热处理变形与裂纹

热处理变形与裂纹

工件热处理后常产生变形和开裂，其结果不是报废，也要花大量工时进行修整。

工件变形和开裂是由于在冷、热加工中产生的应力所引起的。当应力超过弹性极限时，工件产生变形；应力大于强度极限时，工件产生裂纹。

热处理中热应力和组织应力是怎样产生的只有不断认识这个问题，才能采用各种工艺方法来减小和近控制这两种应力。

在加热和冷却时，由于工件热胀冷缩而产生的热应力和组织转变产生的组织应力是造成变形和开裂的主要原因，而原材料缺陷、工件结构形状等因素也促使裂纹的产生和发展。

后面主要叙述热处理操作中的变形和开裂产生原因及一般防止方法，也讨论原材料质量、结构形状等对变形和开裂的影响。

一、钢的缺陷类型

1、缩孔：钢锭和铸件在最后凝固过程中，由于体积的收缩，得不到钢液填充，心部形

成管状、喇叭状或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔将显著降低钢的机械性能。

2、气泡：钢锭在凝固过程中会析出大量的气体，有一部分残留在处于塑性状态的金属

中，形成了气孔，称为气泡。这种内壁光滑的孔洞，在轧制过程中沿轧制方向延伸，在钢材横截面的酸浸试样上则是圆形的，也叫针孔和小孔眼。气泡将影响钢的机械

性能，减小金属的截面，在热处理中有扩大纹的倾向。

3、疏松：钢锭和铸件在凝固过程中，因部分的液体最后凝固和放出气体，形成许多细

小孔隙而造成钢的一种不致密现象，称为疏松。疏松将降低钢的机械性能，影响机

械加工的光洁度。

4、偏析：钢中由于某些因素的影响，而形成的化学成份不均匀现象，称为偏析。如碳

化物偏析是钢在凝固过程中，合金元素分别与碳元素结合，形成了碳化物。碳化物

（共晶碳化物）是一种非常坚硬的脆性物质，它的颗粒大小和形状不同，以网状、

带状或堆集不均匀地分布于钢的基体中。根据碳化物颗粒大小、分布情况、几何形

状、数量多少将它分为八级。一级的颗粒最小，分布最均匀且无方向性。二级其次，八级最差。碳化物偏析严重将显著降低钢的机械性能。这种又常常出现于铸造状态

的合金具钢和高速钢中。对热处理工艺影响很大，如果有大块碳化物堆集或严重带

状分布，聚集处含碳量较高，当较高温度淬火时，工件容易因过热而产生裂纹。但

为了避免产生裂纹，而降低淬火温度，结果又会使硬度和红硬性降低。碳化物偏析

严重将直接影响产品质量，降低使用寿命或过早报废。

5、非金属夹杂物：钢在冶炼、浇铸和冷凝等过程中，渗杂有不溶解的非金属元素的化

合物，如氧化物、氮化物、硫化物和硅酸盐等、总称为非金属夹杂物。钢中非金属

夹杂物存在将破坏基体金属的连续性，影响钢的机械性能、物理性能、化学性能及

工艺性能。在热处理操作中降低塑性和强度而且夹杂物处易形成裂纹。在使用过程

中也容易造成局部应力集中，降低工件使用寿命。夹杂物的存在还降低钢的耐腐蚀

性能。

6、白点：钢经热加工后，在纵向断口上，发现有细小的裂纹，其形状为圆形或椭圆形

的，呈银亮晶状斑点。在横向热酸宏观试样上呈细长的发裂，显微观察裂缝穿过晶

粒，裂缝附近不发现塑性变形，裂缝处无氧化与脱碳现象。这种缺陷称为白点。白

点将显著降低横向塑性与韧性，在热处理中易形成开裂。

7、氧化与脱碳：钢铁在空气或氧化物气氛中加热时，表面形成一层松脆的氧化皮，称

为氧化。表面的碳被“燃烧”使表面的碳分减少或完全失去。这种现象称为脱碳。

钢的表面脱碳将降低表层机械性能。对需淬火的钢得不到所需的硬度，尤其工具钢

和轴承钢热处理时会形成淬火软点。高速工具钢会降低红硬性。氮化零件氮化前表

面脱碳，使氮在表层具有很大的饱和度，形成脆性。

8、过热和过烧：钢在加热时，超过正常加热温度或保时间过长，使奥氏体晶粒过于粗

大的现象称为过热。这将影响钢的机械化性能和工艺性能。锻造时过热是形成裂纹

的原因之一。淬火过热后具有粗大的针状马氏体组织，韧性较低，也往往使淬火零

件的内应力增大，产生变形与开裂。过热还使钢出现严重的氧化与脱碳。钢的加热

温度接近于熔化温度，沿晶界处产生熔化或氧化现象，称为过烧。过烧后钢的强度

很低，脆性很大。在锻造或热处理时必然会裂开，断口失去金属光泽。钢的过烧是

无法用热处理或其它方法补救。

9、脆性：金属材料，由于某些原因受力突然断裂，其韧性（有时是塑性）强烈下降，

其它机械性能下降不大或不变（有的性能甚至反而上升如硬度），在断裂的过程中

没有明显的变形特征，这种现象称为脆性。脆性将显著地降低钢的冲击韧性与塑性，产生一次断裂。

10、疲劳：金属长期受不同形式的交变负荷作用时，在工作应力显著低于抗拉强度

的应力下发生断裂的现象称为疲劳。

二、热处理基本应力:

热处理基本的内应力可分为：工件因内外温差所引起的内应力称为“热应力”；工件内外组织不同时转变，或同一截面存在着组织不同造成比容差异所引起的内应力称为“组织应力”。热处理后工件中的残留应力，就是在急冷过程中由于上述应力叠加作用的结果，所以又叫“残余应力”。

1、热应力：将钢件加热到组织转变点（A1）以下，随即急冷到室温，工件中的内应力是“热

应力“。

热应力在工件上有三个方向情况，沿直径方向心部为拉应力，表面为零，一般不予考虑。

沿心轴方向和切线方向表面都是压应力，心部也同是拉应力，特别是心部轴向应力很大。

常见的大型轴类零件如轧辊等，因轴向残余热应力最大值是在工件半径的中心部位附近；再加上心部往往存在着气孔、夹杂、白点、锻造裂纹等缺陷，因些，在巨大轴向拉应力的作用下，成为断裂的起点，最终发展为横向断裂。这是热应力对大工件造成不利的一面；但在急冷时热应力使工件表面产生压应力，对提高一般形状简单的小轴类零件抗疲劳能力是有利的。急冷热应力有二个特点：一是使工件表面产生压应力，心部产生拉应力。二是大型轴类零件心部轴向拉应力特别大。

2、组织应力：将奥氏体稳定性很高的铁镍合金试样自900℃缓冷至马氏体转变点（Ms）点

330℃以上时，热应力可以认为在缓慢冷却并通过塑性变形等过程松驰掉。当试样在330℃冰水中淬火，表面首先转变为马氏体，而心部仍然是奥氏体。因马氏体比容大于奥氏体的比容。所以表面先膨胀，而未发生组织转变的心部却阻碍其膨胀，这时表面承受心部的反抗作用是压应力而心部受拉应力。在这两种比容不同所产生应力的作用下，引起心部不均匀塑性变形。变形情况是工件体积在最大线度方向伸长工件表面趋向凹形，尖角突出。心部继续冷却时，奥氏体也开始转变为马氏体要发生体积膨胀，因此，心部承受压应力，表面为拉应力。这种应力一直残留到室温又叫残余组织应力。

组织应力的特点是工件表面受拉应力，心部受压应力。而且靠近表面层切向拉应力大于轴向拉应力。此外，工件在淬火时，由于钢的淬透性以及冷却速度不同往往不可能完全淬透，淬火后表面获得马氏体，心部仍然是珠光体型，因在同一截面上出现不同