為什麼會有淬火裂紋？

知識 09-17

編者

曾經劉宗昌教授在他的一本《《鋼件的淬火開裂及防止方法》》書中專門探討了淬火裂紋，十分有價值，分享給大家。

1 淬火裂紋

淬火工藝主要用於鋼件，是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然後以大於臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms（馬氏體轉變起始溫度）以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。

淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火後的室溫放置過程中產生的裂紋，後者又叫時效裂紋。裂紋的分布沒有一定的規律，但一般容易在工件的尖角、截面突變處形成。造成淬火開裂的根本原因是拉應力超過材料的斷裂強度，或者雖未超過材料的斷裂強度，但材料由於存在內部缺陷也會發生開裂。造成淬火開裂的具體原因很多，分析時應根據裂紋特徵加以區分。

2 淬火裂紋的成因

馬氏體的本質脆性是淬火裂紋的內因，而馬氏體的晶體結構、化學成分、冶金缺陷等是馬氏體本質脆性的影響因素；各種工藝條件、零件尺寸形狀等引起的宏觀內應力的大小、方向、分布狀態等是淬火裂紋的外因。下面將從微觀到宏觀，從內部到外部對鋼件的淬火裂紋進行分析。

2.1 馬氏體本質脆性—鋼件淬火裂紋的內因

眾所周知，中高碳鋼淬火後，其韌性低，脆性大，易產生顯微裂紋和宏觀開裂。這主要是由馬氏體的本質脆性決定的。而馬氏體的本質脆性又決定於材料的冶金質量、含碳量和合金元素、原始組織狀態、馬氏體的組織結構、顯微應力及顯微裂紋等。

圖1 淬火裂紋的宏觀形態圖

2.1.1 材料冶金質量

縮孔和嚴重的軋制缺陷造成材料明顯的不均勻性，這時材料是不宜進行熱處理的。而不少材料的冶金缺陷均可能單獨與宏觀或微觀的內應力發生作用，促發淬火裂紋。這些冶金質量問題包括：宏觀偏析、固溶體偏析、固溶氫、鍛軋缺陷、夾渣、鐵素體珠光體帶狀組織及碳化物帶狀組織等。

圖2 沿夾雜物擴展的淬火裂紋

2.1.2 材料含碳量和合金元素

含碳量增加將降低馬氏體的斷裂強度。根據脆性固體理論斷裂強度：

，其中E、d值與含碳量相關，含碳量提高，馬氏體中鐵原子間結合力降低，彈形模量也降低，鋼的斷裂強度也隨之降低。碳量增加，d值增加，使斷裂強度降低。

而合金元素對淬火裂紋的影響不一，例如Mn、Cr、V、Mo等元素與C一樣，隨其含量的增加而淬裂傾向變大。然而，B元素較為特殊，B能有效地提高淬透性。稀土元素對淬裂的影響研究甚少，說法不一。適量的稀土元素可減少位錯移動所需要的摩擦力，因而有降低脆性破斷傾向的作用。稀土元素富集於晶界，可凈化和強化晶界，使P等雜質難以再偏集於晶界，可能起到減輕沿晶斷裂的作用。

2.1.3 原始組織狀態

除了鋼中的化學成分以外，淬火前的原始組織結構對洋裂的影響也很大。例如，片狀珠光體；馬氏體和貝氏體等非平衡組織；不均勻、網狀碳化物；非金屬夾雜物；鍛造過熱組織及流線等均可能導致或促發淬火開裂。

圖3 不同形態珠光體組織對淬裂的影響

1-細片狀珠光體；2-點狀珠光體；3-細粒狀珠光休；4-粗粒狀珠光體

2.1.4 馬氏體中的顯微裂紋

馬氏體形成時容易產生顯微裂紋，這是指在中高碳鋼中，而低碳鋼的馬氏體組織中難以形成顯微裂紋。這是因為低碳馬氏體為平行的板條，相互碰撞的機會少，且本身的塑性高，可以通過變形而使應力鬆弛，不易產生顯微裂紋。而高碳馬氏體內由於馬氏體片相互碰撞，片狀馬氏體又不能作相應的形變來消除應力，造成碰遇處得應力場，當應力足夠大時就形成顯微裂紋。這種先天的缺陷使高碳馬氏體進一步增加了脆性，在其它應力的作用下，顯微裂紋可能發展為宏觀開裂。

2.2 淬火宏觀內應力—鋼件淬火裂紋的外因

2.2.1 零件尺寸和形狀

若材料的化學成分、冶金質量和原始組織都相同，但零件的尺寸、形狀不同，那麼在相同的熱處理條件下，仍表現出不同的淬裂傾向。對普通鋼而言，過細或過粗的工件一般不會淬裂，大和久重雄認為，水中淬火時，臨界直徑正是淬裂的危險尺寸。臨界直徑是工件在一定的淬火介質中冷卻時，心部恰好能夠得到50%馬氏體那樣大小的直徑。

圖4 臨界直徑DⅠ、含碳量與淬裂的關係

淬火開裂與工件的形狀有密切的關係，鋼件形狀影響淬火應力的大小和分布。工件上的缺口、尖角、溝槽、孔穴及斷面急劇變化的部位都是淬火內應力集中處，是斷裂的危險部位。

2.2.2 加熱不當

工件在熱處理時的加熱溫度、保溫時間和加熱設備(爐內氣氛)等均能成為淬火裂紋的誘因。

淬火加熱溫度愈高，淬裂傾向愈大。淬火溫度升高，加熱保溫時間延長，使奧氏體晶粒長大，則淬火馬氏體粗化、脆化，斷裂強度降低，這是淬裂傾向增大的根本原因。不容易發生淬裂的加熱爐是真空爐，其次按電爐、鹽浴爐、火焰爐的順序排列易於產生淬火裂紋。重油爐、燃煤爐等火焰爐是最容易發生淬裂的爐型。

圖5 產生淬火裂紋試樣數目與淬火溫度間的關係

(a)T10鋼水淬；

(b)9CrSi鋼水淬和油淬

2.2.3 淬火冷卻的影響

在淬火冷卻時，在兩個溫度範圍內必須注意控制冷卻速度。其中一個區域是為了完全淬火硬化而需要快冷的臨界區域，為了使零件淬硬，在臨界區應當急冷。另一個區域是容易產生淬火裂紋的低溫區，在MS點溫度以下，在這個溫度區間發生奧氏體向馬氏體的轉變，體積膨脹，產生第二類畸變、第二類應力及宏觀熱處理應力，可能導致淬火裂紋，因此稱危險區。在危險區應當盡量慢冷，以緩和淬火內應力。

圖6 淬火臨界區和危險區示意圖

2.2.4 淬火後加工處理

零部件淬火後多進行加工處理。按加工處理的性質可分為熱加工、機械加工和化學加工三類，以及它們的綜合應用。淬後加工處理導致形成裂紋的過程是一個淬火宏觀、微觀內應力和顯微裂紋與淬後加工過程中出現的負荷應力或內應力之間發生相互作用的過程。

圖7 零件淬火後的加工處理圖解

3 防止淬火開裂的措施

鋼件淬火開裂與馬氏體的組織結構、淬火內應力、工件的尺寸形狀及生產條件等因素有關，明確了這些影響因素為防止淬火開裂採取相應的措施提供了可能。本節主要從鋼材的選擇、淬火零部件的設計，合理制定熱處理技術條件、選擇淬火介質、選定淬火冷卻方法等方面論述在生產實踐中具有一定效果的防止鋼件淬火開裂的方法。

3.1 鋼材的選擇

鋼材不同，淬火裂紋發生的幾率也不同。一般說，鋼材含碳量越高或Cr、Mo含量越高，越容易發生淬裂。下圖表示水淬時淬裂傾向與鋼的化學成分的關係。圖中所示指數的負值越高，即為淬裂傾向越大。由於各種鋼材的淬裂傾向不同，在設計零件時應根據性能要求，根據淬透性和脆硬性，從工藝和經濟等角度綜合分析和選擇鋼材。

圖8 化學成分與淬裂的關係（水淬）

3.2 淬火零部件的設計

機械零件的設計往往主要考慮材料的力學性能而忽略熱處理工藝性能。有些零件從材料強度上看可能很合理，但從熱處理工藝角度分析，其形狀尺寸可能是不適當的。為了防止零件在淬火急冷中開裂，應設法使其均熱均冷，均縮均脹。為此，在零件設計中要注意兩點：(1)斷面要均勻；(2)沒有缺口效應。良好的設計要求截面厚度均勻、形狀對稱、平滑過渡和加開工藝孔。對於形狀複雜、尺寸較大(大於400 mm)的大型凹模及薄而長的凸模，應採用分離鑲拼結構，變繁為簡，化大為小，變模具內表面為外表面，既便於冷熱加工，又可以有效降低淬裂傾向，提高產品合格率。

圖9 不均勻截面工件設計的改進

(a)組合設計和加工藝孔；

(b)設計通孔；

(c)設計均勻截面

3.3 合理制定熱處理技術條件

設計者應根據零部件的工作條件和性能要求,合理地制定熱處理技術條件。只要能滿足工作要求，應盡量減少淬火硬化的程度和部位，不必盲目追求高硬度和整體淬火，而以局部硬化、表面硬化代替整體硬化，從而減少淬火裂紋。

3.4 選擇淬火介質

淬火介質有固體、液體和氣體3種狀態的多種物質。選擇淬火介質要考慮如下因素：(1)淬火介質的冷卻能力；(2)對畸變開裂的影響；(3)經濟性、耐久性；(4)安全可靠性等。

理想淬火介質的冷卻曲線下圖所示。該介質在過冷奧氏體分解最快的溫度下，具有最強的冷卻能力，而在接近馬氏體點(MS)時冷卻能力又變得較為緩和，這樣就保證了硬化要求，並減小了淬火應力，防止淬火畸變開裂。各種鋼材的過冷奧氏體的穩定性不同，實際工件的尺寸不同，應選擇不同的淬火介質。儘管目前的淬火介質種類繁多，然而能同時適應各種鋼材和不同尺寸工件的淬火劑是不存在的，只能根據具體情況盡量合理地選用，並與各種淬火冷卻方式相配合。