和冷凝等過程中，滲雜有不溶解的非金屬元素的化合物，如氧化物、氮化物、硫化物和硅酸鹽等、總稱為非金屬夾雜物。鋼中非金屬夾雜物存在將破壞基體金屬的連續(xù)性，影響鋼的機械性能、物理性能、化學性能及工藝性能。在熱處理操作中降低塑性和強度而且夾雜物處易形成裂紋。在使用過程中也容易造成局部應(yīng)力集中，降低工件使用壽命。夾雜物的存在還降低鋼的耐腐蝕性能。6、 白點：鋼經(jīng)熱加工后，在縱向斷口上，發(fā)現(xiàn)有細小的裂紋，其形狀為圓形或橢圓形的，呈銀亮晶狀斑點。在橫向熱酸宏觀試樣上呈細長的發(fā)裂，顯微觀察裂縫穿

5、過晶粒，裂縫附近不發(fā)現(xiàn)塑性變形，裂縫處無氧化與脫碳現(xiàn)象。這種缺陷稱為白點。白點將顯著降低橫向塑性與韌性，在熱處理中易形成開裂。7、 氧化與脫碳：鋼鐵在空氣或氧化物氣氛中加熱時，表面形成一層松脆的氧化皮，稱為氧化。表面的碳被“燃燒”使表面的碳分減少或完全失去。這種現(xiàn)象稱為脫碳。鋼的表面脫碳將降低表層機械性能。對需淬火的鋼得不到所需的硬度，尤其工具鋼和軸承鋼熱處理時會形成淬火軟點。高速工具鋼會降低紅硬性。氮化零件氮化前表面脫碳，使氮在表層具有很大的飽和度，形成脆性。8、 過熱和過燒：鋼在加熱時，超過正常加熱溫度或保時間過長，使奧氏體晶粒過于粗大的現(xiàn)象稱為過熱。這將影響鋼的機械化性能和工藝性能。鍛造

6、時過熱是形成裂紋的原因之一。淬火過熱后具有粗大的針狀馬氏體組織，韌性較低，也往往使淬火零件的內(nèi)應(yīng)力增大，產(chǎn)生變形與開裂。過熱還使鋼出現(xiàn)嚴重的氧化與脫碳。鋼的加熱溫度接近于熔化溫度，沿晶界處產(chǎn)生熔化或氧化現(xiàn)象，稱為過燒。過燒后鋼的強度很低，脆性很大。在鍛造或熱處理時必然會裂開，斷口失去金屬光澤。鋼的過燒是無法用熱處理或其它方法補救。9、 脆性：金屬材料，由于某些原因受力突然斷裂，其韌性（有時是塑性）強烈下降，其它機械性能下降不大或不變（有的性能甚至反而上升如硬度），在斷裂的過程中沒有明顯的變形特征，這種現(xiàn)象稱為脆性。脆性將顯著地降低鋼的沖擊韌性與塑性，產(chǎn)生一次斷裂。10、 疲勞：金屬長期受不同形

7、式的交變負荷作用時，在工作應(yīng)力顯著低于抗拉強度的應(yīng)力下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞。二、 熱處理基本應(yīng)力:熱處理基本的內(nèi)應(yīng)力可分為：工件因內(nèi)外溫差所引起的內(nèi)應(yīng)力稱為“熱應(yīng)力”；工件內(nèi)外組織不同時轉(zhuǎn)變，或同一截面存在著組織不同造成比容差異所引起的內(nèi)應(yīng)力稱為“組織應(yīng)力”。熱處理后工件中的殘留應(yīng)力，就是在急冷過程中由于上述應(yīng)力疊加作用的結(jié)果，所以又叫“殘余應(yīng)力”。1、熱應(yīng)力：將鋼件加熱到組織轉(zhuǎn)變點（A1）以下，隨即急冷到室溫，工件中的內(nèi)應(yīng)力是“熱應(yīng)力“。熱應(yīng)力在工件上有三個方向情況，沿直徑方向心部為拉應(yīng)力，表面為零，一般不予考慮。沿心軸方向和切線方向表面都是壓應(yīng)力，心部也同是拉應(yīng)力，特別是心部軸向應(yīng)力很大

8、。常見的大型軸類零件如軋輥等，因軸向殘余熱應(yīng)力最大值是在工件半徑的中心部位附近；再加上心部往往存在著氣孔、夾雜、白點、鍛造裂紋等缺陷，因些，在巨大軸向拉應(yīng)力的作用下，成為斷裂的起點，最終發(fā)展為橫向斷裂。這是熱應(yīng)力對大工件造成不利的一面；但在急冷時熱應(yīng)力使工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，對提高一般形狀簡單的小軸類零件抗疲勞能力是有利的。急冷熱應(yīng)力有二個特點：一是使工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。二是大型軸類零件心部軸向拉應(yīng)力特別大。2、組織應(yīng)力：將奧氏體穩(wěn)定性很高的鐵鎳合金試樣自900緩冷至馬氏體轉(zhuǎn)變點（Ms）點330以上時，熱應(yīng)力可以認為在緩慢冷卻并通過塑性變形等過程松馳掉。當試樣在330冰水中淬火，

9、表面首先轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而心部仍然是奧氏體。因馬氏體比容大于奧氏體的比容。所以表面先膨脹，而未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的心部卻阻礙其膨脹，這時表面承受心部的反抗作用是壓應(yīng)力而心部受拉應(yīng)力。在這兩種比容不同所產(chǎn)生應(yīng)力的作用下，引起心部不均勻塑性變形。變形情況是工件體積在最大線度方向伸長工件表面趨向凹形，尖角突出。心部繼續(xù)冷卻時，奧氏體也開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體要發(fā)生體積膨脹，因此，心部承受壓應(yīng)力，表面為拉應(yīng)力。這種應(yīng)力一直殘留到室溫又叫殘余組織應(yīng)力。 組織應(yīng)力的特點是工件表面受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力。而且靠近表面層切向拉應(yīng)力大于軸向拉應(yīng)力。此外，工件在淬火時，由于鋼的淬透性以及冷卻速度不同往往不可能完全淬透，淬火后表面

10、獲得馬氏體，心部仍然是珠光體型，因在同一截面上出現(xiàn)不同組織，所以比容有差別，這種由比容所引起的內(nèi)應(yīng)力也是組織應(yīng)力。其特點是在不同組織交界處附近產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，比容大的淬透層與心部交界處外產(chǎn)生壓應(yīng)力，界內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。從以上所討論的情況來看，在急冷過程中，組織應(yīng)力與熱應(yīng)力的分布恰好相反。一般鋼件加熱到相變溫度以下如奧氏體不銹鋼、高錳鋼無相變工件加熱到淬火溫度，急冷時都只能產(chǎn)生熱應(yīng)力；而對于急冷時有相變的工件則是組織應(yīng)力和熱應(yīng)力同時產(chǎn)生。所以一般工件淬火后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，是由熱應(yīng)力和組織上應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。還由于原材料化學成份和冶金質(zhì)量差異，工件結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的不同，冷卻速度的快慢等等，影響因素

11、遠比上述分析復雜，困此在解決實際問題時，要做全面的分析，找出是熱應(yīng)力還是組織應(yīng)力起主導作用，來判別變形趨向和裂紋產(chǎn)生的可能性。通過各種措施以控制變形和防止裂紋的產(chǎn)生。三、 淬火變形產(chǎn)生的原因及防止方法工件因熱處理引起的變形，可分為：形狀變化彎曲和翹曲。 體積變化脹大和收縮。由組織轉(zhuǎn)變而引起的體積變化是熱處理中不可避免的。1、 彎曲變形：（1）影響彎曲變形的因素：工件加熱不均、冷卻不當、形狀特殊、冷加工時殘余應(yīng)力過大以及加熱過程中工件自重等因素，都對產(chǎn)生彎曲變形有一定影響。在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用下，上述因素更促使變形的產(chǎn)生?，F(xiàn)結(jié)合生產(chǎn)中遇到的情況加以說明：（2）實例:(a)、加熱不均造成變形：

12、見附圖“龍門剪刀片變形示意圖，材料為GCr15，要求硬度為HRC5860。因為工件較長，在燃油爐中水平放置加熱，淬火后發(fā)現(xiàn)側(cè)彎35mm，校直困難。分析原因：在爐中加熱時靠爐底這個側(cè)面加熱緩慢，溫度稍低，上部加熱充分，溫度較高，又因工作時翻動不夠，使上下兩面因溫度差別而膨脹不一致淬油前就產(chǎn)生一定彎曲。另外淬火后加熱充那一面，奧氏體化均勻，溶入碳量較多，使上下兩面馬氏體比容差大，更加大了彎曲變形量。所以在淬火時加熱要均勻，保溫要充分。(b)、冷卻浸入方式不對引起彎曲：見附圖為棒狀或平板形工件，不是垂直浸入冷卻劑，造成先下水那一面先冷卻收縮（熱應(yīng)力作用），當繼續(xù)冷卻時組織轉(zhuǎn)變發(fā)生膨脹，上部冷卻收縮成

13、圖b所示，工件再繼續(xù)冷卻時，上部也發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，彎曲只能得到稍有恢復。（c）、截面形狀不對稱造成彎曲：工件截面不對稱，淬入冷卻劑后會產(chǎn)生截面各處冷卻快慢的差別造成彎曲變形。（d）、由于工件自重引起加熱時彎曲：工件在爐中放置的方法不對，或者因為爐底的凹凸不平，以及工件的捆扎方法不正確，都會因自重而在加熱時產(chǎn)生彎曲變形。（e）、其它變形：高速鋼、CR12等合金鋼工件，在作分級淬火時，如分級溫度較高，出爐后冷卻不當，也會引起工件變形。如高速鋼薄片刀，一次500度分級淬火，出熱浴后平放在地上，結(jié)果靠地面一邊凸起，分析原因：從熱浴中取出后，工件內(nèi)部組織仍為過冷奧氏體，當平放于地面時，下面靠地面因先冷使組

14、織先發(fā)生轉(zhuǎn)變引起體積膨脹，引起變形。如果出浴后懸掛空冷不注意，靠鼓風機一側(cè)也會產(chǎn)生類似的情況。又如幾個工件捆扎或緊靠在一起時也會發(fā)生彎曲變形。如兩零件緊靠浸入冷卻劑中冷卻時因兩內(nèi)側(cè)面冷卻不良工件兩面冷卻速度不同便產(chǎn)生向外側(cè)凸起彎曲變形?？窟呁鈧?cè)硬度高，內(nèi)側(cè)硬度低。（f）、冷加工殘余應(yīng)力引起熱處理變形：如工件在熱處理前存在著加工殘余應(yīng)力，則在熱處理中加工殘余應(yīng)力會使工件發(fā)生變形：強烈磨削加工之后使工件在熱處理時產(chǎn)生較大變形，在車削時產(chǎn)生的塑性變形造成熱處理時有更大變形。解決的方法是淬火前工件應(yīng)進行550600度低溫退火以消除加工殘余應(yīng)力。（3）、減少彎曲變形的措施：彎曲變形雖然可以校直，但增加了

15、工作量，有時還會發(fā)生廢品。減少變形常用方法如下：（A）、正確選材和合理設(shè)計：對于形狀復雜截面懸殊的零件，最好采用合金結(jié)構(gòu)鋼用油淬，以減少變形。復雜的模具、量具可采用微變形鋼用分級或等溫淬火來減少變形。在設(shè)計零件時不僅考慮承受外力和結(jié)構(gòu)的需要，而且要考慮到熱處理時變形和開裂，因此盡量采用對稱截面。（B）、正確選擇浸入方式：正確的浸入方式主要考慮通過調(diào)整冷卻順序達到均勻冷卻和防止汽泡產(chǎn)生目的。（C）、采用加強筋：在預知淬火后的變形方向時，可在易變形方向上增加補強筋防止變形。（D）、采用快速加熱淬火：采用普通加熱和分級淬火不能解決時，可用快速加熱淬火來控制變形 。（E）、長桿件吊重錘加熱：對于細長軸

16、類零件吊重錘加熱淬火可以防止加熱及冷卻時造成彎曲變形。（F）、模壓淬火：采用淬火壓床可減少工件在淬火中翹曲。如氣體滲碳后大型螺旋齒輪淬火就是采用這個方法。在一般工廠也可以用土辦法按模壓的原理來處理易變形的工件。如薄而長的刀片加熱后夾入兩根方鐵中夾緊再淬火，對圓鋸片、摩擦片等都可采用銅塊夾住在手壓機下冷卻，均能有效地防止變形。（G）、控制水中停留時間：控制在水中停留時間長短可以控制變形量。2、 體積變形： (1)：熱應(yīng)力和組織應(yīng)力對變形的影響：由熱應(yīng)力所引起的變形歸納起來是熱應(yīng)力引起的彎曲、扭曲變形和工件加熱冷卻不均勻分不開的。這種變形可能是彈性的，也可能是塑性的。組織應(yīng)力引起的體積變化規(guī)律列入

17、后附表格。（2）：影響體積變形的因素：（A）：淬透性的影響：淬透性好的鋼，如一般合金工具鋼，淬火時能使工件整個截面全部淬透，因此奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的數(shù)量增多，使組織應(yīng)力增大，對模具來說型腔趨于脹大；碳素工具鋼因淬透性不如合金工具鋼，模具斷面不易淬透，因此以熱應(yīng)力為主要作用使型腔縮小。（B）冷卻速度的影響：工件淬火冷卻時在Ms點以上提高冷卻速度主要使熱應(yīng)力增加，如碳素工具鋼模具在鹽水浸冷油中冷卻，以及合金工具鋼在冷油中冷卻，都是熱應(yīng)力起主要作用造成模具型腔收縮。又如碳素工具鋼或低合金鋼的中、大型模具在堿浴或硝鹽分級淬火時均未淬透，所以往往也是以熱應(yīng)力為主使型腔收縮。但由于分級淬火溫差小，熱應(yīng)力不

18、大，所以引起的變形量較小。當工件冷卻到馬氏體點以下時加快冷卻速度，組織應(yīng)力增加引起模具型腔脹大。（C）淬火溫度的影響：提高淬火溫度即加大了淬火時的溫差，增加了淬火時的熱應(yīng)力； 同時還由于奧氏體中溶解碳多，增加鋼的淬透性，組織應(yīng)力也隨著增大。究竟以哪一種應(yīng)力為主？要看工件的尺寸，如壁厚的模具溫差在以熱應(yīng)力為主，一般型腔趨于收縮。壁薄的模具易淬透以組織應(yīng)力為主使型腔脹大。（D）幾何形狀的影響：工件的幾何形狀復雜，尤其是模具，其變形規(guī)律較難掌握。根據(jù)模具的型腔d 和外廓D及高度t 的比值列出幾種子具鋼淬火變形情況，如T10A，780水淬200回火和CR12V、CR12MOV10201060油淬200

19、回火。當d/D<0.5, D/t >1時則型腔趨于縮小；GCR15、CRWMN 840油淬180回火，當d/D>0.5，D/t >1時則型腔趨于脹大；當d>t 時脹大，d<t 時則縮小。（E）含碳量的影響：低碳鋼或低合金鋼，因為低碳馬氏體的比容小，所以組織應(yīng)力也小，淬火時主要是熱應(yīng)力引起變形。低碳鋼經(jīng)滲碳后淬火，表面層含碳量雖然增加，但由于滲碳層較薄僅12毫米，比其整體來說還是很小的，所以組織應(yīng)力也不大，不足以引起內(nèi)孔脹大。但溫差大熱應(yīng)力主要作用，所以內(nèi)孔還是縮小。中碳鋼在全部淬透情況下，內(nèi)孔總是脹大；在淬不透情況下，隨著工件截面尺寸增大，熱應(yīng)力顯出主要作用

20、，內(nèi)孔會出現(xiàn)縮小。高碳鋼工件當壁很薄的情況下能全部淬透，組織應(yīng)力起作用內(nèi)孔脹大，如較厚工件采用水淬油冷，內(nèi)孔冷卻不良淬透層較薄組織應(yīng)力不大，以及油冷到馬氏體點以下冷卻速度低組織應(yīng)力小等原因，因此熱應(yīng)力起作用使內(nèi)孔縮小。 在實際生產(chǎn)中影響因素很多，如冷加工應(yīng)力、浸入冷卻劑方法，工件大小、截面厚薄、形狀特殊等都有影響，所以要針對具體情況進行分析，要看型腔脹大、縮小是熱應(yīng)力起主要作用，還是組織應(yīng)力起主要作用（3）：減小體積變形的措施：（A）合理設(shè)計：模具型孔的部位與尺寸的配合對變形有很大的影響。對設(shè)計提出下列要求：1）。盡可能避免截面相差懸殊的模具結(jié)構(gòu)。2）。適當增加工藝孔和加工余量，有此模具因為截

21、面汪致產(chǎn)生變形，增加適當?shù)墓に嚳祝拐麄€截面冷卻均勻減小變形。3）。模具形狀力求對稱，復雜模具改拼合結(jié)構(gòu)。（B）：合理鍛造和預先熱處理：模具的變形不僅與淬火時產(chǎn)生的應(yīng)力有關(guān)，而且與淬火前的殘余應(yīng)力有關(guān)，殘余應(yīng)力越小變形也越小，復雜模具在淬火前應(yīng)進行消除應(yīng)力處理。對CR12MOV類的高合金鋼中碳化物偏析將造成模腔變形的無規(guī)律性，因此要求鍛造時盡量減少碳化物偏析，不但有助于變形而且對壽命也有好處。鋼的原始組織對變形也有影響，球狀珠光體比片狀珠光體淬火后變形小。（C）：采用合理熱處理工藝：為了減小加熱時產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)緩慢加熱，多次預熱，尤其在500600范圍更應(yīng)緩慢，因為這個范圍材料由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

22、塑性變形狀態(tài)，易引起變形。選用淬火溫度時，在保證使用要求前提下采用下限的淬火溫度并且冷卻時盡量采用預冷淬火以減小溫差。用分級和等溫淬火可有效地減小變形。采用合理的工藝，可以調(diào)整淬火后的各種組織比例，如調(diào)整馬氏體、殘余奧氏體體、貝氏體的比例，則可控制比容的大小來調(diào)整脹大和縮小的趨向。四、 淬火裂紋的產(chǎn)生及防止方法 各種工具和重要的機器零件，只有通過適當?shù)臒崽幚聿拍軡M足使用的要求。但是淬火時產(chǎn)生了裂紋，產(chǎn)品報廢，既學雜浪費了材料和加工費用，又影響了生產(chǎn)造成很大的損失，因此，總結(jié)分析產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋的原因，逐步掌握其規(guī)律性，找出防止淬火裂紋的方法，有十分重要的意義。（一）、拉伸應(yīng)力對淬裂的作用：淬火裂紋

23、是由多方面的因素造成的，但根本的原因是兩條：一是拉應(yīng)力超過材料的強度極限，二是內(nèi)應(yīng)力并不高，而由于材料缺陷引起強度下降所致。對于大型零件，由熱應(yīng)力引起的巨大軸向拉應(yīng)力，是產(chǎn)生橫向裂紋的主要原因。但對于一般中小型零件，當冷卻到馬氏體點以下時，裂紋主要還是由于工件中的組織應(yīng)力作用而引起的。工件先形成馬氏體部分對尚處在奧氏體狀態(tài)的相鄰部分以拉應(yīng)力，由于奧氏體塑性好，熱應(yīng)力幾乎全部由奧氏體顆粒內(nèi)產(chǎn)生的滑移而松弛。當這部分奧氏體冷卻下來向馬氏體轉(zhuǎn)變時，情況就完全不同了馬氏體硬度高、脆性大，而且塑性極小，由于后形成馬氏體的部分對先形成馬氏體部分產(chǎn)生拉應(yīng)力而且迅速增加使其開裂。淬火裂紋有時也發(fā)生在淬火這后在

24、室溫放置，對稍大此的工件，雖然外表已冷到室溫，而心部仍未冷透部份，繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，隨著比容增大，應(yīng)力增加，實質(zhì)上對工件來說“淬火”還在工件內(nèi)部繼續(xù)進行。甚至在室溫放置若干小時以后才開裂。也的在濕地繼續(xù)冷到室溫以下，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的量增加到一定程度后才開裂。由此可見從200（馬氏體點附近）到室溫附近溫度范圍，裂紋的敏感性是很大的。工件的應(yīng)力、塑性及強度對裂紋形成關(guān)系很大。以奧氏體高錳鋼為例從1100高溫急冷至室溫并不會開裂，這說明單純的熱應(yīng)力只會造成變形而不會引起開裂。因為奧氏體有極大的塑性，熱應(yīng)力幾乎全部由奧氏體顆粒內(nèi)產(chǎn)生的滑移而消失，產(chǎn)生裂紋的可能性極小。殘余應(yīng)力的大小與很多因素有

25、關(guān)，其中最重要的是冷卻速度，冷速越快應(yīng)力超期大，因此油淬火比水淬火應(yīng)力要小，工件尺寸越大淬火時熱容量越大，散熱需要較長時間溫度梯度大，若加速冷卻，更增加溫度梯度產(chǎn)生極大應(yīng)力，故大型零件多用油冷，若性能達不到，則可采用合金鋼以獲得淬透層深度。因此在淬火過程中，必須盡量地降低組織應(yīng)力引起的拉伸應(yīng)力，特別是馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域應(yīng)緩冷，使表面和心部溫差小，組織轉(zhuǎn)變時間接近，則組織應(yīng)力就小。如采用分級淬火、等溫淬火、趨熱回火等都會收到一定的效果。（二）、影響淬火裂紋產(chǎn)生的因素1、 工件原材料缺陷對淬火裂紋的影響淬火是對鋼材冶金質(zhì)量的嚴重考驗同時又是一次大暴露。鋼中白點、縮孔、以及冷加工時留下較深刀痕，都可能造

26、成淬火裂紋的根源，鋼中有大塊非金屬夾雜物，使基體金屬的連續(xù)性被切斷，降低鋼的機械性能，淬火時起缺口應(yīng)力集中的作用產(chǎn)生裂紋。若裂紋在淬火前就存在，那么在淬火后裂紋兩側(cè)已發(fā)生有氧化脫碳現(xiàn)象。原材料中碳化物偏析對淬火裂紋有一定的影響。高速鋼和高合金鋼中由于有較多的合金元素形成了與一般碳化物不同的共晶碳化物，這種碳化物是一種非常堅硬的脆性物質(zhì)，而且難溶于奧氏體中。當鋼中分布有大塊堆集，嚴重帶狀和網(wǎng)狀碳化物偏析，就會使鋼基體機械性能的連續(xù)性受到破壞，易于形成切口應(yīng)力集中，而且在碳化物聚集的地方都有較高的含碳量，就是正常的淬火加熱也會過熱，使工件容易裂斷。由于原材料混號也會造成淬火裂紋，2、 冷卻不均勻?qū)?/p>

27、淬裂的影響對于形狀簡單的工件來說，由于表面和心部冷卻時間不同，由組織，由組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力是淬裂的主要原因。但實際情況遠比這個要復雜，因為工件形狀復雜；原材料質(zhì)量不同；冷卻介質(zhì)的性質(zhì)不一樣等影響，不僅表面與心部冷卻速度不同，而且各表面之間冷卻速度也不一樣，所以應(yīng)力是很復雜性的，分如下情況：（1） 工件結(jié)構(gòu)形狀對淬火裂紋影響：（A）設(shè)計不當造成裂紋：進行零件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要淬火的零件應(yīng)盡量做到截面均勻，使淬火冷卻時減少內(nèi)應(yīng)力的影響。（B）拐角、凹角部分引起開裂：拐角和凹角處淬火冷卻時是不充分的，蒸汽泡易聚集在該處，因為蒸汽是不良導體，它使工件與周圍冷卻介質(zhì)起隔熱作用，所以冷卻緩慢造成拐角和凹

28、角處壓應(yīng)力小，而工件心部發(fā)生組織轉(zhuǎn)變膨脹引起表面拉伸應(yīng)力大，救災(zāi)由于該處切口應(yīng)力集中，裂紋往往是在這些地方開始的。（C）內(nèi)孔、長通孔、盲孔引起裂紋。（D）尖角、凸角引起裂紋：當淬火加熱時工件的尖端比其它部分要快得多，待整個熱透時，尖角部分往往是過熱了。當冷卻時尖端部分從幾個方向同時激冷，所以在工件上劃出快冷和慢冷的界限，這樣易引起裂紋。（2） 工夾具使用不當造成裂紋：淬火工件裝放在工夾具中位置不正確對冷卻有很大影響，其情況如凹角冷卻時一樣。3、 冷卻速度對淬裂的影響：鋼從奧氏體化溫度冷卻到馬氏體點以上，冷卻速度越大，工件表層產(chǎn)生壓應(yīng)力也越大，在生產(chǎn)中常見到的鹽水淬火并不比水淬裂影響大，為什么淬

29、鹽水不開裂？經(jīng)分析認為18的水在550650區(qū)間冷卻速度是每秒下降600；而相同溫度含10%鹽水在550650區(qū)間冷卻速度是1100，所以鹽水冷卻比水冷時有更大的壓應(yīng)力，有利于抵消一部分組織應(yīng)力的作用，但冷卻速度高，熱應(yīng)力引起的變形也大，值得全面考慮。當冷卻到馬氏體點時冷卻速度必須緩慢以減小組織應(yīng)力。在生產(chǎn)中碳鋼零件常采用鹽水冷油浸，如果在鹽水中停留時間過長，馬氏體急劇轉(zhuǎn)變且數(shù)量增加，這時組織應(yīng)力很大會造成開裂。熱油淬火也能防止裂紋主要是因為工件在熱油中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是在一定的溫度下緩慢進行。避免產(chǎn)生裂紋的危險。4、 回火不當引起裂紋：（1） 未及時回火：這主要是在停留時間內(nèi)救災(zāi)要繼續(xù)發(fā)生

30、奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，增加了組織應(yīng)力造成裂紋。（2） 在回火脆性區(qū)回火造成裂紋：9MN2V鋼制木模要求HRC5358，淬火后在用220240度回火。這個區(qū)域正好是該種鋼的回火脆性區(qū)，結(jié)果工件使用不久后出現(xiàn)裂紋。經(jīng)檢查原材料及熱處理后金相組織又無特殊缺陷，因此是回火脆性造成。（3） 回火不足造成裂紋：對模具圓角R處進行局部高頻淬火，但凹模忘記回火，在凸模回火90分鐘后才發(fā)現(xiàn)，又對凹模進行回火，經(jīng)30分鐘后，兩塊模具一起取出，結(jié)果凹模開裂。（4） 回火不足在磨削時產(chǎn)生裂紋：若回火不足，由于磨削時強烈的研磨作用，有大礙的熱能產(chǎn)生，研磨區(qū)溫度升高，使鋼的表面組織由淬火馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，伴著體積的收

31、縮，而心部仍然是淬火馬氏體不變，這種不均勻的收縮便造成龜裂。（5） 多次淬火中間未經(jīng)退火產(chǎn)生裂紋。5、 淬火加熱時過熱或過燒： 淬火加熱時由于爐溫控制不當或儀表誤差以及材料混號，有的是裝料時放置不正確（過份接近火焰）特別是燃油爐靠噴嘴處，都易使工件過熱。鋼過熱后將得到粗大的奧氏體晶粒，淬火后的馬氏體也是粗大的，因此降低了機械性能，加上過高的淬火溫度又增加淬火中應(yīng)力，很容易引起脆性及開裂。三、分析淬裂具體方法 影響淬火裂紋的因素很多，往往也不是孤立的。在許多情況下，既涉及到材料本身質(zhì)量、工件結(jié)構(gòu)形狀的復雜程度，又與淬火加熱、冷卻緊密相關(guān)使組織應(yīng)力與上述因素的相互作用下，更促進了裂紋的產(chǎn)生。因此，

32、對已淬裂工件要進行具體分析，一般多從裂紋發(fā)生的部位、時間、形狀、大小、斷口色澤和金相檢驗等方面來分析。1、 裂紋部位1）、平面部位：在平面部位發(fā)生淬火裂紋，多由于工件原材料質(zhì)量和組織應(yīng)力所造成。2）、工件形狀應(yīng)力集中部位：工件斷面有急劇變化的地方如拐角、尖角、邊緣以及加工刀痕等會引起巨大應(yīng)力，當淬火時應(yīng)力集中部位冷卻不良，熱應(yīng)力引起的壓應(yīng)力小，造成組織應(yīng)力較大，使裂紋沿著切口部分延伸。2、 裂紋斷口疲勞裂紋斷口是光滑的，而且有“水波”一圈圈的痕跡，淬火或敲擊產(chǎn)生的一次脆性斷口與疲勞裂紋斷口的區(qū)別是不光滑的。斷口色澤產(chǎn)生裂 紋原因紅 銹水淬冷卻產(chǎn)生或冷卻劑過激，冷卻不均勻。透油、光亮油冷時油滲入

33、裂紋處斷口光亮。發(fā)黑（裂紋二側(cè)脫碳或有氧化皮）淬火前有裂紋，如鍛造裂紋等。發(fā) 紫回火時產(chǎn)生的裂紋，200300度保溫過長或400500度短時回火產(chǎn)生。白亮光、晶粒粗大加熱溫度過高或過熱造成。瓷白色，白亮或灰亮淬火后未回火，搬運中碰裂。3、 金相顯微分析除了用放大鏡對裂紋斷口和部位進行宏觀檢查外，還可在金相顯微鏡下進行觀察照相。以得到進一步分析。四、裂紋防止方法針對工件產(chǎn)生裂紋的影響因素，對防止裂紋的一些措施進行討論。1、 中小型零件減少組織應(yīng)力，增加表面殘余壓應(yīng)力：零件表面的應(yīng)力狀態(tài)，對耐疲勞性能關(guān)系很大，當表面是拉應(yīng)力時，很容易與外力疊加使表面產(chǎn)生裂紋；當表面是壓應(yīng)力時，可以抵消一部分外力作

34、用，使表面承受的應(yīng)力減小，提高了耐疲勞性能。如表面噴丸、滾壓強化后表面形成殘余壓應(yīng)力提高了疲勞強度，滲碳、氮化、高頻淬火因心部組織應(yīng)力小，表面比容在而產(chǎn)生壓應(yīng)力，所以在承受彎扭高應(yīng)力時能大大提高其耐疲勞強度。增加壓應(yīng)力對要求淬透的工件就是在馬氏體點以前要快冷，以增加表面熱應(yīng)力作用，減小組織應(yīng)力主要是在馬氏體點以下時要緩冷，以降低因各部冷卻時產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變不一致而造成過大組織應(yīng)力。通常采用的如水淬油冷、合金鋼工件分級或等溫淬火就是這個目的。2、 改善冷卻不良、降低應(yīng)力集中敏感以減小組織應(yīng)力：工件形狀對冷卻產(chǎn)生的組織應(yīng)力影響很大，冷卻不良處拉應(yīng)力會增大，尤其應(yīng)力集中的敏感切口，更促進裂紋產(chǎn)生，從設(shè)計結(jié)構(gòu)改變尖角、凸角為圓角如倒角R=5毫米時，影響會減一半，若R=15毫米時基本可以消除拉應(yīng)力引起的切口作用。厚度均