《金属热处理缺陷分析及案例》完整版共82页
钢铁热处理缺陷的分析
钢铁热处理缺陷的分析摘要:本文对钢铁进行热处理时常见缺陷进行了分析,也列举了若干个实例,以及避免缺陷出现的措施.关键词:过热淬火开裂热处理是很多机械零件在加工过程中要经历的一道工序.热处理一般分为三个阶段,即加热保温,冷却.在为了进行热处理而进行加热的初期,一般会出现如下一些问题:1.当零件加热过快时,尤其是大型零件,其表面温度快速升高,发生热膨胀,而内层温度升高缓慢,热膨胀与表层不同步,产生热应力;2.零件加热温度过高或者保温时间过长时,零件会发生显著的氧化,脱碳,甚至过烧3.用导热性差的纲制造的零件,当没有加热透就进行塑性加工,则零件的中心部位会产生裂纹;4.如果零件仅从一边或局部强烈地加热,会出现加热不均匀的现象;下面逐一进行分析:一.加热初期产生缺陷如果开始加热时,加热速度过快或者非整体加热,产生的缺陷会导致零件的损坏.例如,某传动装置中的小齿轮轴,材料是铬钼纲50crmo,在不大的弯曲应力作用下,仅仅使用了三个月,就破坏了.为了修理,在轴的中心加工了一个孔,发现在该轴内部还有第二个裂纹.破坏是从这第二个内部裂纹扩展到大部分断面的.以这个内部裂纹为起源.在使用载荷作用下,产生了两个疲劳裂纹.对该轴作纵断面的抛光检查,发现破坏的起始点是具有带状偏析的地方.这种带状偏析在大型锻件中经常出现,原因就是加热速度过快,原子没有来得及扩散均匀.在超载的情况下,偏析组织强度低,承受不住载荷的作用,产生了裂纹而使得齿轮轴破坏.某钢制厚壁容器,调质后在u型内侧的圆角处作为起点,产生了纵向裂纹.在容器的横断面的抛光面上进行鲍曼试验,证实容器的纯度很高.在裂纹及其附近可以明显地看到氧化皮,以及脱碳的现象.根据这个现象倒推,氧化皮和脱碳是在热处理(调质)时出现的.容器是在冷的状态下装进淬火炉的.加热过快,膨胀不一致导致产生了裂纹.对容器打孔是为了阻止薄弱区域的延伸,但是反而加剧了应力的集中.应该在热处理以后再打孔才是适宜的.用31CrMoV钢制的渗氮活塞杆,热处理后矫直时产生了破裂.根据裂纹的颜色,剖开后观察,活塞杆先是产生了纵向的弯曲裂纹,矫直时该弯曲裂纹进一步扩展,才最终造成了活塞杆的破坏.通过表面腐蚀可以看到,活塞杆的破坏处,有加热留下的小点状,这些小点状是调质组织发生了变化,析出了铁素体.由此可知,活塞杆矫直时的加热,温度超过了750度,氮化物聚集成球状,导致表面硬度有比较大的降低.总之,为了矫直活塞杆而对活塞杆进行快速加热的方法是不合适的.渗氮层回火到500度以下是稳定的.所以,矫直时,在低温下进行均匀的加热,是允许的.另外,一般对渗氮的零件,不需要矫正.原因是渗蛋温度比较低,渗氮后冷却也慢,所以残余应力小,能够防止零件产生变形.当然,在实际操作中,有些细节要加以注意,就是当零件装入渗氮炉时,要注意别使应力增加,要防止零件因自重而造成弯曲,最好在炉中吊装零件.尤其是高速钢,因为其导热型差,传热慢,在锻造和淬火时,必须进行整体缓慢而充分地加热.二.加热后出现氧化皮加热时零件表面通常都会产生氧化皮,如果只是在一定范围内,而且只是在加热时产生,一般不认为是损害事故,虽然零件表层因为氧化而失去了大量的金属.氧化皮的厚度随着时间以抛物线的规律增加.炉中的多种气体,不论是过剩的氧,还是二氧化碳,还是水蒸气,都可以发生氧化反应形成氧化皮,尤其是硫化氢会促进氧化皮的产生.氧化皮出现以后,可以通过酸洗去掉,也可以通过机械加工去除.但是也有特殊情况.就是,含铜的钢,用酸洗的方法很难除去氧化皮,而且还会使零件表面产生缺陷.城市煤气不含水蒸汽,氧很少,如果燃烧时温度高,工件表层容易形成鳞片层.原因是氧侵入奥氏体晶界,并与金属原子结合所致.宏观上,鳞片层呈桔皮状或者鳄鱼皮状,工件进行热锻或者冷塑性加工,表明附近很容易形成初期裂纹.如果钢中成分含有铜,会更严重.解决办法是,避免长时间加热及过热,把气体中氧的浓度控制在百分之一到百分之二,以及钢中含铜尽量低.如果加热温度过高或者时间过长,则会形成粗大的晶粒,并在晶界上析出微小氧化物,锻造时会造成开裂.这种现象称为过烧.过烧与过热不同,过烧不能通过热处理进行改善,只有通过热锻才可以消除.某钢丝直径5.8毫米,铅浴淬火后的组织发生了晶界氧化,拉拔时开裂.此钢含有0.16%的铜.最外面包围着条状奥氏体晶界,显微镜下呈褐色,是非金属夹杂物.开裂的原因正如上面的分析.某耐热钢15Mo3制成壁厚9毫米的无缝热拉锅炉水管,管子内填充沙子,进行热弯曲变形,拉拔生成的纤维组织处,产生了很多裂纹.分析其化学成分,碳0.13%,硅0.17%,锰0.53%,磷0.032%,硫0.022%,钼0.26%,以及无意添加的铜0.26%.管子的弯曲部分是含微量铁素体的粗大晶粒组织,管子的直线部分是铁素体加细晶粒的朱光体,所以导致弯曲时强烈过热了,并在表明附着了较多的鳞片组织,鳞片层下的铁中,有金属铜的析出,在母相附近的亚表面,有氧化物析出,也有细小的铜的析出,析出的氧化物沿着奥氏体晶界,深度达到3毫米.这种表层深处发生过烧并伴随铜的析出的缺陷被称为红热脆.三.加热后开裂某沸腾钢抗拉强度大于370兆帕,其使用无温控的锻造设备,钢棒发生过烧,把钢棒锻出刀刃时产生开裂.沿刀刃垂直剖开,晶粒很粗大,开裂发生在夹杂物覆盖的奥氏体晶界处.由此可以看出,刀刃在锻后淬火了,由于钢棒晶粒较粗,尽管含碳量不高,只有0.17%,锻后冷却时组织还是全部变成了马氏体.小结:钢铁产品进行热处理是非常普遍的,也非常重要,所以,在操作过程中,要特别注意预防各种缺陷,以免出现不必要的损失和浪费.。
球墨铸铁热处理缺陷分析PPT资料优选版
过烧区域出现网状过烧裂纹，严重时使 工件直接报废。
图1 针状马氏体的形成过程示意 图
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1.过烧裂纹
裂纹呈网状，加晶界热有氧温化或度熔化高现象产(图3生)。 过烧，石墨溶解，所以裂纹周围石墨与基
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球墨铸铁热处理缺陷分析
制作人：郭静静 榆林职业技术学院
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过热时晶粒粗大，马氏体片的大小取决 于奥氏体晶粒的大小，最终淬火出现粗大 针状马氏体,如图1所示。
图3 过烧组织x500 莱氏体及渗碳体组织
过烧区域由于石墨溶解造成富碳区，形成渗碳体与奥氏 过热时晶粒粗大，马氏体片的大小取决于奥氏体晶粒的大小，最终淬火出现粗大针状马氏体,如图1所示。
图4组织为石墨+粗大马氏体+残余奥氏体，是过热组织。
球墨铸铁热处理缺陷分析
工 球件墨过铸热 铁体过 热烧 处共金 理相 缺晶组 陷织 分，的析特当点 过冷时奥氏体分解为珠光体，珠光体分布在渗
过烧区域出现网状过烧裂纹，严重时使工件直接报废。
过烧区域出现网状过烧裂纹，严重时使工件直接报废。
晶粒度体均匀分布的石墨(图2)相比明显少。裂纹呈网状，晶界有氧
过烧区域出现网状过烧裂纹，严重时使工件直接报废。
球墨铸铁热处理缺陷分析
图1 针状化马氏或体的熔形成化过程现示意象图(图3)。
过热时晶粒粗大，马氏体片的大小取决于奥氏体晶粒的大小，最终淬火出现粗大针状马氏体,如图1所示。
材料学-第七讲 热处理缺陷及防治讲解
一般情况下，带状组织可以通过多次正火或扩散退火得以消除和改善。
2、带状组织的危害 带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的
带状组织
100倍率下钢板明显的带状组织
带状组织
1、带状组织形成的原因 金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。
但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分 布的组织，即形成带状组织。形成带状组织的原因各不相同，归纳起 来大致有2种原因：
a．由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质， 压延时，杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就 成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分 布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
• 为了改善铸钢件的性能，可采用完全退火，将粗大的铸态 魏氏组织转变为一般的铁素体和珠光体组织。完全退火是 以降低硬度和改善韧性为目的的一种热处理方法，将铸钢 加热到相变温度Ac3以上30～60℃，随后缓慢冷却，加热 保温时间以壁厚每25mm加热保温1h计算。
带状组织
（banded structure）
热处理缺陷及防治
脱碳
• 脱碳 脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程
就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化 碳。其化学方程式如下；
2Fe3C+O2＝6Fe+2CO Fe3C+2H2＝3Fe+CH4 Fe3C+H2O＝3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2＝3Fe+2CO 这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳， 而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。 对大多数钢来说，脱碳会使其性能变坏，故均视为缺 陷。特别是高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳 更是一种严重的缺陷。
金属热处理过程中的硬度、力学性能及组织不合格问题解析
金属热处理过程中的硬度、力学性能及组织不合格问题解析1. 硬度不合格金属材料的硬度与其静拉伸强度和疲劳强度存在一定的经验关系，并与金属的冷成形性、切削加工性和焊接性能等加工工艺性能存在某种程度的关系；硬度试验不损坏工件，测试简单，数据直观，故而被广泛用作热处理工件的最重要的质量检验指标，不少工件还是其唯一的技术要求。
硬度不合格是最常见的热处理缺陷之一。
主要表现为硬度不足、淬火冷却速度不够、表面脱碳、钢材淬透性不够、淬火后残余奥氏体过多、回火不足等因素造成的。
淬火工件在局部区域出现硬度偏低的现象叫做软点。
软点区域的围观组织多为马氏体和沿原奥氏体晶界分布的托氏体混合组织。
软点或硬度不均匀通常是由于淬火加热不均匀或淬火冷却不均匀所引起。
加热时炉温不均匀，加热温度或保温时间不足是造成加热不均匀的主要原因。
冷却不均匀主要由于淬火冷时工件表面附着着淬火介质的气泡、淬火介质被污染（例如水中有油悬浮珠）或淬火介质搅动不充分所造成的。
此外，钢材组织过于粗大，存在严重偏析，大块碳化物或大块自由铁素体也会造成淬火不均匀形成软点。
1.1 软点淬火加热的目的是使工件在淬火过程中完成组织转变。
为此，必须加热到适当温度并有足够保温时间。
加热温度偏低和保温时间不足使得原珠光体组织未能完全转变为奥氏体和转变的奥氏体成分不均匀，淬火后得不到完全马氏体组织，结果使工件淬火后形成软点。
图1为T12钢制造的手用丝锥因加热不足形成的显微组织：细针马氏体+淬火托氏体+珠光体。
性能上表现为硬度不均匀。
▲图1 T12A钢加热不足的显微组织1-细针马氏体 2-淬火托氏体 3-珠光体淬火介质搅拌不充分，工件在淬火介质中移动不够或者工件进入介质方向不对时，往往延迟了工件表面某些部位的蒸汽膜破裂，导致该处冷却速度降低，从而出现高温分解产物，形成软点或局部硬度下降。
水蒸气膜比盐水稳定，因此软点更易在水淬的工件上形成。
水和水溶液的温度越高越容易产生软点。
淬透性较差的碳钢，工件截面较大时容易出现软点。
14金属热处理38页PPT
点缺陷
线缺陷
面缺陷
点缺陷的特点是在空间三维方 向上的尺寸都很小，约为几个
原子间距，又称零维缺陷
⑴空位 ⑵间隙原子 ⑶置换 原子，
点缺陷
§1.4 金属晶体缺陷
点缺陷
线缺陷
面缺陷
线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的 原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子 发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个 直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以
gas constant, 1.987cal/mol·K; and T is the
temperature in degrees Kelvin.
Example:
Design a heat treatment that will provide 1000 times more vacancies in copper than are normally present at room temperature. About 20000 cal/mol are required to produce a vacancy in copper. The lattice parameter of FCC copper is 0.36151nm.
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面缺陷
面缺陷
面缺陷
晶带和晶带轴
平行于或者相交于同一直线的 一组晶面组成一个晶带，而该 直线叫做晶带轴。
在多相组织中，具有不同晶 体结构的两相之间的分界面
称为相界。
Example:
Determine the number of vacancies needed for a BCC iron lattice to have a density of 7.87g/cm3. The lattice parameter of the iron is 2.866x10-8cm. The atomic mass of iron is 55.847g/mol. Avogadro’s number is 6.02x1023/mol.
常见金属热处理缺陷研究
45#金相显微照片
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45#钢边缘到心部的组织变化
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边缘半脱碳层较薄，白色的为铁素体， 黑色的为珠光体，铁素体的转变量明显大 于黑色珠光体组织，导致硬度强度降低， 失去了使用性能 。
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正常组织与缺陷组织的组织比较
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45#钢的正常组织扫描电镜图
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正常组织与缺陷组织的硬度比较
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3.过热：15#钢由于过热造成了晶粒粗大，并且 形成了一条沿晶界开裂的裂纹。945钢为典型 的船用钢，由于淬火温度过高，形成了粗大的 板条马氏体及残余奥氏体。 4.过烧：由于过烧，W18Cr4V晶界已经局部融化， 产生鱼骨状的莱氏体共晶组织。存在局部融化 的工件不能再用热处理的方法补救，应予报 废 。
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15#钢的晶粒粗大组织
图中组 织晶粒粗 大。同时 我们还可 以看到一 条明显的 裂纹，沿 晶界分布。
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945钢的过热组织
945钢为 本质细晶粒 钢，但是由 于加热温度 远远超过奥 氏体化温度 以上所以造 成了严重的 晶粒粗大。
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945钢的过热组织
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945钢的过热组织
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各种缺陷组织的硬度比较
各种缺陷组织的硬度 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 材料
45#钢1正常组织 945钢晶粒粗大 15#钢晶粒粗大 W18Cr4V过烧 45#钢2欠热组织 45#钢3魏氏组织 45#钢4脱碳组织
HV
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结论
1.脱碳：通过45#钢的组织分析得出试样边缘的铁素 体转变量远远大于珠光体转变量 。通过显微硬度 测试，试样心部的硬度大于边缘的硬度。 2.魏氏组织：45#钢中铁素体沿晶界呈网络状分布， 在晶内形成羽毛状和垂直状的混合型魏氏组织。 通过显微硬度测试，其硬度大约为HV255.32,低于 正常硬度，因此魏氏组织影响了材料的性能，塑 性和冲击韧性较低。
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C、加热参数合理：
▪ （1）、介质：真空、保护气氛、电 阻、盐浴、火焰炉淬裂倾向逐渐增大。
▪ （2）、加热速度：对碳素钢、低合 金钢和中合金钢可较快速度加热；对 高碳高合金钢要合适；对大、复杂的 高锰钢、不锈钢、高速钢和高碳合金 钢采用限制加热速度或预热法。
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碳氮共渗并淬火的零件。 ▪ 电镀裂纹：由于内应力引起应力腐蚀裂
纹。
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第三章 热处理变形
▪ 一、产生原因：热处理应力引起。 ▪ 二、对质量影响最大：淬火变形。 ▪ 三、类别：尺寸变化和形状畸变。 ▪ 四、影响因素： ▪ 1、成分(Mn、Cr、Si、Ni、Mo、B等
降低Ms点，减小淬火变形)。 ▪ 工业上应用：微变形钢（含较多的Si、
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（2）、第二类热处理缺陷：
▪ 热处理中最常见的缺陷是变形，其 中淬火变形占多数。产生原因是：相 变和热应力。
▪ (3)、第三类热处理缺陷：
▪ 发生频率和严重性较低，如残余应 力、组织不合格、性能不合格、脆性 及其它缺陷。
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3、热处理缺陷产生原因：
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B、合理安排工艺路线
▪ （1）、形状复杂精度高的零件，粗精加 工之间的淬火前应安排去应力退火。
▪ （2）、大截面零件（直径或厚度＞50） 的高碳钢：淬火前正火。小截面高碳钢件 淬火前应球化退火。
▪ （3）、淬火前应消除亚共析钢的魏氏组 织。
▪ （4）、高铬钢、轴承钢和高速钢：避免 偏析，严重时应降低淬火温度。
第四章 残余应力
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§3 淬火和正火
一、 淬火 淬火是将钢件加热到 或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的速度冷却 获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。 目的：提高钢件的硬度和耐磨性，淬火＋不同回火，获得各种需要的性能，是强化 钢的主要方法。
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淬火介质：淬火冷却时所用的介质。 钢的种类不同，淬火介质不同，常用介质：水、油。 水便宜，冷却能力较强，碳素钢件用的多。 油冷却能力较水低、成本高，但是，可以防止工件产生裂纹等缺陷，主要用于合金 钢淬火的场合。
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二 、回火
回 火 是 钢 件 淬 硬 后 ， 再 加 热 至 Ac1以 下 的 某 一 温 度 ， 保 温 一 定 时 间 ， 然 后 冷 却 到 室 温的热处理工艺。
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二、正火
正火是将钢材或钢件加热到或Accm以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止空气 中冷却的热处理工艺。
把钢件加热到以上100～150℃的正火则称为高温正火。 与退火类似，冷却速度比退火快。钢件正火后的强度和硬度比退火稍高，但消除残 余应力不彻底。又操作简便、生产率高，所以，正火常优先采用。低碳钢件可代替退火。
刃具、量具、 冷冲模等
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弹簧、钢丝绳 等
35～50
连杆、齿轮及 轴类
20～30
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§4 表面热处理和化学热处理
一、表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的：为了获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，提高工件的硬度和耐磨性。 表面淬火加热的方法很多，如感应加热、火焰加热、电接触加热、激光加热等。