热处理变形与裂纹

热处理变形与裂纹工件热处理后常产生变形和开裂，其结果不是报废，也要花大量工时进行修整。

工件变形和开裂是由于在冷、热加工中产生的应力所引起的。

当应力超过弹性极限时，工件产生变形；应力大于强度极限时，工件产生裂纹。

热处理中热应力和组织应力是怎样产生的？只有不断认识这个问题，才能采用各种工艺方法来减小和近控制这两种应力。

在加热和冷却时，由于工件热胀冷缩而产生的热应力和组织转变产生的组织应力是造成变形和开裂的主要原因，而原材料缺陷、工件结构形状等因素也促使裂纹的产生和发展。

后面主要叙述热处理操作中的变形和开裂产生原因及一般防止方法，也讨论原材料质量、结构形状等对变形和开裂的影响。

一、钢的缺陷类型1、缩孔：钢锭和铸件在最后凝固过程中，由于体积的收缩，得不到钢液填充，心部形成管状、喇叭状或分散的孔洞，称为缩孔。

缩孔将显著降低钢的机械性能。

2、气泡：钢锭在凝固过程中会析出大量的气体，有一部分残留在处于塑性状态的金属中，形成了气孔，称为气泡。

这种内壁光滑的孔洞，在轧制过程中沿轧制方向延伸，在钢材横截面的酸浸试样上则是圆形的，也叫针孔和小孔眼。

气泡将影响钢的机械性能，减小金属的截面，在热处理中有扩大纹的倾向。

3、疏松：钢锭和铸件在凝固过程中，因部分的液体最后凝固和放出气体，形成许多细小孔隙而造成钢的一种不致密现象，称为疏松。

疏松将降低钢的机械性能，影响机械加工的光洁度。

4、偏析：钢中由于某些因素的影响，而形成的化学成份不均匀现象，称为偏析。

如碳化物偏析是钢在凝固过程中，合金元素分别与碳元素结合，形成了碳化物。

碳化物（共晶碳化物）是一种非常坚硬的脆性物质，它的颗粒大小和形状不同，以网状、带状或堆集不均匀地分布于钢的基体中。

根据碳化物颗粒大小、分布情况、几何形状、数量多少将它分为八级。

一级的颗粒最小，分布最均匀且无方向性。

二级其次，八级最差。

碳化物偏析严重将显著降低钢的机械性能。

这种又常常出现于铸造状态的合金具钢和高速钢中。

对热处理工艺影响很大，如果有大块碳化物堆集或严重带状分布，聚集处含碳量较高，当较高温度淬火时，工件容易因过热而产生裂纹。

但为了避免产生裂纹，而降低淬火温度，结果又会使硬度和红硬性降低。

碳化物偏析严重将直接影响产品质量，降低使用寿命或过早报废。

5、非金属夹杂物：钢在冶炼、浇铸和冷凝等过程中，渗杂有不溶解的非金属元素的化合物，如氧化物、氮化物、硫化物和硅酸盐等、总称为非金属夹杂物。

钢中非金属夹杂物存在将破坏基体金属的连续性，影响钢的机械性能、物理性能、化学性能及工艺性能。

在热处理操作中降低塑性和强度而且夹杂物处易形成裂纹。

在使用过程中也容易造成局部应力集中，降低工件使用寿命。

夹杂物的存在还降低钢的耐腐蚀性能。

6、白点：钢经热加工后，在纵向断口上，发现有细小的裂纹，其形状为圆形或椭圆形的，呈银亮晶状斑点。

在横向热酸宏观试样上呈细长的发裂，显微观察裂缝穿过晶粒，裂缝附近不发现塑性变形，裂缝处无氧化与脱碳现象。

这种缺陷称为白点。

白点将显著降低横向塑性与韧性，在热处理中易形成开裂。

7、氧化与脱碳：钢铁在空气或氧化物气氛中加热时，表面形成一层松脆的氧化皮，称为氧化。

表面的碳被“燃烧”使表面的碳分减少或完全失去。

这种现象称为脱碳。

钢的表面脱碳将降低表层机械性能。

对需淬火的钢得不到所需的硬度，尤其工具钢和轴承钢热处理时会形成淬火软点。

高速工具钢会降低红硬性。

氮化零件氮化前表面脱碳，使氮在表层具有很大的饱和度，形成脆性。

8、过热和过烧：钢在加热时，超过正常加热温度或保时间过长，使奥氏体晶粒过于粗大的现象称为过热。

这将影响钢的机械化性能和工艺性能。

锻造时过热是形成裂纹的原因之一。

淬火过热后具有粗大的针状马氏体组织，韧性较低，也往往使淬火零件的内应力增大，产生变形与开裂。

过热还使钢出现严重的氧化与脱碳。

钢的加热温度接近于熔化温度，沿晶界处产生熔化或氧化现象，称为过烧。

过烧后钢的强度很低，脆性很大。

在锻造或热处理时必然会裂开，断口失去金属光泽。

钢的过烧是无法用热处理或其它方法补救。

9、脆性：金属材料，由于某些原因受力突然断裂，其韧性（有时是塑性）强烈下降，其它机械性能下降不大或不变（有的性能甚至反而上升如硬度），在断裂的过程中没有明显的变形特征，这种现象称为脆性。

脆性将显著地降低钢的冲击韧性与塑性，产生一次断裂。

10、疲劳：金属长期受不同形式的交变负荷作用时，在工作应力显著低于抗拉强度的应力下发生断裂的现象称为疲劳。

二、热处理基本应力:热处理基本的内应力可分为：工件因内外温差所引起的内应力称为“热应力”；工件内外组织不同时转变，或同一截面存在着组织不同造成比容差异所引起的内应力称为“组织应力”。

热处理后工件中的残留应力，就是在急冷过程中由于上述应力叠加作用的结果，所以又叫“残余应力”。

1、热应力：将钢件加热到组织转变点（A1）以下，随即急冷到室温，工件中的内应力是“热应力“。

热应力在工件上有三个方向情况，沿直径方向心部为拉应力，表面为零，一般不予考虑。

沿心轴方向和切线方向表面都是压应力，心部也同是拉应力，特别是心部轴向应力很大。

常见的大型轴类零件如轧辊等，因轴向残余热应力最大值是在工件半径的中心部位附近；再加上心部往往存在着气孔、夹杂、白点、锻造裂纹等缺陷，因些，在巨大轴向拉应力的作用下，成为断裂的起点，最终发展为横向断裂。

这是热应力对大工件造成不利的一面；但在急冷时热应力使工件表面产生压应力，对提高一般形状简单的小轴类零件抗疲劳能力是有利的。

急冷热应力有二个特点：一是使工件表面产生压应力，心部产生拉应力。

二是大型轴类零件心部轴向拉应力特别大。

2、组织应力：将奥氏体稳定性很高的铁镍合金试样自900℃缓冷至马氏体转变点（Ms）点330℃以上时，热应力可以认为在缓慢冷却并通过塑性变形等过程松驰掉。

当试样在330℃冰水中淬火，表面首先转变为马氏体，而心部仍然是奥氏体。

因马氏体比容大于奥氏体的比容。

所以表面先膨胀，而未发生组织转变的心部却阻碍其膨胀，这时表面承受心部的反抗作用是压应力而心部受拉应力。

在这两种比容不同所产生应力的作用下，引起心部不均匀塑性变形。

变形情况是工件体积在最大线度方向伸长工件表面趋向凹形，尖角突出。

心部继续冷却时，奥氏体也开始转变为马氏体要发生体积膨胀，因此，心部承受压应力，表面为拉应力。

这种应力一直残留到室温又叫残余组织应力。

组织应力的特点是工件表面受拉应力，心部受压应力。

而且靠近表面层切向拉应力大于轴向拉应力。

此外，工件在淬火时，由于钢的淬透性以及冷却速度不同往往不可能完全淬透，淬火后表面获得马氏体，心部仍然是珠光体型，因在同一截面上出现不同组织，所以比容有差别，这种由比容所引起的内应力也是组织应力。

其特点是在不同组织交界处附近产生很大的内应力，比容大的淬透层与心部交界处外产生压应力，界内产生拉应力。

从以上所讨论的情况来看，在急冷过程中，组织应力与热应力的分布恰好相反。

一般钢件加热到相变温度以下如奥氏体不锈钢、高锰钢无相变工件加热到淬火温度，急冷时都只能产生热应力；而对于急冷时有相变的工件则是组织应力和热应力同时产生。

所以一般工件淬火后产生的残余应力，是由热应力和组织上应力综合作用的结果。

还由于原材料化学成份和冶金质量差异，工件结构尺寸和形状的不同，冷却速度的快慢等等，影响因素远比上述分析复杂，困此在解决实际问题时，要做全面的分析，找出是热应力还是组织应力起主导作用，来判别变形趋向和裂纹产生的可能性。

通过各种措施以控制变形和防止裂纹的产生。

三、淬火变形产生的原因及防止方法工件因热处理引起的变形，可分为：形状变化——弯曲和翘曲。

体积变化——胀大和收缩。

由组织转变而引起的体积变化是热处理中不可避免的。

1、弯曲变形：（1）影响弯曲变形的因素：工件加热不均、冷却不当、形状特殊、冷加工时残余应力过大以及加热过程中工件自重等因素，都对产生弯曲变形有一定影响。

在热应力和组织应力的作用下，上述因素更促使变形的产生。

现结合生产中遇到的情况加以说明：（2）实例:(a)、加热不均造成变形：见附图“龙门剪刀片变形示意图，材料为GCr15，要求硬度为HRC58~60。

因为工件较长，在燃油炉中水平放置加热，淬火后发现侧弯3~5mm，校直困难。

分析原因：在炉中加热时靠炉底这个侧面加热缓慢，温度稍低，上部加热充分，温度较高，又因工作时翻动不够，使上下两面因温度差别而膨胀不一致淬油前就产生一定弯曲。

另外淬火后加热充那一面，奥氏体化均匀，溶入碳量较多，使上下两面马氏体比容差大，更加大了弯曲变形量。

所以在淬火时加热要均匀，保温要充分。

(b)、冷却浸入方式不对引起弯曲：见附图为棒状或平板形工件，不是垂直浸入冷却剂，造成先下水那一面先冷却收缩（热应力作用），当继续冷却时组织转变发生膨胀，上部冷却收缩成图b所示，工件再继续冷却时，上部也发生组织转变，弯曲只能得到稍有恢复。

（c）、截面形状不对称造成弯曲：工件截面不对称，淬入冷却剂后会产生截面各处冷却快慢的差别造成弯曲变形。

（d）、由于工件自重引起加热时弯曲：工件在炉中放置的方法不对，或者因为炉底的凹凸不平，以及工件的捆扎方法不正确，都会因自重而在加热时产生弯曲变形。

（e）、其它变形：高速钢、CR12等合金钢工件，在作分级淬火时，如分级温度较高，出炉后冷却不当，也会引起工件变形。

如高速钢薄片刀，一次500度分级淬火，出热浴后平放在地上，结果靠地面一边凸起，分析原因：从热浴中取出后，工件内部组织仍为过冷奥氏体，当平放于地面时，下面靠地面因先冷使组织先发生转变引起体积膨胀，引起变形。

如果出浴后悬挂空冷不注意，靠鼓风机一侧也会产生类似的情况。

又如几个工件捆扎或紧靠在一起时也会发生弯曲变形。

如两零件紧靠浸入冷却剂中冷却时因两内侧面冷却不良工件两面冷却速度不同便产生向外侧凸起弯曲变形。

靠边外侧硬度高，内侧硬度低。

（f）、冷加工残余应力引起热处理变形：如工件在热处理前存在着加工残余应力，则在热处理中加工残余应力会使工件发生变形：强烈磨削加工之后使工件在热处理时产生较大变形，在车削时产生的塑性变形造成热处理时有更大变形。

解决的方法是淬火前工件应进行550~600度低温退火以消除加工残余应力。

（3）、减少弯曲变形的措施：弯曲变形虽然可以校直，但增加了工作量，有时还会发生废品。

减少变形常用方法如下：（A）、正确选材和合理设计：对于形状复杂截面悬殊的零件，最好采用合金结构钢用油淬，以减少变形。

复杂的模具、量具可采用微变形钢用分级或等温淬火来减少变形。

在设计零件时不仅考虑承受外力和结构的需要，而且要考虑到热处理时变形和开裂，因此尽量采用对称截面。

（B）、正确选择浸入方式：正确的浸入方式主要考虑通过调整冷却顺序达到均匀冷却和防止汽泡产生目的。

（C）、采用加强筋：在预知淬火后的变形方向时，可在易变形方向上增加补强筋防止变形。