热处理缺陷裂纹产生原因分析

热处理缺陷裂纹产生原因的分析

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作者：张丽更新时间：2008-2-13

江苏盐城纺织职业技术学院

摘要：主要分析各种热处理方法及其他因素使金属零件产生裂纹的原因

关键词：热处理缺陷裂纹因素

热处理是通过加热和冷却，使零件获得适应工作条件需要的使用性能，达到充分发挥材料潜力，提高产品使用寿命和提高效能的重要的工艺方法。如果出现热处理缺陷，热处理就无法达到预期的目的，零件将成为不合格品或废品，从而造成经济损失。热处理缺陷一般按缺陷性质分类，主要包括裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷等七类。其中最危险的热处理缺陷是裂纹，一般将之称为第一类热处理缺陷，它属于不可挽救的缺陷；最常见的热处理缺陷是变形，一般称之为第二类热处理缺陷；其余缺陷如残余应力，组织不合格等属于第三类，一般统称为第三类热处理缺陷。

下面着重讨论有关热处理第一类热处理缺陷――裂纹。

一、金属零件的淬火裂纹

影响钢件淬火裂纹形成的因素众多，主要包括冶金因素、结构因素、工艺因素等。掌握各种因素作用，各因素对淬火裂纹影响的规律，对防止淬火裂纹的发生，提高成品率有重要的意义。

（1）钢件的冶金质量与化学成分的影响

钢件可用锻件、铸件、冷拉钢材、热轧钢材等加工而成，各种毛坯或材料生产过程中均可能产生冶金缺陷，或者将原料的冶金缺陷遗留给下道工序，最后这些缺陷在淬火时可扩展成淬火裂纹，或导致裂纹的发生。如铸钢件在热加工工艺过程中因加工工艺不当，在内部或表面可能形成气孔、疏松、砂眼、偏析、裂痕等缺陷；在锻件毛坯中，有可能形成缩孔、偏析、白点、夹杂物、裂纹等。这些缺陷对钢的淬火裂纹有很大的影响。一般说来，原始缺陷越严重，其淬火裂纹的倾向性越大。

钢的含碳量和合金元素对钢的淬裂倾向有重要影响。一般说来，随着马氏体中含碳量的增加，增大了马氏体的脆性，降低了钢的脆断强度，增大了淬火裂纹倾向。在含碳量增加时，热应力影响减弱，组织应力影响增强。水中淬火时，工件的表面压应力变小，而中间的拉应力极大值向表面靠近。油中淬火时，表面拉应力变大。所有这些都增加了淬火开裂倾向。而合金元素对淬裂的影响是复杂的，合金元素增多时，钢的导热性降低，增大了相变的不同时性；同时合金含量增大，又强化了奥氏体，难以通过塑性变形来松弛应力，因而增大热处理内应力，有增加淬裂的倾向。然而合金元素含量增加，提高了钢的淬透性，可用较缓和的淬火介质淬火，可以减少淬裂倾向。此外有些合金元素如钒、铌、钛等有细化奥氏体晶粒的作用，减少钢的过热倾向，因而减少了淬裂倾向。

（2）原始组织的影响

淬火前钢件的原始组织状态和原始组织对淬裂的影响很大。片状珠光体，在加热温度偏高时易引起奥氏体晶粒长大，容易过热，所以对原始组织为片状珠光体的钢件，必须严格控制淬火加热温度和保温时间。否则，将因钢件过热导致淬火开裂。具有球状珠光体原始组织的钢件，在淬火加热时，因为球状碳化物比较稳定，在向奥氏体转变的过程中，碳化物的溶解，

往往残留少量的碳化物，这些残留碳化物阻碍了奥氏体晶粒长大，与片状珠光体相比，淬火可以获得较细的马氏体，因此原始组织为均匀球状珠光体的钢对减少裂纹来说，是淬火前较理想的组织状态。

在生产中，常常产生重复淬火开裂现象，这是由于二次淬火前未进行中间正火或中间退火所致，未经退火而直接二次淬火，组织中没有阻碍奥氏体晶粒长大的碳化物存在，奥氏体晶粒极易显著长大，引起过热。因此在二次淬火中进行一次中间退火，同时也可通过退火来达到完全消除内应力的目的。

（3）零件尺寸和结构的影响

零件的截面尺寸过小和过大都不易淬裂。截面尺寸小的工件淬火时，心部很易淬硬，而且心部和表面的马氏体形成在时间上几乎是同时进行的,组织应力小，不容易淬裂。截面尺寸过大的零件，特别是用淬透性较低的钢制造时，淬火时不仅心部不能硬化，甚至连表层也得不到马氏体，其内应力主要是热应力，不易出现淬火裂纹。因此，对于每一种钢制的零件，在一定的淬火介质下，存在着一个临界淬裂直径，也就是说在临界直径的零件具有较大的淬裂倾向性。出现淬裂的危险尺寸可能因钢的化学成分而波动、加热温度和方法不同而发生变化，不可千篇一律。零件的尖角、棱角、等几何形状因素，使工件局部冷却速度的急剧变化，增大了淬火的残余应力，从而增大了淬火的开裂倾向。零件截面不均匀性的增加，淬裂倾向也加大，零件薄的部位在淬火时先发生马氏体转变，随后，当厚的部位发生马氏体转变时，体积膨胀，使薄的部位承受拉应力，同时在薄厚交界处产生应力集中，因而常出现淬火裂纹。（4）工艺因素的影响

工艺因素（主要是淬火加热温度，保温时间，冷却方式等因素

）对淬火裂纹倾向影响较大。热处理包括加热、保温、冷却等过程。热处理不仅在冷却（淬火）时可以产生裂纹，加热时如果加热不当也可能形成裂纹。

1）加热不当引起的裂纹

A、升温速度过快引起的裂纹

一些材料在铸造时由于结晶过程的不同时性必然形成成分不均匀，组织不均匀，铸态材料的非金属夹杂物。如铸态高锰钢中硬而脆的碳化物相、高合金铸钢中成分偏析和疏松等缺陷的存在等因素，在大型工件快速加热时，可能形成较大的应力，从而出现开裂。

B、表面增碳或脱碳引起的裂纹

合金钢零件在以碳氢化合物为气源的保护气氛炉（或可控气氛炉）中进行加热时，由于操作不当或失控，炉内碳势增高，可使得加热的工件表面碳含量超过工件的原始碳含量。在随后的热处理时，操作者仍按原钢件的工艺规程进行淬火，从而产生淬火裂纹。

在对高锰钢的铸件进行热处理时，表层如发生脱碳、脱锰，工件表面将出现裂纹；低合金工具钢、高速钢在热处理加热时，如表面产生脱碳，也有可能产生裂纹。

C、过热或过烧引起的裂纹

高速钢、不锈钢工件，因淬火加热温度较高，一旦加热温度失控，很容易造成过热或过烧，从而引起热处理裂纹。

D、在含氢气氛中加热引起的氢致裂纹

氢有很大的易动性，易被钢中的所谓“陷阱”捕捉。钢中夹杂物、疏松等内部缺陷可能成为“陷阱”。夹杂物等缺陷受载时的应力集中与氢含量高这两个条件的叠加易使氢致裂纹优先产生。产生氢脆一般必须具有三个基本条件：1）有足够的氢。2）有对氢敏感的金相组织。3）有足够的三向应力存在。如气体渗碳，碳氮共渗的工件产生装配断裂、放置开裂和使用过程断裂等现象。

总之，淬火加热温度升高，热处理应力增大，淬火马氏体组织粗化、脆化，断裂强度降低，淬裂倾向增大。一般而言，晶粒越细小，断裂抗力越高，淬裂倾向越小，相反晶粒粗化，断

裂抗力下降，断裂倾向增大。晶粒大小同淬火加热温度和淬火保温时间有直接关系。加热温度升高或保温时间增长，均能使晶粒粗化，因而增加淬裂倾向。从防止淬裂的观点看，应尽量选用较低的淬火加热温度。

2）冷却引起的裂纹

冷却方式不同，内应力的大小、类型和分布就不同，淬火钢的组织形态也不同，断裂抗力也不同，因此淬裂倾向不同。钢件加热至奥氏体状态，在淬火冷却过程中，一方面希望快速冷却，使奥氏体不会发生珠光体转变或贝氏体转变，也就是快速冷却，以躲过“C”曲线上的“鼻子”；另一方面希望奥氏体进入马氏体区后慢速冷却，产生马氏体转变，实现淬火。

钢件在冷却到马氏体开始相变温度的过程中，由于组织未变，仅仅产生热应力，所以钢件一般不会产生裂纹。当钢件冷却到MS点以下，钢发生马氏体相变时，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观的组织应力和热应力，因而易于产生淬火裂纹。因此，在MS

点以下缓冷可以获得碳浓度较低的马氏体，从而减少马氏体的正方度和组织应力，提高断裂抗力。另一方面，在马氏体区间内缓慢冷却，还能提高冷却后的钢的破断抗力，从而降低钢件的淬裂。

二、其它热处理裂纹

（1）回火裂纹

回火裂纹是在回火过程中工艺控制不当而产生的裂纹。在用淬透性好的钢，制造较大的工模具时，可能产生回火裂纹。

（2）冷处理裂纹

有些量具、精密机械零件，为了保证高的尺寸稳定性，需尽量减少残余奥氏体，通常采用零下800C的冷处理。工模具经过超低温处理可显著提高寿命。但是，如果冷处理不当将引起工件开裂。其主要原因是：1）工件淬火后，本身温度较高，这时如冷却速度加快，部分未转变的奥氏体进一步转变成马氏体，拉应力增大，在低温下材料的脆断抗力降低，当应力超过材料脆断抗力，则导致裂纹。2）由于工件尺寸过大，结构复杂，冷处理温度过低，冷处理所用介质冷却较快等，或增大原来的内应力，这些都可能形成冷处理裂纹。

（3）时效裂纹

有些合金在固溶处理时，碳化物全部溶入基体中，从而使合金脆化，这种材料的焊接件，在标准热处理时会产生应变时效裂纹。

（4）磨削裂纹

淬硬的工具钢零件，或经渗碳、渗氮共渗并进行淬火的零件，在随后的磨削加工时有时会出现大量的磨削裂纹。

（5）电镀裂纹

淬火零件在电镀时，或在电镀前的酸洗时，会产生具有内应力的表面层。同时由于工件和溶液作用产生的氢会渗入钢中，温度越高，吸附的氢量也越大。溶液的离解度越强烈，则工件吸附和渗入的氢含量也越多。如果淬火零件在酸、碱等化学活性介质中停留时间较长，零件中的内应力则可引起应力腐蚀。

总之，热处理缺陷裂纹产生的原因是多方面的，概述起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三方面的原因。热处理前可能因设计不良、原材料或毛坯缺陷等原因，如选材不当、热处理技术要求不当，断面急剧变化、锐角过渡、打标记处应力集中等不合理设计，热处理时产生裂纹，导致热处理缺陷。原材料的各种缺陷及热处理前各种加工工序缺陷，在热处理时也可导致热处理缺陷。热处理后，因后续加工工序不当或使用不当，还可能产生与热处理有联系的缺陷。

热处理缺陷种类较多，产生的原因多种多样，热处理中产生的缺陷的原因可能有工艺不当、操作不当、设备和环境条件不合适等。因此，为防止热处理缺陷发生，要从与热处理有关的

多方面着手解决，对热处理前、热处理中、热处理后各个相关环节进行控制，这就是要对热处理全过程进行全面质量控制。此外，还要加强对热处理缺陷研究，深入研究各种热处理缺陷产生的机理、新型热处理工艺缺陷，探讨减少和避免热处理缺陷新措施及补救方法。

参考文献：

[1]《金属材料与热处理》，刘玉茹主编

[2]《金属材料与热处理》，罗会昌主编

作者：张丽（1978-），女，汉族，盐城纺织职业技术学院机械教研室，研究方向：机械方面的教学与研究。