熱處理裂紋大型零件淬火裂紋

⑴大型零件淬火殘余應力為熱應力型

淬火介質的冷卻能力越強、截面尺寸越大、加熱溫度越高,淬火殘余應力越大。

⑵應力作用方式與開裂原因

冷卻末期，外層金屬已冷到低溫，內部金屬的溫度必然高于外層。當其繼續(xù)降溫時，因伴隨體積收縮受到外層金屬的強力約束，而在中心部位產(chǎn)生三維拉應力，最大拉應力作用在截面的中心處。金屬力學性能理論表明，金屬在三維拉應力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，極易產(chǎn)生低應力脆性斷裂；這就是具有珠光體組織的大件心部金屬，在熱應力型應力作用下形成裂紋的根本原因。

⑶斷口特征

①短圓柱型：

常為縱向裂開，當高度為直徑的兩倍左右時，有橫斷現(xiàn)象。多見于碳素工具鋼，這些零件中心往往存在網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的強度并沿其擴展。

②軸類：

當軸向與切向最大拉應力超過零件中心處材料的強度時，首先在該處開裂。隨后在淬火應力的作用下，裂紋分別沿縱向和橫向由內向外擴展，直到在外表面露出裂紋。但是裂紋也可能終止于內部某處成為內裂。當殘余應力足夠大時，可能在淬火末期自行完全斷開。然而更多時候是在露出零件表面裂紋的基礎上，通過機加工等辦法而顯現(xiàn)。在長度遠大于直徑的時候，橫斷比縱裂更多見，而且同一零件上可能產(chǎn)生多處橫斷或縱裂。裂紋源通常位于截面中心處，當截面中心附近區(qū)域存在冶金缺陷時，裂紋源才可能偏離截面中心處。

③齒圈類：

一般為中碳鑄鋼制造，只能形成徑向裂紋。裂源為橫斷面的幾何中心處或鑄造的熱節(jié)點處，并由此通過齒圈中心的徑向面，由里向外擴展，最終裂開。

④炸裂的內裂：

炸裂是有傷害危險的開裂，應注意防范。炸裂發(fā)生在冷卻末期以后。

⑤斷口特征：

斷裂面平齊，無明顯塑性變形發(fā)生，呈典型的脆性斷口。

⑷內部冶金缺陷的作用

大件截面中心及其附近，是熱應力型應力的最大拉應力存在和作用的位置，這里又是許多冶金缺陷產(chǎn)生或存在的部位。這些缺陷是重要的促裂、誘裂因素，也是大件淬裂的天然裂源和直接原因。由于種種原因的制約與影響，我國大型鑄鍛件的綜合冶金質量還很不理想，因而成為影響大件淬裂的最重要的實際因素之一。

應當注意的是：存在于大型零件表面上的一切能引起應力集中效應的因素，在淬火過程中，決無誘發(fā)和促進裂紋作用。故此，熱處理之前不必要清除大型鑄鍛件的表面缺陷。

⑸大件淬裂的預防措施

①利用熱處理基本應力的交互作用和雙重作用特征，設計或改進大件的淬火工藝；

②利用預冷降溫的方法；

③淬火冷卻不進行到低溫；

④及時回火注意回火冷卻方法。

熱處理裂紋形成條件

應同時具備整體快速冷卻、不能淬透、具有弧裂的幾何敏感部位的結構形式。

熱處理裂紋結構形式

有孔洞、凹面和碗面、截面尺寸突變、軸肩。

熱處理裂紋緩冷效應

具有上述結構形式在淬火冷卻過程中的主要作用是顯著降低那里的實際冷卻速度，產(chǎn)生緩冷效應。

熱處理裂紋組織

幾何敏感部位緩冷效應，要么使局部未淬硬產(chǎn)生淬火屈氏體并處在馬氏體的包圍之中（在金相的宏觀或微觀上可看出）；要么淬硬層被局部明顯減薄。在熱處理生產(chǎn)中產(chǎn)生的弧裂中，前一種占絕大多數(shù)。

熱處理裂紋擴展方式

弧裂首先在幾何敏感部位的表面上形成，并由此沿曲（?。┟嫦认蚪孛鎯炔慷ㄏ驍U展，嚴重時可穿越零件的其余截面，再向零件的外表面延伸，直到在那里呈弧形露出；嚴重時常使相應部位沿弧裂脫落（或經(jīng)敲擊即可脫落）。開裂面通常為形狀各異的曲（弧）面，最典型的是從幾個不同的方向觀察時都呈弧形，是判定弧裂的重要依據(jù)。對存在于幾何敏感部位上并可引起應力集中效應的因素（如尖銳拐角），并不誘發(fā)或促進弧裂的產(chǎn)生。

熱處理裂紋預防措施

①實施局部強冷：

對于可能引起弧裂的零件，要考慮對幾何敏感部位進行局部強冷（高溫區(qū)間）的可能性和實施方法。

②實施局部弱冷：

對于可能引起弧裂的零件，要考慮對幾何敏感部位進行局部弱冷（高溫區(qū)間）的可能性和實施方法。最典型的當屬堵孔淬火，讓孔內在高溫區(qū)內冷速更緩，并全部轉變成屈氏體組織。

③實施低溫區(qū)緩冷的淬火方法。

熱處理裂紋宏觀形態(tài)

沿細長零件表面啟裂，在沿縱向擴展的同時，又以垂直表面的方向向截面內部擴展，形成外寬內尖的楔形裂口?？v裂的擴展總是終止于截面的中心處附近，外觀上看縱向單條裂紋和橫截面上的楔形裂口，是縱裂的基本宏觀形態(tài)。

熱處理裂紋形成條件

淬透是縱裂形成的必要條件。小工件淬透后的應力狀態(tài)屬于組織應力型殘余應力，一般情況下組織應力的切向應力顯著大于軸向應力。因此形成組織應力型殘余應力是縱裂的應力條件。

熱處理裂紋預防措施

①采用較緩慢的冷卻介質，如油等 。也可用水、油雙液淬火，但水、油雙液淬火對于一些小件無實際使用價值。

②工件加熱避免過熱，出爐后可適當預冷，淬火后及時回火。

③加強技術管理技術培訓，切實對有關工藝操作人員進行淬裂理論教育。

熱處理裂紋形成條件

①只能產(chǎn)生在尖棱角或外輪廓的附近；

②快速淬火冷卻條件下；

上述兩項決定了裂紋形成處的組織應力值極大（組織轉變快，截面溫差?。?。并且裂紋形成于淬火初期，此后隨著冷卻時間的延長，裂紋迅速擴展。在制定熱處理工藝時必須要了解邊廓裂紋的這個特點。

熱處理裂紋宏觀特征

在輪廓或邊棱的附近，并與之基本平行的單條或多條毛細裂紋；外寬內尖與零件外表面基本垂直且裂紋較淺。

熱處理裂紋因素影響

①邊廓裂紋在較低的淬火溫度下就能產(chǎn)生，正常淬火溫度已發(fā)育長大，過熱條件下嚴重擴展。

②一般應力集中因素不產(chǎn)生影響，但表面機加工刀痕例外。在具有圓形輪廓的淬火零件上，邊棱附近產(chǎn)生的邊廓裂紋，幾乎都是沿著圓形的機加工刀痕形成和擴展的。這是因為邊棱附近的加工刀痕，恰好處在這類裂紋賴以形成的表面局部合成拉應力場的作用范圍內。

熱處理裂紋預防措施

①選用較緩和的淬火冷卻介質；

②淬火冷卻介質的溫度不可低于15℃，當?shù)陀?℃裂紋已不可避免；

③加強人員培訓和加強熱處理生產(chǎn)的技術管理。

在某些回轉體零件（如車輪、齒輪等）和圓柱體零件（如軸、銷類）淬火時，有時在輪緣、齒圈和軸肩等部位乃至全部脫（崩）落的淬裂現(xiàn)象，就是脫裂。

熱處理裂紋形成規(guī)律

①脫裂的產(chǎn)生的條件：

熱處理條件：表面加熱淬火回轉體零件和圓柱體零件，也產(chǎn)生在普通淬火的該類零件上。大多數(shù)脫裂產(chǎn)生在水冷淬火工藝條件下，油冷很少見。

金相條件：大量金相分析確定，在形成脫裂的區(qū)域附近，有馬氏體和屈氏體兩相組織存在是脫裂形成的必要且充分條件。

表面淬火時，在馬氏體組織和原始組織區(qū)的珠光體型組織的分布，一般由相應的工藝條件決定。從工藝上采取措施（如端部留軟帶），消除截面組織的差異，便消除了脫裂賴以產(chǎn)生的組織條件。

普通淬火時，通常由于局部幾何結構的緩冷效應決定。如軸肩截面過渡處便是可能產(chǎn)生緩冷效應幾何結構形式。由于不同原因（如水溫過高）造成淬火介質冷卻能力下降，導致軸類零件的端面、軸階端面和其它具有局部幾何結構緩冷效應的部位產(chǎn)生截面組織差異，進而形成脫裂。

脫裂的形成和擴展都在全馬氏體組織區(qū)內進行的。生產(chǎn)中形成的大多數(shù)脫裂，都是在馬氏體無過熱特征的情況下產(chǎn)生的，個別情況下也有馬氏體十分粗大的現(xiàn)象。

熱處理裂紋宏觀形態(tài)

①脫肩：軸輥類零件的脫肩過程，先在端面的肩處（或邊棱）附近啟裂，通常多處同時（同一圓周或相距較近的同心圓上），然后沿垂直表面的方向向截面內部擴展，也同時沿圓周方向擴展為圓周裂紋；繼而改向，沿圓弧面繼續(xù)在截面內部朝軸肩附近的軸外圓表面上擴展，最終在此處露出外圓表面而呈弧形裂紋。

②脫圈：齒輪的脫圈首先在齒圈與輻板截面過渡處的拐角上開裂，然后由此向截面內部（沿弧面）擴展，同時也沿拐角（常為尖角）作周向擴展，最終使齒圈脫落。

熱處理裂紋影響因素

①冷卻速度：首先是局部冷速過快，于冷卻最快的部位上形成淬火裂紋；其次，脫裂的產(chǎn)生又是淬火件局部部位的高溫轉變區(qū)內冷卻顯著減緩，從而產(chǎn)生截面組織差異，并由此引起局部合成拉應力的作用結果。在熱處理生產(chǎn)實踐中，冷速局部減緩的原因，一是局部幾何結構自身的緩冷效應，二是熱處理操作失誤或是操作失誤與局部幾何結構作用的疊加。在產(chǎn)生截面組織差異的情況下，增加淬火介質于低溫區(qū)內的冷卻能力或淬火工件相關部位的冷卻烈度，將會顯著增加形成脫裂的危險性。

②化學成分：鋼中含碳量的顯著提高或或些合金元素含量的增加，使鋼的淬透性顯著提高，將大大提高脫裂的敏感性。

應力集中：對普通應力集中不敏感，但過深的機加工刀痕有明顯的誘裂作用。

熱處理裂紋預防措施

①端部留軟帶：在表面淬火的輥類、軸類零件的端部預留適當寬度的未淬硬軟帶，能有效避免脫裂的產(chǎn)生。

②正確選用淬火介質：表面淬火的截面組織差異是無法避免的，在確保淬硬的前提下，盡量選用緩和的冷卻介質。

③局部強冷，但應謹慎。

④消除表面應力集中：避免截面的尖角過渡，并把表面的粗糙度加工到高于Ra12.5。

⑤保證化學成分，防止含碳量或殘余合金元素含量超標。

1淬火加熱時感應圈與工件的相對移動速度過快，造成奧氏體相變不均勻，在淬火時，一小部分相對另一部分的基體含碳（合金元素）量不同，從而形成一部分為針狀馬氏體，另一部分為板條狀，甚至為索氏體．引起組織與熱應力的疊加形成．

2淬硬層不均勻，在某部分淬火形成最大切應力位于次表層，引起縱向裂紋．

3材料原始組織不合理，沒有進行正火就進行中頻調質

4中頻調質回火時的感應圈移動（或工件）快，形成圈式硬度不均，即一部分回火正常，另一部分沒有很好的回火，

5材料的夾雜（S，Mn，硅酸鹽，塑性夾雜，非金屬夾雜等），有些在軋（鍛造）制過程中補軋（鍛）成長條狀，引起局部應力集中造成裂紋．

檢查零件有無裂紋，最簡單、最常用的方法是將零件噴砂后用肉眼直接觀察，或使用放大鏡觀察零件的表面即可。當用眼睛或放大鏡看不到裂紋時，還可用浸油探傷法檢查。即將零件浸入到煤油、汽油等油中，稍后取出零件用棉紗擦拭干凈，再涂以石灰粉或其他白粉，如有裂紋，則在白色部分有油滲出。有經(jīng)驗的檢查人員還可以用敲擊的方法檢查出是否有裂紋，即用小錘等輕輕敲擊零件，如果發(fā)出清晰的金屬聲音，尾音比較長，即可掣。為沒有裂紋；反之，若發(fā)出重濁的聲名，就出現(xiàn)了裂紋。還可以采用磁力探傷法及熒光探傷法檢查零件是否有裂紋。

（1）降低淬火加熱溫度，縮短保溫時間。

（2）提高冷卻介質的溫度，由0攝氏度上升到15攝氏度以上。

（3）增加淬火介質濃度，添加水玻璃，調整到工藝規(guī)定值上限。

內容簡介；該書來自實踐，總結分析上升到理論，然后再去指導實踐，符合認識規(guī)律，使讀者易于理解，便于掌握。書中論述了熱處理內應力形成規(guī)律、淬裂試驗、熱處理裂紋分類及分析方法；典型事故如縱裂、弧裂、大型非淬透件的開裂、邊廊裂紋、脫裂等的開成規(guī)律和避免方法，以及對感應如加熱淬火裂紋，滲碳件熱處理裂紋等等都一一進行了深入分析討論介一部系統(tǒng)而全面的專著。相信它的出版，將在發(fā)展熱處理技術，防止熱處理缺陷方面，作出巨大貢獻。

第一章 熱處理應力與裂紋的形成

第一節(jié) 熱處理應力的基本概念

第二節(jié) 淬火殘余應力的形成規(guī)律和作用特點

第二章 淬裂試驗

第一節(jié) 瑪氏淬裂試驗

第二節(jié) 大直徑圓柱形試樣的淬裂試驗

第三節(jié) 淬裂試樣斷口的微觀形貌特征

第三章 熱處理裂紋的分類和分析方法

第一節(jié) 熱處理裂紋的分類方法

第二節(jié) 淬火裂紋的分析方法

第四章 普通鋼件中縱裂的形成規(guī)律和案例分析

第一節(jié) 普通鋼小件給裂形成的一般規(guī)律

第二節(jié) 縱裂的案例分析

第三節(jié) 縱裂預防措施

第五章 高淬透性鋼件中淬裂的形成規(guī)律和案例分析2100433B

1、產(chǎn)生的溫度和時間不同

熱裂紋一般產(chǎn)生在焊縫的結晶過程中。冷裂紋大致發(fā)生在焊件冷卻到200～300℃，有的焊后會立即出現(xiàn)，有的可以延至幾小時到幾周甚至更長時間才會出現(xiàn)。所以冷裂紋又稱延遲裂紋。

2、產(chǎn)生的部位和方向不同

熱裂紋絕大多數(shù)產(chǎn)生在焊縫金屬中，有的是縱向，有的是橫向，有時熱裂紋也會延伸到基本金屬中去。冷裂紋大多數(shù)產(chǎn)生在基本金屬或熔合線上，大多數(shù)為縱向裂紋，少數(shù)為橫向裂紋。

3、外觀特征不同

熱裂紋斷面都有明顯的氧化色。冷裂紋斷口發(fā)亮，無氧化色。

4、金相結構不同

熱裂紋都是沿晶界開裂的。冷裂紋是貫穿晶粒內部，即穿晶開裂，不過也有的是沿晶界開裂。 2100433B