淬火裂纹

淬火裂纹

淬火裂纹是指在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。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。

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，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。

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；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。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。

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。

实例探讨

1、轴，40Cr，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、半轴套座，40Cr，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。

机床零件淬火裂纹分析

淬火是目前用来提高钢件机械性能的一种行之有效的方法。通过淬火及回火，可以大幅度提高钢的强度、韧性及疲劳强度，并可获得他们之间的各种配合，以满足不同的需要。钢件淬火时伴随着一种组织转变---马氏体转变，马氏体是一种脆性相，在宏观淬火内应力的作用下容易使钢件产生淬火裂纹。在机床零件加工的过程中淬火裂纹是零件较严重的热处理缺陷之一，导致零件报废，既浪费了材料与加工费用，又影响了生产，造成了一定的经济损失。因此，分析钢件产生淬火裂纹的原因，找出其规律，采取预防措施是很必要的。

一．综述

淬火裂纹是由许多因素造成的，有其内部的原因，也有其外部的原因。总的来说，马氏体的本质脆性是淬火裂纹的内因，而马氏体的晶体结构、亚结构、化学成分、冶金缺陷等是马氏体本质脆性的影响因素；钢件的宏观淬火内应力来源于加热和冷却过程中的热应力和组织应力是造成淬火开裂的外因。下面将从微观到宏观，从内部到外部对钢件的淬火裂纹进行分析，并采取措施防止裂纹的发生。

二、马氏体本质脆性—钢件淬火裂纹的内因

众所周知，中高碳钢淬火后，其韧性低，脆性大，易产生显微裂纹和宏观开裂。这主要是由马氏体的本质脆性决定的。而马氏体的本质脆性又决定于马氏体的碳固容量、亚结构、显微应力及显微裂纹。

2.1.马氏体中的碳固容量

马氏体是碳在α-Fe中的溶解度极小(《0.02%》α-Fe中容纳过量碳的结果，必将使其晶格发生畸变，晶格中过饱和的碳原子强烈地消弱了铁原子间的结合力。因此，随着马氏体中碳固容量的增加，钢件脆性倾向增大。

2.2马氏体的亚结构

板条马氏体是由高密度的位错组成的，板条马氏体中的位错易于滑动，其可动性比孪晶大，位错的运动能缓和局部区域的应力集中，延迟裂纹形核，其韧性

好、脆性小。片状马氏体中的大量细小孪晶使华亿变形不易进行，降低了其塑性和韧性，易于诱发裂纹，脆性较大。

2.3马氏体中的显微裂纹

马氏体形成时容易产生显微裂纹，这是指在中高碳钢中，而低碳钢的马氏体组织中难以形成显微裂纹。这是因为低碳马氏体为平行的板条，相互碰撞的机会少，且本身的塑性高，可以通过变形而使应力松弛，不易产生显微裂纹。而高碳马氏体内由于马氏体片相互碰撞，片状马氏体又不能作相应的形变来消除应力，造成碰遇处得应力场，当应力足够大时就形成显微裂纹。这种先天的缺陷使高碳马氏体进一步增加了脆性，在其它应力的作用下，显微裂纹可能发展为宏观开裂。

影响形成显微裂纹的因素很多，如淬火介质的温度，马氏体的形成量，奥氏体的原始晶粒大小，马氏体的长度和厚度等。当淬火介质的温度由40℃降到负50℃的时候，显微裂纹剧烈增多，在此温度范围内，马氏体数量也增加较快。马氏体片愈粗大，则形成显微裂纹的敏感度愈大，奥氏体晶粒越粗大，马氏体往往愈大，先形成的马氏体片为其它马氏体碰撞的几率越大，或碰撞遇到晶界的几率也愈大，形成显微裂纹的敏感度愈大。

在实际生产中，对高碳钢可采用较低的淬火温度，缩短保温时间，采用等温淬火活淬火后及时回火，可降低或避免高碳马氏体中显微裂纹的产生。

以上讨论了马氏体的本质脆性和马氏体的显微裂纹。马氏体的显微裂纹是由于马氏体片互相碰撞，在碰遇处产生应力及应力集中造成的。但是这类应力不足以使钢件产生宏观开裂，只有在淬火宏观应力及其它外力的作用下才能引起工件的宏观开裂。

三．淬火宏观内应力—钢件淬火裂纹的外因

钢件淬火过程中经过加热、保温、冷却的过程。钢件在加热和冷却的过程中，由于热胀冷缩发生体积变化，同事还发生相变，金属相变都伴有比容的变化，比如淬火冷却时，由奥氏体转化为马氏体，马氏体的比容大于奥氏体，产生了体积膨胀，工件的体积变化使工件各个部分之间受到牵制便形成了内应力。由热胀冷缩引起的内应力为热应力，由于相变产生的内应力为组织应力。

钢件内应力随着热处理过程的进行，其大小、方向、分布随时都在发生着变化，热处理后在工件中尚未松弛而残留下来的内应力为残余内应力，热处理后的内应力是热应力和组织应力的叠加。

钢件淬火时，在冷却初期，未产生相变，表层的温度梯度比内部大，只有热应力，随着冷却过程的进行，表层和内层的温差减小，热应力影响小，这时以组织应力为主，表层首先冷却到Ms点生成马氏体组织而膨胀，这时给尚处于奥氏体状态的心部以拉应力，表现为心部受拉应力，表层受压力。由于奥氏体所行很好，此应力可通过奥氏体的塑性变形而松弛。当心部也转变为马氏体时，由于表层已形成的马氏体硬度高、脆性大、塑性极小，心部对表层产生拉应力，心部产生压应力，并被作为残余应力保存下来。图1为Fe11.7Ni合金900℃水淬后的残余应力分布。由图1可以看出，钢件表面的切向拉应力很大，如果超过钢的抗拉强度，那么工件将开裂，产生纵向裂纹。