热处理应力对淬火裂纹的影响分析

康凯

摘要：淬火裂纹是热处理过程中不可修复的工艺缺陷，一旦产生，零件只能彻底报废。且淬火裂纹总是批次性产生，给生产带来巨大损失。淬火裂纹的产生是热应力或组织应力或两者同时作用的结果，常见的裂纹形式有纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹和剥离裂纹等几种形式。其中，纵向裂纹是人们发现最早的裂纹形式，虽然研究较多，但生产中仍不可避免地出现。

关键词：热处理应力；淬火裂纹；影响

引言

钢是机械制造中应用最广泛的金属材料，钢的强化和处理是工程材料的研究和应用的重要问题之一。强化钢的性能，有三个主要途径：1）合金化，调整钢的化学成分，加入合金元素；2）压力加工，进行锻、轧等；3）热处理，钢经热处理后，既可以改善工艺性能，也可以提高使用性能，从而可以充分发挥钢材的性能潜力。因此，无论在冶金生产和机械制造工业中热处理都占有重要的地位，热处理成为了强化金属材料、提高产品质量和寿命的主要途径之一。淬火是使机械零件性能达到规定技术指标的最终热处理工序，其主要目的是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。如经过淬火加高温回火，使机械零件获得最为良好的综合机械性能。淬火这种金属加工方法应用十分广泛，许多机械零件、各种刃具、模具、量具和滚动轴承几乎100%要进行淬火处理，淬火早已成为钢的最主要的强化方式。正因为如此，提高淬火质量，防止缺陷的产生，是机械零件和工具生产企业非常重视的问题。

1热处理淬火裂纹

工件热处理流程一般先加热再保温后冷却，能出现异常状况的环节有加热温度过高、加热炉内停留时间过长、冷却温度过低、冷却时间过长。加热温度过高将导致产品中奥氏体晶粒迅速长大，以致零件力学性能显著下降，或晶粒显著长大，断口表面呈小丘状粗晶结构，无金属光泽；加热炉内停留时间过长会使产品中奥氏体晶粒的晶界发生严重氧化甚至熔化，表面粗糙不平，断口为灰色无光泽。热处理淬火裂纹纵裂的基本宏观形态为“沿细长零件表面起裂，在沿纵向扩展的同时，又以垂直表面的方向向截面内部扩展，形成外宽内尖的楔形裂口。纵裂的扩展总是终止于截面的中心处附近，外观上总是显现瘦直而刚健的曲线，棱角性较强，在单条主裂纹两侧，沿晶界分布着细小裂纹等”，发现问题钢件的裂纹有相似的微观组织结构，不能排除热处理淬火裂纹。一般情况下快速光亮淬火油最佳使用温度为60℃-80℃，过高或过低都可能出现工件冷却不均，变形不一致，严重时致开裂。

2热处理裂纹产生的原因

热处理裂纹产生的原因是多方面的，除去材料本身或操作不当，还可能出现在加热温度、加热方法、冷却介质和冷却方法等方面。因故障产品的热处理过程工艺参数无法真实追溯，整个生产过程的可追溯性不强，不能准确界定产生于热处理过程中的某个环节。淬火裂纹是由内应力引起的。内应力分为热应力与相变应力。工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力。淬火工件在加热时，铁素体和渗碳体转变为奥氏体，冷却时又由奥氏体转变为马氏体。由于不同组织的比容不同，故加热冷却过程中必然要发生体积变化。热处理过程中由于工件表面与心部的温差使各部位组织转变不同时进行而产生的应力称为相变应力。淬火过程中，当工件中的内应力超过材料的屈服点，就可能产生塑性变形，内应力大于材料的抗拉强度，则工件将发生开裂。淬火裂纹是沿着奥氏体的晶界而扩展，有时在裂纹的两侧还有细小的裂纹，故裂纹为曲折状，晶粒越大则裂纹扩展越大，严重时造成穿晶断裂。淬火裂纹一般在马氏体相变温度区淬火时产生的，由于应力的重新分布导致的裂纹，一般在冷却5-7秒或10-60分钟后开裂。

3热处理应力对淬火裂纹的影响

淬火件不同部位上能引起应力集中的因素（包括冶金缺陷在内），对淬火裂纹的产生都有促进作用，但只有在拉应力场内（尤其是在最大拉应力下）才会表现出来；若在压应力场内并无促裂作用。淬火冷却速度是一个能影响淬火质量并决定残余应力的重要因素，也是一个能对淬火裂纹赋于重要乃至决定性影响的因素。为了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内的冷却速度，并超过钢的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而言，这样做能增加抵消组织应力作用的热应力值，从而减少工件表面上的拉应力而达到抑制裂纹的目的。其效果将随高温冷却速度的加快而增大。而且，在能淬透的情况下，工件的截面尺寸越大，虽然实际冷却速度更缓，但开裂的危险性却反而愈大。这一切都是由于这类钢的热应力随尺寸的增大实际冷却速度减慢，热应力减小；组织应力随尺寸的增大而增加，最后形成以组织应力为主的拉应力作用在工件表面，并与冷却愈慢应力愈小的传统观念大相径庭。对这类钢件而言，在正常条件下淬火的高淬透性钢件中只能形成纵裂。避免淬裂的可靠原则是设法减小截面内外马氏体转变的不等时性。一般情况下，产生在非淬透性件中的弧裂，虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因，却不是快速冷却（包括马氏体转变区内）本身，而是淬火件局部位置（由几何结构决定），在高温临界温度区内的冷却速度显著减缓，因而没有淬硬所致。产生在大型非淬透性件中的横断和纵裂，是由以热应力为主要成分的残余拉应力作用在淬火件未淬硬的截面中心处首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的，为了避免这类裂纹产生，往往使用水一油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却，目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织。而从内应力的角度来看，这时快冷有害无益；其次，冷却后期缓冷的目的，主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值，而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度，从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的。

4防止淬火裂纹产生的措施

综上所述，影响淬火质量的因素比较复杂，材料本身存在的冶金或加工缺陷，材质选择不当及零件结构工艺性不合理，热处理工艺制订及控制不当等都可能造成淬火缺陷。而淬火裂纹是应绝对避免的缺陷，否则零件只能报废。防止裂纹产生的措施主要有：1）正确选材。对形状复杂，截面变化较大的零件，应选用高淬透性钢。2）合理进行零件的结构设计。尽量减少不对称性，避免截面尺寸相差悬殊，避免尖角等，以减小应力集中。3）选择和制订合理的淬火工艺。正确选择淬火加热温度（如尽量采用下限温度），加热方式、淬火冷却介质和冷却方式（如尽可能选择冷却缓慢的淬火介质或采用双介质淬火）以及淬火后及时回火。

结语

在机械制造过程中,钢制零部件的淬火处理中,常常出现淬火裂纹,致使工件报废,导致钢材、加工费的损失。淬火裂纹形态多种多样,有纵向裂纹、横向裂纹,网状裂纹和应力集中裂纹等。掌握不同裂纹形态的原因,熟悉其产生的规律性,预防淬裂,提升成品率,具有至关重要的意义。

参考文献:

[1]唐在兴，薄鑫涛.不锈钢概要及热处理[J].热处理技术与装备，2011（04）.

[4]钢的热处理裂纹和变形编写组.钢的热处理裂纹和变形[M].北京：机械工业出版社，1978.