淬火裂紋分析

淬火裂紋1淬火裂紋：淬火工藝重要用于鋼件，是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過(guò)共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以不不大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度）下列（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱解決工藝。淬火裂紋是指在淬火過(guò)程中或在淬火后的室溫放置過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，后者又叫時(shí)效裂紋。裂紋的分布沒(méi)有一定的規(guī)律，但普通容易在工件的尖角、截面突變處形成。造成淬火開(kāi)裂的根本因素是拉應(yīng)力超出材料的斷裂強(qiáng)度，或者雖未超出材料的斷裂強(qiáng)度，但材料由于存在內(nèi)部缺點(diǎn)也會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。造成淬火開(kāi)裂的具體因素諸多，分析時(shí)應(yīng)根據(jù)裂紋特性加以分辨。2淬火裂紋的成因：馬氏體的本質(zhì)脆性是淬火裂紋的內(nèi)因，而馬氏體的晶體構(gòu)造、化學(xué)成分、冶金缺點(diǎn)等是馬氏體本質(zhì)脆性的影響因素；多個(gè)工藝條件、零件尺寸形狀等引發(fā)的宏觀內(nèi)應(yīng)力的大小、方向、分布狀態(tài)等是淬火裂紋的外因。下面將從微觀到宏觀，從內(nèi)部到外部對(duì)鋼件的淬火裂紋進(jìn)行分析。2.1馬氏體本質(zhì)脆性—鋼件淬火裂紋的內(nèi)因：眾所周知，中高碳鋼淬火后，其韌性低，脆性大，易產(chǎn)生顯微裂紋和宏觀開(kāi)裂。這重要是由馬氏體的本質(zhì)脆性決定的。而馬氏體的本質(zhì)脆性又決定于材料的冶金質(zhì)量、含碳量和合金元素、原始組織狀態(tài)、馬氏體的組織構(gòu)造、顯微應(yīng)力及顯微裂紋等。圖1淬火裂紋的宏觀形態(tài)圖2.1.1材料冶金質(zhì)量縮孔和嚴(yán)重的軋制缺點(diǎn)造成材料明顯的不均勻性，這時(shí)材料是不適宜進(jìn)行熱解決的。而不少材料的冶金缺點(diǎn)均可能單獨(dú)與宏觀或微觀的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生作用，促發(fā)淬火裂紋。這些冶金質(zhì)量問(wèn)題涉及：宏觀偏析、固溶體偏析、固溶氫、鍛軋缺點(diǎn)、夾渣、鐵素體珠光體帶狀組織及碳化物帶狀組織等。圖2沿夾雜物擴(kuò)展的淬火裂紋2.1.2材料含碳量和合金元素含碳量增加將減少馬氏體的斷裂強(qiáng)度。根據(jù)脆性固體理論斷裂強(qiáng)度：，其中E、d值與含碳量有關(guān)，含碳量提高，馬氏體中鐵原子間結(jié)合力減少，彈形模量也減少，鋼的斷裂強(qiáng)度也隨之減少。碳量增加，d值增加，使斷裂強(qiáng)度減少。而合金元素對(duì)淬火裂紋的影響不一，例如Mn、Cr、V、Mo等元素與C同樣，隨其含量的增加而淬裂傾向變大。然而，B元素較為特殊，B能有效地提高淬透性。稀土元素對(duì)淬裂的影響研究甚少，說(shuō)法不一。適量的稀土元素可減少位錯(cuò)移動(dòng)所需要的摩擦力，因而有減少脆性破斷傾向的作用。稀土元素富集于晶界，可凈化和強(qiáng)化晶界，使P等雜質(zhì)難以再偏集于晶界，可能起到減輕沿晶斷裂的作用。2.1.3原始組織狀態(tài)除了鋼中的化學(xué)成分以外，淬火前的原始組織構(gòu)造對(duì)洋裂的影響也很大。例如，片狀珠光體；馬氏體和貝氏體等非平衡組織；不均勻、網(wǎng)狀碳化物；非金屬夾雜物；鍛造過(guò)熱組織及流線等均可能造成或促發(fā)淬火開(kāi)裂。圖3不同形態(tài)珠光體組織對(duì)淬裂的影響1-細(xì)片狀珠光體；2-點(diǎn)狀珠光體；3-細(xì)粒狀珠光休；4-粗粒狀珠光體2.1.4馬氏體中的顯微裂紋馬氏體形成時(shí)容易產(chǎn)生顯微裂紋，這是指在中高碳鋼中，而低碳鋼的馬氏體組織中難以形成顯微裂紋。這是由于低碳馬氏體為平行的板條，互相碰撞的機(jī)會(huì)少，且本身的塑性高，能夠通過(guò)變形而使應(yīng)力松弛，不易產(chǎn)生顯微裂紋。而高碳馬氏體內(nèi)由于馬氏體片互相碰撞，片狀馬氏體又不能作對(duì)應(yīng)的形變來(lái)消除應(yīng)力，造成碰遇處得應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)就形成顯微裂紋。這種先天的缺點(diǎn)使高碳馬氏體進(jìn)一步增加了脆性，在其它應(yīng)力的作用下，顯微裂紋可能發(fā)展為宏觀開(kāi)裂。2.2淬火宏觀內(nèi)應(yīng)力—鋼件淬火裂紋的外因2.2.1零件尺寸和形狀若材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和原始組織都相似，但零件的尺寸、形狀不同，那么在相似的熱解決條件下，仍體現(xiàn)出不同的淬裂傾向。對(duì)普通鋼而言，過(guò)細(xì)或過(guò)粗的工件普通不會(huì)淬裂，大和久重雄認(rèn)為，水中淬火時(shí)，臨界直徑正是淬裂的危險(xiǎn)尺寸。臨界直徑是工件在一定的淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)，心部正好能夠得到50%馬氏體那樣大小的直徑。圖4臨界直徑DⅠ、含碳量與淬裂的關(guān)系淬火開(kāi)裂與工件的形狀有親密的關(guān)系，鋼件形狀影響淬火應(yīng)力的大小和分布。工件上的缺口、尖角、溝槽、孔穴及斷面急劇變化的部位都是淬火內(nèi)應(yīng)力集中處，是斷裂的危險(xiǎn)部位。2.2.2加熱不當(dāng)工件在熱解決時(shí)的加熱溫度、保溫時(shí)間和加熱設(shè)備（爐內(nèi)氛圍）等均能成為淬火裂紋的誘因。淬火加熱溫度愈高，淬裂傾向愈大。淬火溫度升高，加熱保溫時(shí)間延長(zhǎng)，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，則淬火馬氏體粗化、脆化，斷裂強(qiáng)度減少，這是淬裂傾向增大的根本因素。不容易發(fā)生淬裂的加熱爐是真空爐，另首先按電爐、鹽浴爐、火焰爐的次序排列易于產(chǎn)生淬火裂紋。重油爐、燃煤爐等火焰爐是最容易發(fā)生淬裂的爐型。圖5產(chǎn)生淬火裂紋試樣數(shù)目與淬火溫度間的關(guān)系（a）T10鋼水淬；（b）9CrSi鋼水淬和油淬2.2.3淬火冷卻的影響在淬火冷卻時(shí)，在兩個(gè)溫度范疇內(nèi)必須注意控制冷卻速度。其中一種區(qū)域是為了完全淬火硬化而需要快冷的臨界區(qū)域，為了使零件淬硬，在臨界區(qū)應(yīng)當(dāng)急冷。另一種區(qū)域是容易產(chǎn)生淬火裂紋的低溫區(qū)，在MS點(diǎn)溫度下列，在這個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，體積膨脹，產(chǎn)生第二類(lèi)畸變、第二類(lèi)應(yīng)力及宏觀熱解決應(yīng)力，可能造成淬火裂紋，因此稱(chēng)危險(xiǎn)區(qū)。在危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)當(dāng)盡量慢冷，以緩和淬火內(nèi)應(yīng)力。圖6淬火臨界區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)示意圖2.2.4淬火后加工解決零部件淬火后多進(jìn)行加工解決。按加工解決的性質(zhì)可分為熱加工、機(jī)械加工和化學(xué)加工三類(lèi)，以及它們的綜合應(yīng)用。淬后加工解決造成形成裂紋的過(guò)程是一種淬火宏觀、微觀內(nèi)應(yīng)力和顯微裂紋與淬后加工過(guò)程中出現(xiàn)的負(fù)荷應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力之間發(fā)生互相作用的過(guò)程。圖7零件淬火后的加工解決圖解3避免淬火開(kāi)裂的方法鋼件淬火開(kāi)裂與馬氏體的組織構(gòu)造、淬火內(nèi)應(yīng)力、工件的尺寸形狀及生產(chǎn)條件等因素有關(guān)，明確了這些影響因素為避免淬火開(kāi)裂采用對(duì)應(yīng)的方法提供了可能。本節(jié)重要從鋼材的選擇、淬火零部件的設(shè)計(jì)，合理制訂熱解決技術(shù)條件、選擇淬火介質(zhì)、選定淬火冷卻辦法等方面敘述在生產(chǎn)實(shí)踐中含有一定效果的避免鋼件淬火開(kāi)裂的辦法。3.1鋼材的選擇鋼材不同，淬火裂紋發(fā)生的幾率也不同。普通說(shuō)，鋼材含碳量越高或Cr、Mo含量越高，越容易發(fā)生淬裂。下圖表達(dá)水淬時(shí)淬裂傾向與鋼的化學(xué)成分的關(guān)系。圖中所示指數(shù)的負(fù)值越高，即為淬裂傾向越大。由于多個(gè)鋼材的淬裂傾向不同，在設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)根據(jù)性能規(guī)定，根據(jù)淬透性和脆硬性，從工藝和經(jīng)濟(jì)等角度綜合分析和選擇鋼材。圖8化學(xué)成分與淬裂的關(guān)系（水淬）3.2淬火零部件的設(shè)計(jì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)往往重要考慮材料的力學(xué)性能而無(wú)視熱解決工藝性能。有些零件從材料強(qiáng)度上看可能很合理，但從熱解決工藝角度分析，其形狀尺寸可能是不適宜的。為了避免零件在淬火急冷中開(kāi)裂，應(yīng)設(shè)法使其均熱均冷，均縮均脹。為此，在零件設(shè)計(jì)中要注意兩點(diǎn)：（1）斷面要均勻；（2）沒(méi)有缺口效應(yīng)。良好的設(shè)計(jì)規(guī)定截面厚度均勻、形狀對(duì)稱(chēng)、平滑過(guò)渡和加開(kāi)工藝孔。對(duì)于形狀復(fù)雜、尺寸較大（不不大于400mm）的大型凹模及薄而長(zhǎng)的凸模，應(yīng)采用分離鑲拼構(gòu)造，變繁為簡(jiǎn)，化大為小，變模具內(nèi)表面為外表面，既便于冷熱加工，又能夠有效減少淬裂傾向，提高產(chǎn)品合格率。圖9不均勻截面工件設(shè)計(jì)的改善（a）組合設(shè)計(jì)和加工藝孔；（b）設(shè)計(jì)通孔；（c）設(shè)計(jì)均勻截面3.3合理制訂熱解決技術(shù)條件設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零部件的工作條件和性能規(guī)定，合理地制訂熱解決技術(shù)條件。只要能滿(mǎn)足工作規(guī)定，應(yīng)盡量減少淬火硬化的程度和部位，不必盲目追求高硬度和整體淬火，而以局部硬化、表面硬化替代整體硬化，從而減少淬火裂紋。3.4選擇淬火介質(zhì)淬火介質(zhì)有固體、液體和氣體3種狀態(tài)的多個(gè)物質(zhì)。選擇淬火介質(zhì)要考慮以下因素：（1）淬火介質(zhì)的冷卻能力；（2）對(duì)畸變開(kāi)裂的影響；（3）經(jīng)濟(jì)性、耐久性；（4）安全可靠性等。抱負(fù)淬火介質(zhì)的冷卻曲線下圖所示。該介質(zhì)在過(guò)冷奧氏體分解最快的溫度下，含有最強(qiáng)的冷卻能力，而在靠近馬氏體點(diǎn)（MS）時(shí)冷卻能力又變得較為緩和，這樣就確保了硬化規(guī)定，并減小了淬火應(yīng)力，避免淬火畸變開(kāi)裂。多個(gè)鋼材的過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性不同，實(shí)際工件的尺寸不同，應(yīng)選擇不同的淬火介質(zhì)。盡管現(xiàn)在的淬火介質(zhì)種類(lèi)繁多，然而能同時(shí)適應(yīng)多個(gè)鋼材和不同尺寸工件的淬火劑是不存在的，只能根據(jù)具體狀況盡量合理地選用，并與多個(gè)淬火冷卻方式相配合。圖10C-曲線和抱負(fù)冷卻強(qiáng)度3.5選擇適宜的淬火冷卻辦法普通說(shuō)，淬火裂紋產(chǎn)生在淬火硬化部分。為了實(shí)現(xiàn)淬火硬化，必須從奧氏體化溫度以不不大于臨界冷卻速度進(jìn)行急冷。熱應(yīng)力和相變應(yīng)力之和是正值（拉應(yīng)力）還是負(fù)值（壓應(yīng)力），決定了淬火裂紋與否發(fā)生。為正值易裂，為負(fù)值則不易裂。為了避免淬裂，應(yīng)充足有效地運(yùn)用熱應(yīng)力，減少相變應(yīng)力。圖11冷卻速度與淬裂的關(guān)系（1）預(yù)冷淬火：把工件自?shī)W氏體化溫度取出，先行在空氣中預(yù)冷一段時(shí)間，使各部分溫差減小，或在技術(shù)條件允許的狀況下，令其最薄的截面處或棱角處產(chǎn)生部分非馬氏體組織，然后再進(jìn)行全部淬火。（2）雙液淬火：雙液淬火從單純避免淬火裂紋的觀點(diǎn)出發(fā)，核心是第二級(jí)淬火介質(zhì)的緩冷作用。先強(qiáng)冷后弱冷，如水-油、水-空、油-空氣等。（3）分級(jí)淬火：分級(jí)淬火是將工件從淬火溫度直接快速冷卻到MS點(diǎn)以上某一溫度，經(jīng)適宜時(shí)間保溫后空冷。如截面大、易變形開(kāi)裂的高碳鋼，應(yīng)采用兩到三次的分級(jí)淬火。（4）等溫淬火：將工件由淬火溫度以不不大于臨界淬火速度的冷速冷到MS點(diǎn)稍上某一溫度，保