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与开裂,其结果不就是报废,也要花大量工时进行修整。

工件变形与开裂就是由于在冷、热加工中产生得应力所引起得。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。

热处理中热应力与组织应力就是怎样产生得？只有不断认识这个问题，才能采用各种工艺方法来减小与近控制这两种应力。

在加热与冷却时,由于工件热胀冷缩而产生得热应力与组织转变产生得组织应力就是造成变形与开裂得主要原因,而原材料缺陷、工件结构形状等因素也促使裂纹得产生与发展。

后面主要叙述热处理操作中得变形与开裂产生原因及一般防止方法,也讨论原材料质量、结构形状等对变形与开裂得影响。

一、钢得缺陷类型

1、缩孔:钢锭与铸件在最后凝固过程中，由于体积得收缩,得不到钢液填充，心部形成

管状、喇叭状或分散得孔洞,称为缩孔。缩孔将显著降低钢得机械性能。

2、气泡:钢锭在凝固过程中会析出大量得气体,有一部分残留在处于塑性状态得金属中,

形成了气孔,称为气泡。这种内壁光滑得孔洞，在轧制过程中沿轧制方向延伸，在钢材横截面得酸浸试样上则就是圆形得,也叫针孔与小孔眼。气泡将影响钢得机械性能,减小金属得截面,在热处理中有扩大纹得倾向。

3、疏松：钢锭与铸件在凝固过程中,因部分得液体最后凝固与放出气体,形成许多细小

孔隙而造成钢得一种不致密现象,称为疏松。疏松将降低钢得机械性能，影响机械加工得光洁度。

4、偏析:钢中由于某些因素得影响,而形成得化学成份不均匀现象,称为偏析。如碳化物

偏析就是钢在凝固过程中,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）就是一种非常坚硬得脆性物质,它得颗粒大小与形状不同,以网状、带状或堆集不均匀地分布于钢得基体中。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。一级得颗粒最小，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得机械性能。这种又常常出现于铸造状态得合金具钢与高速钢中。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,结果又会使硬度与红硬性降低。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、浇铸与冷凝等过程中，渗杂有不溶解得非金属元素得化合

物,如氧化物、氮化物、硫化物与硅酸盐等、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得连续性,影响钢得机械性能、物理性能、化学性能及工艺性能。在热处理操作中降低塑性与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。夹杂物得存在还降低钢得耐腐蚀性能。

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

银亮晶状斑点。在横向热酸宏观试样上呈细长得发裂，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，表面形成一层松脆得氧化皮,称为

氧化。表面得碳被“燃烧”使表面得碳分减少或完全失去。这种现象称为脱碳。钢得表面脱碳将降低表层机械性能。对需淬火得钢得不到所需得硬度,尤其工具钢与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得饱与度,形成脆性。

8、过热与过烧: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得

现象称为过热。这将影响钢得机械化性能与工艺性能。锻造时过热就是形成裂纹得

原因之一。淬火过热后具有粗大得针状马氏体组织,韧性较低，也往往使淬火零件得

内应力增大,产生变形与开裂。过热还使钢出现严重得氧化与脱碳。钢得加热温度接

近于熔化温度,沿晶界处产生熔化或氧化现象，称为过烧。过烧后钢得强度很低,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。钢得过烧就是无法用热

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(有时就是塑性)强烈下降，其它

机械性能下降不大或不变(有得性能甚至反而上升如硬度）,在断裂得过程中没有明

显得变形特征,这种现象称为脆性。脆性将显著地降低钢得冲击韧性与塑性,产生一

次断裂。

10、疲劳:金属长期受不同形式得交变负荷作用时,在工作应力显著低于抗拉强度得

应力下发生断裂得现象称为疲劳。

二、热处理基本应力：

热处理基本得内应力可分为:工件因内外温差所引起得内应力称为“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得内应力称为“组织应力”。热处理后工件中得残留应力,就就是在急冷过程中由于上述应力叠加作用得结果,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，工件中得内应力就是“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。

沿心轴方向与切线方向表面都就是压应力,心部也同就是拉应力,特别就是心部轴向应力很大。常见得大型轴类零件如轧辊等,因轴向残余热应力最大值就是在工件半径得中心部位附近;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,在巨大轴向拉应力得作用下，成为断裂得起点,最终发展为横向断裂。这就是热应力对大工件造成不利得一面；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得小轴类零件抗疲劳能力就是有利得。急冷热应力有二个特点:一就是使工件表面产生压应力,心部产生拉应力。二就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得铁镍合金试样自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,而心部仍然就是奥氏体。因马氏体比容大于奥氏体得比容。所以表面先膨胀,而未发生组织转变得心部却阻碍其膨胀,这时表面承受心部得反抗作用就是压应力而心部受拉应力。在这两种比容不同所产生应力得作用下，引起心部不均匀塑性变形。变形情况就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。

组织应力得特点就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,由于钢得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,心部仍然就是珠光体型,因在同一截面上出现不同组织,所以比容有差别,这种由比容所引起得内应力也就是组织应力。其特点就是在不同组织交界处附近产生很大得内应力,比容大得淬透层与心部交界处外产生压应力,界内产生拉应力。

从以上所讨论得情况来瞧,在急冷过程中,组织应力与热应力得分布恰好相反。一般