常见的淬火裂纹的类型及特征讲解
关键字：淬火 发布时间：2018-03-13 文章来源：www.sxhhnmzy.com
零件产生裂纹主要发生在淬火冷却的后期，即马氏体相变基本结束或完全冷却后，因零件中存在的拉应力超过钢的断裂强度而引起脆性破坏。裂纹通常垂直于最大拉伸变形方向，因此零件产生不同形式的裂纹主要取决于所受的应力分布状态。
常见的淬火裂纹的类型：纵向（轴向）裂纹主要在切向的拉伸应力超过该材料的断裂强度时产生；当在零件内表面形成的大的轴向拉应力超过材料断裂强度时形成横向裂纹；网状裂纹是在表面二向拉伸应力作用下形成的；剥离裂纹产生在很薄的淬硬层内，当应力发生急剧改变并在径向作用着过大拉应力时将可能产生这种裂纹。
纵向裂纹又称轴向裂纹。裂纹产生于零件表层附近最大拉应力处，并裂向心部有一定深度，裂纹走向一般平行轴向，但零件存在应力集中时或存在内部组织缺陷时也可改变走向。
工件完全淬透后，容易产生纵向裂纹，这与淬透工件表层存在较大切向拉应力有关，并随钢的含碳量提髙，形成纵向裂纹的倾向增大。低碳钢因马氏体比体积小，而且热应力作用强，表面存在着很大的残余压应力，故不易淬裂，随着含碳量提高，表层压应力减小，组织应力作用增强，同时拉应力峰值移向表面层，因此，高碳钢在过热情况下易形成纵向淬裂。
零件尺寸直接影响残余应力大小及分布，其淬裂倾向也不同。在危险截面尺寸范围内淬火也很容易形成纵向裂纹。此外，钢的原材料块陷也往往造成纵向裂纹。由于大多数钢件是由轧制成材的，钢中非金屑夹杂物、碳化物等沿着变形方向分布，致使钢材各向异性。如工具钢存在带状组织，淬火后其横向的断裂强度比纵向小30％〜50％外，如果钢中存在非金屑夹杂物等导致应力集中的因索，即使在切向应力比轴向应力小的情况下也容易形成纵向裂纹。为此，严格控制钢中非金属夹杂物、礙化糖级别是防止淬火裂纹的重要因素。
横向裂纹和弧形裂纹的内应力分布特征是：表面受压应力，离开表面一定的距离后，压应力变为很大的拉应力，裂纹产生在拉应力的蜂值区域内，然后当内应力重新分布或钢的脆性进一步增加时才蔓延到零件表面。
横向裂纹常发生在大型的轴类零件上，如轧辊，汽轮机转子或其他轴类零件。其裂纹特点是垂直于轴线方向，由内往外断裂，往往在未淬透情况下形成，属于热应力所引起。大锻件往往存在着气孔、夹杂物、锻造裂缝和白点等冶金缺陷，这些缺陷作为断裂的起点，在轴向拉应力作用下断裂。弧形裂缝诅是由热应力引起的，通常在零件形状突变的部位以弧形分布。主要产生于工件内部或尖锐棱角、凹槽及孔洞附近，呈弧形分布，当直径或厚度为80〜100mm以上的高碳钢制件淬火没有淬透时，表面呈压应力，心部呈拉应力，在淬硬层至非淬硬层的过渡区，出现最大拉应力，弧形裂纹就发生在这些区域。另外在尖锐棱角处的冷却速度快，全部淬透，在向平缓部位过渡时，也就是向未淬硬区过渡，此处出现最大拉应力区，因而容易产生弧形裂纹。工件的销孔、凹槽或中心孔附近的冷却速度较慢，相应的淬硬层较薄，在淬硬过渡区附近拉应力也易引起弧形裂纹。
网状裂纹又称表面龟裂，是一种表面裂纹。裂纹的深度较浅，一般在0.01〜1.5mm左右。这种裂纹的主要特征是：裂纹具有的任意方向与零件的外形无关。许多裂纹相互连接构成网状，且分布较广。当裂纹深度较大时，如达到1mm以上，网状特征消失，变成任意取向或纵向分布的裂纹。网状裂纹与表面受两向拉应力状态有关。
表面具有脱碳层的髙碳或渗碳钢零件，淬火时容易形成网状裂纹。这是由于表层比内层的马氏体含碳低，比体积小，淬火时使联碳的表层受到拉应力作用。在机械加工中未完全除去脱磷层的零件在高頻或火焰表面淬火时也会形成网状裂纹，为避免此类裂纹应严格控制零件表面质量，热处理时应尽量防止氧化雎接现象。另外，锻模使用一定时间后，型腔中出现的成条排列或网状的热疲劳龟裂以及淬火零件在磨削过程中的裂纹均属于这种形式。
剥离裂纹产生在表层很窄的区域内，其轴向和切向作用着压应力，径向为拉应力状态，裂纹平行于零件表面，表面淬火和渗碳零件冷却后发生硬化层的剥落均属于此类裂纹。它的产生与硬化层内组织不均匀有关，例如合金渗碳钢以一定速度冷却后，其渗碳层内的组织为：外层极细珠光体＋碳化物，次层为马氏体＋残余奥氏体，内层为细珠光体或极细珠光体组织。由于次层马氏体的形成比体积最大，体积膨胀的结果使表层的轴向、切向作用着压应力,径向为拉应力，并向内部发生应力突变，过渡为压应力状态，剥离裂纹产生在应力急剧过渡的极薄区域内。一般情况下，裂纹潜伏在平行于表面的内部，严重时造成表面剥落。若加快或减馒渗碳件的冷速，使渗碳层内获得均匀一致的马氏体组织或极细珠光体组织，可防止这类裂纹的产生。此外，髙频或火焰表面淬火时，常因表面过热，沿硬化层的组织不均匀性也容易形成这类表面裂纹。
显微裂纹与前述四种裂纹不同，它是由显微应力造成的。高碳工具钢或渗碳工件淬火过热再经磨削后出现的沿晶裂纹，以及淬火零件不及时回火引起的裂纹都与钢中存在显微裂纹并随之扩张有关。
显微裂纹须在显微镜下检查，其通常在原奥氏体晶界处或马氏体片的交界处产生，有的裂纹穿过马氏体片。研究表明，显微裂纹多见于片状孪晶马氏体中，原因是片状马氏体在髙速长大时相互撞击产生很高的应力，而孪晶马氏体本身性脆，不能产生塑性变形使应力松弛，因而易产生显微裂纹。奥氏体晶粒粗大，产生显微裂纹的敏感性增大，钢中存在显微裂纹会显著降低淬火零件的强度和塑性，从而导致零件早期破坏（断裂）。
避免高碳钢零件的显微裂纹，可采取较低的淬火加热温度、获得细小马氏体组织，并降低马氏体中含碳量等措施。此外，淬火后及时回火是减少内应力的有效方法。试验证明，经200℃以上充分回火，在显傲裂纹处析出的碳化物有“焊合”裂纹作用，这可显著降低显微裂纹的危害。
以上为依照裂纹分布形态讨论裂纹成因和防止办法。实际生产中因钢材质量、零件形状以及冷热加工工艺等因索影响，使裂纹的分布不尽相同。有时热处理前已存在裂纹，在淬火过程中裂纹进一步扩大；有时也可能同一零件几种形式的裂纹同时出现。对此种种情况则应根据裂纹的形态特征、断口的宏观分析、金相检査，在必要时配合化学分析等方法,从材料质量、组织结构到产生热处理应力的原因来综合分析,寻找产生裂纹的主要原因，然后确定有效的防止措施。
新闻中心