金属零件裂纹类型及预防措施

金属零件常见裂纹类型和预防措施南京科润技术中心王学平裂纹是钢铁零件最为忌讳的破坏性缺陷。

在零件加工生产过程中，必然会经历锻造、铸造或轧制、热处理、机械加工、磨削等一系列的工艺过程，常因材料或操作不当等原因引起各类裂纹的产生，往往在零件加工制作完成后才得以发现，将直接造成零件报废，影响产品的正常安装使用，带来一定的经济损失。

因此，为了避免各类裂纹缺陷的发生，，我们针对原材料，热处理，机械加工等工序可能会出现的裂纹特征、预防措施进行了探讨，从而在生产过程中对裂纹进行预防与控制。

（一）原材料裂纹原材料裂纹是工件表面和内部因冶金因素或上道工序不当而存在的裂纹缺陷，常发生于原材料的供货状态。

原材料缺陷如缩孔，疏松，白点，夹杂物、偏析等在锻造时，都有可能形成裂纹，致使工件报废。

1、特征原材料裂纹一般深度较深，裂痕清晰，呈直线或弯曲线条。

1.1 宏观特征：非金属夹杂物引起的裂纹呈锯齿形，且裂纹两侧和尾部有夹杂物分布，裂纹有粗变细，尾端呈圆凸状。

折叠裂纹，锻造热裂纹、铸造热裂纹主要为沿晶扩展，其形状粗细不均，曲折而不规则，常伴有树晶枝；裂纹表面呈氧化色或深褐色，无金属光泽，铸造钢件裂纹表面近似黑色，而铝合金则呈暗灰色。

铸造，锻造冷裂纹往往为穿晶扩展，外形呈宽度均匀细长的直线或折线状，两端有尖角，端口表面清洁，有金属光泽或 轻度氧化色，裂纹走向平滑。

1.2 折叠、锻造、铸造裂纹微观特征：裂纹两侧的显微组织与基体明显不同，有脱碳和氧化现象存在，如图1所示45钢转轴锻件热裂纹形貌为典型的原材料裂纹特征形态。

2、预防措施：⑴材料的化学成分应严格复合标准。

对有害元素S、P、O、N等容易形成夹杂物的元素及 Sn、Sb等微量元素应加以控制。

⑵ 严格控制冶炼浇铸过程。

这是提高材料纯净度，消除冶金缺陷，防止裂纹产生的重要环节。

⑶ 选择正确的铸造、锻造工艺。

铸造零件时，合理设置浇冒口的位置和尺寸，使铸件壁厚不均匀的部位均匀过度，采用合理的圆角尺寸，控制好金属模具的工作温度，开箱时间，冷却速度，以及合适的抽芯开模，确保铸件各部分的冷却速度尽量均匀一致，实现内外同时凝固，有效地减少裂纹倾向。

锻造零件时选用合适锻造设备，采用良好的加热和保温工艺，控制加热速度，保证工件各个部位的温度均匀一致，增大补缩能力，严格控制变形速度和变形温度，以防裂纹。

⑷采用适当的预前热处理，如球化退火，时效等手段及时消除铸锻件的内应力。

（二）淬火裂纹零件在淬火过程中，受到热应力和组织应力的双重作用，因零件加热和冷却速度过快，导致零件各部分温度差异大造成零件的淬裂现象，或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹（时效裂纹），叫做淬火裂纹。

造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。

1、淬火裂纹的特征在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。

淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布没有一定的规律，淬火裂纹起源于工件的应力集中部位，如孔、键槽、尖角及截面突变处，裂纹断面常有渗入水、油的痕迹，若水淬时，断面呈白色，暗白色或浅红色。

宏观特征：裂纹一般始端粗大，尾部细小，方向和分布没有一定的规律，在零件的纵横方向上均能呈现，深度一般不超过淬硬层深度，裂纹常有断续成串分布现象。

如加热温度高则局部位置会出现龟裂。

微观特征：在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂，主要以沿晶扩展形式延伸，有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。

如图2，40Cr沿晶扩展。

也有沿晶为主的混合型扩展形态，如图3，50钢淬裂混合型扩展。

因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。

因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。

表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。

这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。

2、非淬火裂纹的特征淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，可根据下面特征来区分：淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。

淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。

与此相对应的温度，大约在250℃以下。

在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。

所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。

如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。

原材料缺陷裂纹3、实例探讨１)、40Cr材质轴：，经锻造、淬火后发现裂纹。

裂纹两侧有氧化迹象，金相检验，裂纹两侧存在脱碳层，而且裂纹两侧的铁素体呈较大的柱状晶粒，其晶界与裂纹大致垂直。

结论：裂纹是在锻造时形成的非淬火裂纹。

当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。

随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。

当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。

由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。

２)、40Cr材质半轴套座：，淬火后出现开裂。

金相检验，裂纹两侧有全脱碳层，其中的铁素体呈粗大柱状晶粒，并与裂纹垂直。

全脱碳层内侧的组织为板条马氏体加少量托氏体，这种组织是正常淬火组织。

结论：在加工过程中未经锻造，因此属原材料带来的非淬火裂纹。

３)、齿轮铣刀：高速钢，淬火后在内孔壁上出现裂纹。

金相检验，发现裂纹附近的碳化物呈不均匀的带状分布。

结论：这是由于组织不均匀所造成的淬火裂纹。

当钢的显微组织中存在碳化物聚集时，这些 地方碳和合金元素的含量比较高，造成临界温度降低。

因此，即使是在正常的温度下进行淬火加热，对于碳化物聚集处来讲，加热温度已显得过高了。

其结果是这些地方出现过热组织，降低了钢的强度，淬火冷却时，在应力作用下产生开裂。

高速钢的碳化物不均匀性是这种钢的重要质量指标之一。

为减少或预防这类缺陷发生，冶金厂和使用厂都在不断采取措施，如使用厂用改锻工艺来均匀组织。

当碳化物不均匀性的改善程度受到限制时，可在保证硬度的前提下采用较低淬火加热温度来避免过热组织产生。

４)、W18Cr4V钢制模具，高温盐浴中加热后油冷，发现开裂。

从裂纹特征上看是冷却过快所致。

因工件截面较大，冷却时内外温差也大，当表面转变为马氏体时，内部仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使表层受内部体积胀大的作用承受很大的拉应力而开裂。

因此，可以判断为淬火裂纹。

4、淬火裂纹缺陷的预防淬火裂纹是常见的淬火缺陷，产生的原因是多方面的。

因热处理的缺陷是从产品设计开始的，故预防裂纹产生的工作应该从产品设计抓起。

要正确地选择材料、合理地进行结构设计，提出恰当的热处理技术要求，妥善安排工艺路线，选择合理的加热温度、保温时间、加热介质、冷却介质、冷却方法和操作方式等。

１、正确进行产品设计为预防淬火裂纹的产生，应依据产品的工作条件、使用要求、零件的截面尺寸等，正确地选 择材料，合理地提出热处理技术条件，在结构设计上，尽量满足热处理工艺性能的要求。

１.１ 材料选择材料选择一般应从经济性和技术性两方面进行考虑。

所谓经济性，即在满足性能要求的前提 下，选择价格便宜、工艺性好、不易淬裂的钢种。

而对于重要零件，从使用期和安全性出发，可选用较贵的、力学性能较好的材料。

技术性主要是指零件的服役性和工艺性。

零件的服役性指零件的受力状态及所需达到的力学性能:拉伸抗力、疲劳抗力、耐磨抗力、冲击抗力、耐蚀抗力等。

通过热处理可使零件满足上述一项或几项要求。

而零件的工艺性是为了进行加工和热处理，材料应有较好的可加工性和热处理性能，易于淬火，变形小，淬裂倾向性小。

经济性和技术性二者常常是矛盾的，在满足技术性的前提下，经综合分析对比做出选择，将材料费用、加工费用以及管理费用结合起来，使总的制造费用最低。

在满足上述条件下，还要考虑材料的淬裂倾向，从减小淬裂倾向出发，应注意以下问题：1)碳是影响淬裂倾向的一个重要因素。

碳含量提高，MS点降低，淬裂倾向增大。

因此，在满足基本性能如硬度、强度的条件下，应尽量选用较低的碳含量，以保证不易淬裂。

2)合金元素对淬裂倾向的影响，主要体现在对淬透性、MS点，晶粒度长大倾向、脱碳的影响上。

合金元素通过对淬透性的影响，从而影响到淬裂倾向。

一般来说，淬透性增加，淬裂性增加，但淬透性增加的同时，却可以使用冷却能力弱的淬火介质和减少淬火变形的方法来防止复杂零件的变形与裂纹。

因此，对于形状复杂的零件，为了避免淬火裂纹，选择淬透性好的钢，并用冷却能力弱的淬火介质是一个较好的方案。

合金元素对MS点影响较大，一般来说，MS 越低的钢，淬裂倾向越大，当MS点高时，相变生成的马氏体可能立刻被自回火，从而消除一部分相变应力，可以避免发生淬裂。

因此，当碳含量确定后，应选用少量的合金元素，或者含对MS点影响较小的元素的钢种。

3)选择钢材时，应考虑过热敏感性。

过热较敏感的钢，容易产生裂纹，所以在选择材料时应引起重视。

１.2.零件的结构设计零件在结构设计时，除要满足零件的使用功能外，还要注意其工艺性能。

1)断面尺寸均匀。

断面尺寸急剧变化的零件，在热处理时，由于产生内应力而产生裂纹。

故设计时尽量避免断面尺寸突变。

壁厚要均匀。

必要时可在与用途无直接关系的厚壁部位开孔。

孔应尽量做成通孔。

对于壁厚不同的零件，可进行分体设计，待热处理后，再进行组装。

2)圆角过渡。

当零件有棱角、尖角、沟槽和横孔时，这些部位很容易产生应力集中，从而导致零件淬裂。

为此，零件应尽量设计成不发生应力集中的形状，在尖角处和台阶处加工成圆角。

3)形状因素造成的冷却速度差异。

零件淬火时冷却速度的快、慢随零件形状的不同而不同。

即使在同一零件上不同的部位，也会因各种因素而造成冷却速度的不同。

因此要尽量避免过大的冷却差异，以防止淬火裂纹。

１.3.热处理技术条件1)尽量采用局部淬火或表面硬化。

局部淬火或表面硬化就可满足使用性能要求者，不要整体淬火。

淬火裂纹是同钢的马氏体相变联系在一起的，不淬火的部位不出现淬火裂纹。

因此，只要能满足工作要求，应尽量减少淬火硬化的程度和部位，不必追求高硬度和整体淬火。

2)根据零件服役条件需要，合理调整淬火件局部硬度。

局部淬火硬度要求较低时，尽量不强求整体硬度一致。

3)注意钢材的质量效应。

在确定热处理技术条件时，对于所选定的钢种，不能以该钢种所能达到的最高硬度值作为图样上规定的技术条件。