机床零件淬火裂纹分析
摘要
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
*，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。
中心未淬硬时，表层受压应力，心部受拉应力。如图2.心部由于珠光体的塑性好而不会被拉裂，与中心被淬硬的相比，较难淬裂。
零件渗碳淬火后，对45、20cr、18crmnti钢来说表层受压应力，心部为拉应力，一般不易淬裂。
对于渗碳铬镍钢则不同，表层为拉应力。
图3为20cr2ni4a钢应力沿硬化层的分布，渗碳铬镍钢渗碳后，渗层中的含碳量远远高于心部的含碳量，渗碳层内碳浓度由表面向内部逐渐降低，因而渗层内不同区域奥氏体稳定性和转变机构不一致，造成了沿渗碳层厚度的组织不均匀，渗碳淬火后产生了内应力，在一定冷却速度下，渗碳层表面过共析层先冷却收缩转变为屈氏体加渗碳体，随着冷却进行，内层较稳定的奥氏体转变为马氏体，过渡层为索氏体或屈氏体，从而表层受到了很大拉应力作用，若表层屈氏体较薄时，则该区域的拉应力增大。由于马氏体比容zui大，膨胀产生压应力，使屈氏体表层产生无规则的裂纹。如果马氏体受到很大压应力作用，可以形成剥离裂纹。
钢件感应加热淬火时，使表层局部区域发生组织结构的变化。由于表层硬化层和心部组之间较大的差异，以及快速加热、急冷引起热应力和组织应力的综合叠加，在冷却初期，表层和内层由于温差很大引起热应力，使表层受拉、心部受压。随冷却进一步进行，表层压应力和内部拉应力继续增大，zui后，残余应力为表层呈压应力，心部为拉应力。
图4为球墨铸铁无心圆柱，以旋转移动法进行外表面的高频淬火，改变移动速度得到不同的淬硬深度形成的残余应力分布图。由图可以看出，随着硬化层深度的增加将使切向应力比轴向应力大转变为轴向应力比切向应力大。心部拉应力增加而硬化层的压应力变小。当硬化层极薄时，其表面压应力太小，且拉应力极大值接近表面，这时将以硬化层稍下为起点发生破坏。硬化层极厚时，表层拉应力将增加当超过了钢的断裂强度时，工件表面将出现裂纹，当然为纵向裂纹。钢件淬火后零件各部分的应力是复杂的，而且是不均匀的。这些都增加了钢的脆性。淬火裂纹是淬火钢的脆性断裂。压应力作用不可能断裂，只有拉应力作用才能导致钢件断裂。如圆筒类零件。淬透时在孔的内侧产生淬火裂纹，这是因为外侧冷却快，孔内侧冷却慢，组织应力引起主导作用，在内侧呈拉应力，造成淬火裂纹。如果加大内孔的冷却速度，以增加压应力的成分，削弱拉应力，就可避免淬火裂纹。
四.淬火裂纹的宏观形态
钢在淬火后各种形式的裂纹如图5.
4.1纵向裂纹多半产生在淬透的钢件上，表层的切向拉应力大于轴向拉应力时才能出现。这种裂纹沿轴向分布，由表面裂向心部，如图3a
4.2横向裂纹它是在工件未淬透的情况下，产生于淬透层与未淬透的心部之间的过渡区。内应力特征是表面受压，距离表面一定距离处压应力变为拉应力，轴向拉应力zui大，产生的是横向裂纹，如图3b
4.3应力集中裂纹零件上具有夹角、切口、凹槽的部位易产生应力集中。再加上淬火冷却时的不均匀，常易在这些部位引起裂纹。这种裂纹没有固定的形态特征。
4.4网状裂纹它是一种表面裂纹，其深度较浅，一般在0.01-2mm范围内，裂纹呈任意方向，形成网状。高碳钢工件表面脱碳后，其马氏体比容较小，从而在表面形成拉应力，导致网状裂纹，如图3c
4.5剥离裂纹产生在应力急剧过渡的极薄区域内，潜伏在平行于表面的内部裂纹严重扩展时造成表面剥落，见图3d
五．如何防止和减少工件淬火裂纹。
除了应合理设计零件、合理选材外，在热处理工艺方面注意以下问题。
5.1选择合适的加热温度
对不同钢材其淬火加热温度是不同的，除了以临界点为根据外，还要考虑工件的性能、材质。一般应尽量选择低一些的加热温度，但是也存在提高淬火加热温度有助于防止淬裂的情况。若工件心部能淬透时，应尽量采用较低的淬火温度防止纵裂，对于心部不能淬硬的工件，温度可以高些，对于厚度较大的高碳工件，可通过适当提高淬火温度的方法来防止其弧状裂纹。
5.2合理地进行加热
尽可能做到加热均匀，减少加热时的热应力，对于大截面、形状复杂、变形要求高的工件，一般都要预热，或限制加热速度。
5.3淬火剂的合理选择
为了保证工件的淬火硬度和淬硬层深度，淬火剂应有足够的冷却能力，冷却速度过大，增大热应力和组织应力，易导致淬裂。因此尽可能采用ms点以上冷却速度较快，而在ms点以下冷速较慢的介质。
5.4正确选择冷却方法。
为了防止产生淬火裂纹，实际中采用许多淬火方式，如预冷淬火、分级淬火、等温淬火等淬火方式。对形状复杂、截面变化突然的工件，单液直接淬火易产生应力集中裂纹，若采用预冷淬火，可有效地避免淬火裂纹。另外，对合金钢采用分级淬火是消除淬火裂纹的好办法。
5.5及时回火
工件淬火后，淬火组织中有一定量的残余奥氏体，残余奥氏体是不稳定的组织，淬火后的一段时间还要发生a-m的转变，组织应力还要继续增加，淬火应力还在不断地重新分布，若不及时回火，则易导致工件开裂。因此淬火后及时回火，可降低内应力，焊合显微裂纹，提高钢的破断抗力，有效地防止淬火裂纹的发生。
（作者：沈阳集团：于晓青曲兴祥代友贵）
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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
*，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。
中心未淬硬时，表层受压应力，心部受拉应力。如图2.心部由于珠光体的塑性好而不会被拉裂，与中心被淬硬的相比，较难淬裂。
零件渗碳淬火后，对45、20cr、18crmnti钢来说表层受压应力，心部为拉应力，一般不易淬裂。
对于渗碳铬镍钢则不同，表层为拉应力。
图3为20cr2ni4a钢应力沿硬化层的分布，渗碳铬镍钢渗碳后，渗层中的含碳量远远高于心部的含碳量，渗碳层内碳浓度由表面向内部逐渐降低，因而渗层内不同区域奥氏体稳定性和转变机构不一致，造成了沿渗碳层厚度的组织不均匀，渗碳淬火后产生了内应力，在一定冷却速度下，渗碳层表面过共析层先冷却收缩转变为屈氏体加渗碳体，随着冷却进行，内层较稳定的奥氏体转变为马氏体，过渡层为索氏体或屈氏体，从而表层受到了很大拉应力作用，若表层屈氏体较薄时，则该区域的拉应力增大。由于马氏体比容zui大，膨胀产生压应力，使屈氏体表层产生无规则的裂纹。如果马氏体受到很大压应力作用，可以形成剥离裂纹。
钢件感应加热淬火时，使表层局部区域发生组织结构的变化。由于表层硬化层和心部组之间较大的差异，以及快速加热、急冷引起热应力和组织应力的综合叠加，在冷却初期，表层和内层由于温差很大引起热应力，使表层受拉、心部受压。随冷却进一步进行，表层压应力和内部拉应力继续增大，zui后，残余应力为表层呈压应力，心部为拉应力。
图4为球墨铸铁无心圆柱，以旋转移动法进行外表面的高频淬火，改变移动速度得到不同的淬硬深度形成的残余应力分布图。由图可以看出，随着硬化层深度的增加将使切向应力比轴向应力大转变为轴向应力比切向应力大。心部拉应力增加而硬化层的压应力变小。当硬化层极薄时，其表面压应力太小，且拉应力极大值接近表面，这时将以硬化层稍下为起点发生破坏。硬化层极厚时，表层拉应力将增加当超过了钢的断裂强度时，工件表面将出现裂纹，当然为纵向裂纹。钢件淬火后零件各部分的应力是复杂的，而且是不均匀的。这些都增加了钢的脆性。淬火裂纹是淬火钢的脆性断裂。压应力作用不可能断裂，只有拉应力作用才能导致钢件断裂。如圆筒类零件。淬透时在孔的内侧产生淬火裂纹，这是因为外侧冷却快，孔内侧冷却慢，组织应力引起主导作用，在内侧呈拉应力，造成淬火裂纹。如果加大内孔的冷却速度，以增加压应力的成分，削弱拉应力，就可避免淬火裂纹。
四.淬火裂纹的宏观形态
钢在淬火后各种形式的裂纹如图5.
4.1纵向裂纹多半产生在淬透的钢件上，表层的切向拉应力大于轴向拉应力时才能出现。这种裂纹沿轴向分布，由表面裂向心部，如图3a
4.2横向裂纹它是在工件未淬透的情况下，产生于淬透层与未淬透的心部之间的过渡区。内应力特征是表面受压，距离表面一定距离处压应力变为拉应力，轴向拉应力zui大，产生的是横向裂纹，如图3b
4.3应力集中裂纹零件上具有夹角、切口、凹槽的部位易产生应力集中。再加上淬火冷却时的不均匀，常易在这些部位引起裂纹。这种裂纹没有固定的形态特征。
4.4网状裂纹它是一种表面裂纹，其深度较浅，一般在0.01-2mm范围内，裂纹呈任意方向，形成网状。高碳钢工件表面脱碳后，其马氏体比容较小，从而在表面形成拉应力，导致网状裂纹，如图3c
4.5剥离裂纹产生在应力急剧过渡的极薄区域内，潜伏在平行于表面的内部裂纹严重扩展时造成表面剥落，见图3d
五．如何防止和减少工件淬火裂纹。
除了应合理设计零件、合理选材外，在热处理工艺方面注意以下问题。
5.1选择合适的加热温度
对不同钢材其淬火加热温度是不同的，除了以临界点为根据外，还要考虑工件的性能、材质。一般应尽量选择低一些的加热温度，但是也存在提高淬火加热温度有助于防止淬裂的情况。若工件心部能淬透时，应尽量采用较低的淬火温度防止纵裂，对于心部不能淬硬的工件，温度可以高些，对于厚度较大的高碳工件，可通过适当提高淬火温度的方法来防止其弧状裂纹。
5.2合理地进行加热
尽可能做到加热均匀，减少加热时的热应力，对于大截面、形状复杂、变形要求高的工件，一般都要预热，或限制加热速度。
5.3淬火剂的合理选择
为了保证工件的淬火硬度和淬硬层深度，淬火剂应有足够的冷却能力，冷却速度过大，增大热应力和组织应力，易导致淬裂。因此尽可能采用ms点以上冷却速度较快，而在ms点以下冷速较慢的介质。
5.4正确选择冷却方法。
为了防止产生淬火裂纹，实际中采用许多淬火方式，如预冷淬火、分级淬火、等温淬火等淬火方式。对形状复杂、截面变化突然的工件，单液直接淬火易产生应力集中裂纹，若采用预冷淬火，可有效地避免淬火裂纹。另外，对合金钢采用分级淬火是消除淬火裂纹的好办法。
5.5及时回火
工件淬火后，淬火组织中有一定量的残余奥氏体，残余奥氏体是不稳定的组织，淬火后的一段时间还要发生a-m的转变，组织应力还要继续增加，淬火应力还在不断地重新分布，若不及时回火，则易导致工件开裂。因此淬火后及时回火，可降低内应力，焊合显微裂纹，提高钢的破断抗力，有效地防止淬火裂纹的发生。
（作者：沈阳集团：于晓青曲兴祥代友贵）
水质在线分析仪的应用特点
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防爆检修电缆盘厂家,380V,带30米线
人参遮阳网功效
机床零件淬火裂纹分析
从许幻山放不下的蓝色*到黎巴嫩的大爆炸！硝化之殇何时了？
如何正确操作超声波洗瓶机
常年回收各种材质二手冷凝器
SUTEF3全自动互感器综合测试仪
德国EBRO依博罗蝶阀的优缺点
电子绝缘摇表在实际工作中使用注意事项
一站式缴清水电气费 江苏南通多表合一建设迈上新台阶
污水处理中几种常用泵的选择
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