材料学-第七讲 热处理缺陷及防治讲解

b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二 相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带 状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏 体转化为带状珠光体。
一般情况下，带状组织可以通过多次正火或扩散退火得以消除和改善。
2、带状组织的危害 带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的
带状组织
100倍率下钢板明显的带状组织
带状组织
1、带状组织形成的原因 金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。
但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分 布的组织，即形成带状组织。形成带状组织的原因各不相同，归纳起 来大致有2种原因：
a．由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质， 压延时，杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就 成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分 布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
• 为了改善铸钢件的性能，可采用完全退火，将粗大的铸态 魏氏组织转变为一般的铁素体和珠光体组织。完全退火是 以降低硬度和改善韧性为目的的一种热处理方法，将铸钢 加热到相变温度Ac3以上30～60℃，随后缓慢冷却，加热 保温时间以壁厚每25mm加热保温1h计算。
带状组织
（banded structure）
热处理缺陷及防治
脱碳
• 脱碳 脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程
就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化 碳。其化学方程式如下；
2Fe3C+O2＝6Fe+2CO Fe3C+2H2＝3Fe+CH4 Fe3C+H2O＝3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2＝3Fe+2CO 这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳， 而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。 对大多数钢来说，脱碳会使其性能变坏，故均视为缺 陷。特别是高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳 更是一种严重的缺陷。
3）钢的表面脱碳以后，由于表层与心部的组织不同和 线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组织转变及体 积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降， 甚至在淬火过程中有时使零件表面产生裂纹。
脱碳
• 脱碳对钢性能的影响 2.对零件性能的影响 对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬
火后不能发生马氏体转变，或转变不完全，结果得不到所 要求的硬度。
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。
45调质 4%硝酸酒精腐蚀 ×200 表面脱碳现象 表面组织：铁素体（白）+珠光体（黑） 心部：回火索氏体
几种常见的热处理缺陷
• 防止脱碳的对策 防止脱碳的对策主要有以下几方面： 1）工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间；
合理地选择加热速度以缩短加热的总时间； 2）造成及控制适当的加热气氛，使呈现中性或采用保护性气体加
魏氏组织
ZG270-500(铸态)的金相图
魏氏组织
• 铸钢由于凝固温度很高，并在1495℃附近产生包晶反应形 成奥氏体，奥氏体形成温度高，晶粒十分粗大，在冷却通 过GS线时，先析出铁素体，然后进一步冷却通过PS线时 析出珠光体。由于奥氏体晶粒粗大，可供铁素体析出的晶 界减少，所以铁素体除了在晶界上呈块状析出外，一部分 呈针状向晶内析出而形成魏氏组织。铸钢由于晶粒粗大和 存在魏氏组织，脆性很大，必须通过退火或正火来消除铸 态组织。
实例探讨
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。
脱碳
高速钢的脱碳组织
脱碳
• 脱碳对钢性能的影响 1.对锻造和热处理等工艺性能的影响 1）2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时，能
促使高温δ铁素体在表面过早的形成，使锻件表面的塑性 大大降低，模锻时容易开裂。
2）奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组 织。这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而且影响耐磨 性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。
淬火裂纹
• 裂纹产生原因 试样基体呈淬火马氏体且未充分回火，
内应力、脆性较大，同时，齿根部应力集 中，易造成开裂、崩齿。
淬火裂纹
• 淬火裂纹：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
轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接 触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。
由于脱碳使钢的疲劳强度降低，导致零件在使用中过 早地发生疲劳损坏。
零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在 零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱碳层的深 度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉；但如 超过加工余量范围，脱碳层将部分保留下来，使性能下降。 有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将 不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，严重时造 成零件报废。
45钢 840℃淬火（水冷）+裂纹 4%硝酸酒精腐蚀 ×100
60Si2Mn 840℃淬火（水冷）+460℃回火 4%硝酸酒精腐蚀 ×２00 回火屈氏体+碳化物（白色小颗粒）＋少量马氏体+少量铁素体（白色块状）＋淬火裂纹
淬火时将水看成油，误将样品放入水中冷却（本应油冷），
导致淬火时由于应力过大出现淬火裂纹。
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。
方向明显优于其垂直方向。压力加工时易于从交界处开裂
带状组织
高速钢中带状碳化物组织
ห้องสมุดไป่ตู้
渗碳缺陷及防治
• 碳浓度过高 ⒈产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或
魏氏组织
• 魏氏组织形成一般有两个原因:一是热处理温度较高，导 致奥氏体晶粒粗大；二是冷却速度较快。如果奥氏体晶粒 异常粗大，即使不大的冷速也可能形成魏氏组织，这种组 织的塑性和韧性比较差；如果奥氏体晶粒不是特别粗大， 冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这种魏氏组织 不会有什么害处。消除的措施要从产生的原因上着手，一 是控制热处理加热温度，二是控制冷速。
5）高温加热时，钢的表面利用覆盖物及涂料保护以防止氧化和脱 碳；
6）正确的操作及增大工件的加工余量，以使脱碳层在加工时能完 全去掉。
淬火裂纹
材料：Cr12（搓齿板） 工艺情况：980℃淬火 图1：未浸蚀 搓齿根部转角处裂纹形貌 ； 图2：4%硝酸酒精溶液浸蚀
淬火马氏体及残余奥氏体、共晶碳化物及小粒状二次碳化物 裂纹在齿根尖角处启动，沿碳化物边界向内延伸
• 对亚共析钢，魏氏组织指从晶界向晶内生长的一系列具有 一定取向的片（或针）状铁素体，从单个形态来看虽呈片 （或针）状，但从整体来看，由于许多片常常是相互平行 的，形似羽毛状，但与无碳化物贝氏体相比，显得较粗大 且末端较尖细。对于过共析钢来说，是指类似形态的渗碳 体。
45钢 950℃正火 针状铁素体（白）+珠光体（黑） 4%硝酸酒精腐蚀 ×500 过热组织 也叫魏氏组织
• 带状组织：金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方 向大致平行交替排列的组织。例如钢材中的铁素体带、珠 光体带、渗碳体带等。
• 钢材内部缺陷之一，出现在热轧低碳结构钢显微组织中， 沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶 粒与珠光体晶粒。这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发 生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成 的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体条带之间为 珠光体，两者相间成层分布。带状组织的存在使钢的组织 不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、 冲击韧性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高、 热处理时钢材容易变形等不良后果。产品标准中有带状组 织评级图片，根据用途确定允许的级别。
实例探讨
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。
实例探讨
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。
热，为此可采用特殊发计的加热炉（在脱氧良好的盐浴炉中加热，要 比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小）；
3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降 低炉温以待生产恢复，如停顿时间很长，则应将坯料从炉内取出或随 炉降温；
4）进行冷变形时尽可能地减少中间退火的次数及降低中间退火的 温度，或者用软化回火代替高温退火。进行中间退火或软化回火时， 加热应在保护介质中进行；
魏氏组织
• 魏氏组织(widmanstatten structure) 钢材进行热加工和热处理，如果加热温度控
制不当，加热不均会使材料超温，导致材料机械 性能恶化。根据超温的程度和时间长短，钢材会 发生脱碳，过热和过烧现象。当高温加热后，在 第一阶段加热，在此阶段加热后冷却，当冷至Ar3 温度，A析出F，至Ar1，奥氏体发生共析反应转 变为P。如在Ar3至Ar1冷却较快，会析出F的魏氏 体组织。降低钢的冲击性能，会使钢的机械性能 恶化。可采用中间退火或多次高温回火处理来消 除这种组织。
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。
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。
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，