1、 东莞市力华机械设备有限公司影响淬火开裂的因素钢的淬火裂纹的形成原因包括内部元素和外部条件。内部元素主要是由马氏体的成分、组织结构等决定的本质脆性；外部因素主要是各种工艺条件、零件尺寸形状等引起的宏观内应力的大小、方向、分布状态等。影响本质脆性的因素，例如钢材的冶金质量、钢中的含碳量及合金元素、马氏体的组织结构、马氏体显微裂纹、显微局部应力、原始组织状态等。影响宏观内应力的因素较为复杂，例如淬透性、淬透性深度、脱碳、表面硬化、工件尺寸和形状、加工质量及粗糙度、热处理工艺规范、加热及冷却设备、淬火后的回火与矫直及再加工等等。显然影响淬火裂纹的因素十分复杂。在现在一旦出现淬火裂纹的报废零件，往往
2、是“打不清的官司” 。只有认清各种因素作用的本质、途径、规律性，并对具体零件的淬裂现象进行具体分析、检测，才能搞清主要因素、次要因素，并从中确定防止淬裂的措施，提高成品率，控制废品率，增加经济效益。因此研究影响淬火开裂的因素及其作用规律具有重要实际意义。一、钢材冶金质量的影响缩孔和严重的轧制缺陷造成材料明显的不均匀性，这时材料是不宜于进行热处理的。而不少材料的冶金缺陷均可能单独与宏观或微观的内应力发生作用，促发淬火裂纹。这些冶金质量问题包括：粗视偏析、固溶体偏析、固溶氢、锻轧缺陷、压渣、铁素体-珠光体带状组织及碳化物带状组织等。1. 粗视偏析的影响钢在铸造凝固过程中产生的内应力可能导致开裂。例
3、如约 0.3%的碳钢，形成凝固裂纹的倾向比较大，它是由 Fe 向 Fe 相变过程中形成的。当裂纹形成后，它向内部发展以致当裂纹与液相接触时，富集着杂质元素的钢液填入裂纹中，这样裂纹就变成了偏析线。在整个钢锭范围内发生的偏析，称区域偏析。用于制造大型锻件的大钢锭中最易出现区域偏析。用具有粗视偏析的坯料制成的零件，尤其是形状复杂的工件，其淬火开裂的倾向性较高。这是由于各区域化学成分不同，Ms 点不同，则马氏体转变的不同时性较大，从而造成较大内应力，以致淬火开裂。2. 固溶体偏析的影响固溶体偏析是显微偏析，它可以由枝晶偏析造成。钢在结晶时，先结晶的枝干比较纯净，碳浓度较低，而迟结晶的枝间部分碳浓度较
4、高。其他元素在枝干和枝间的偏析情况大体与碳相仿。这种偏析造成奥氏体各微区化学成分差别较大，因而各微区的 Ms 点不同，发生马氏体转变的时间先后不一，在显微局部区域出现很大的显微内应力，因而可能导致淬火裂纹。3. 固溶氢的影响若浇注条件控制不当，会使钢中的氢气含量提高从而可能形成白点。如果同时存在偏析，出现白点的可能性则更大。如果浇注后冷却速度太快，氢气将处于过饱和状态或富集在特定的组织区域内，如富集在非金属夹杂物附近。当氢原子结合成氢分子时会产生很高的压力，从而导致形成细微内裂即白点。这种材料在淬火时，白点则可作为淬火裂纹源。在尺寸较大的锻件上，如冷轧辊，淬火之后往往会出现滞后开裂，它的起因是
5、工件心部材料的氢含量过高。 东莞市力华机械设备有限公司4. 夹杂物的影响非金属夹杂物较多的钢材，在轧制之后，会形成明显的带状夹杂物。这种冶金缺陷将会大大提高淬火内应力分布的不均匀性，从而使钢材的淬火裂纹敏感性增加。在亚共析钢中，铁素体-珠光体带状组织会使带状夹杂的淬火开裂倾向进一步增大。在富碳的条带中易出现导致微观裂纹的片状马氏体，增加淬火组织和内应力的不均匀性。具有枝晶偏析的钢材，经轧、锻热变形，枝晶干和枝晶间被延伸拉长，形成“纤维”（或流线） 。流线使钢的力学性能产生方向性，垂直于流线方向强度较低。淬火不均匀应力可能使钢材沿流线方向产生裂纹。2、含碳量及合金元素的影响1. 含碳量的影响含碳
6、量对断裂强度的影响含碳量的增加，降低马氏体的断裂强度。E 为弹性模量； 为表面能；d 为原子面间距。多晶体 铁的理论断裂强度约为 40000MPa。马氏体的断裂强度应低于此值，但尚却少研究，可作一般理论推断。固溶体中随溶质浓度提高，弹性模量 E 的变化趋向是和固相线的走向一致的。在 Fe-C 合金中，随钢的含碳量增加，固相线是不断降低的。如 Fe - C 相图的 J 点到 E 点，含碳量由 0.17% C 升高到 2.11% C，固相线温度则由 1495降到 1148。因此含碳量提高，马氏体中铁原子间结合力降低，弹性模量是降低的。普通中碳钢淬火热处理使马氏体弹性模量降低 10 %。弹性模量的降
7、低，断裂强度值也随之降低。淬火马氏体的准解理断口取向是沿铁素体的面。正方马氏体的 c 轴比较长， （001）M面的间距较大，因此可能沿（001）面断裂，而（001）面的间距 d 即为轴长 c，c 值是含碳量的函数：c = 0 + 0.116（ C）式中， 0 是 Fe 的点阵常数，为 0.286nm。可见含碳量增加，c 值变大。因此，含碳量的增加使断裂强度降低。此外，随马氏体中含碳量增加，位错亚结构逐渐变为李晶亚结构；淬火显微裂纹也会增加；这些都增加了马氏体的脆性，降低断裂强度。不过，如果含碳量仅为亚共析钢范围，对于过共析钢来说，继续增加含碳量对淬裂倾向的影响与淬火加热温度有关。如果加热温度在
8、 Ac1Acm 之间，奥氏体中固溶体碳量变化不大，并且有较多的未溶解的渗碳体或合金碳化物。淬火后得到马氏体基体上分布着粒状碳化物。这种复相组织的弹性模量要按两相整合后的体积比例的平均值计算。由于碳化物的熔点或分解温度较高，弹性模量较大，因此这种复相组织的模量 E 值可能有所增加。这时淬火钢的开裂倾向变化不大。然而，若将过共析钢加热到 Acm 以上，进行过热淬火，这时碳全部溶入奥氏体中，且奥氏体晶粒粗化，淬火时转变为粗大针状（片状）或蝶状马氏体组织，这会增加显微局部应力，甚至形成显微裂纹。因此，高碳马氏体的断裂强度更低，更加脆化，增加了淬裂倾向。2.对宏观内应力的影响钢中含碳量增加时，宏观内应力
9、也促进淬裂方向发展。含碳量增加，热应力影响变弱，相变应力的影响加强。水中淬火时，表面压应力变小，而中间部位的拉应力极大值向表面靠近。轴中淬火时，表面拉应力变大。所有这些都是增加淬火开裂倾向。3.淬裂M s含碳量的关系随着含碳量的增加，M s 点降低。不同碳浓度的 Fe-C 合金的 Ms 点为：M s520-320（ C） 东莞市力华机械设备有限公司可见碳浓度与 Ms 点呈线性关系。与 Ms含碳量的直线关系相适应，淬裂与不淬裂的倾向也有相应的变化。淬火开裂发生在 0.4%C 以上，M s 点在 330以上的并不容易发生淬火裂纹。由此可见，为了避免零件淬裂，可以选用 0.4%C 以下的钢种。合金元
10、素的影响合金元素对淬火裂纹的影响不一。人们的看法也不尽相同。有人认为合金元素若使 Ms点降低，则冷却到室温时钢中的残留奥氏体增多，从而减少组织应力，延缓裂纹的扩展，有利于减少钢件的淬裂倾向。有人则相反的观点。大和久重雄认为：合金元素除钴、镍外均降低钢的马氏体点，提高淬透性。淬透性好且 Ms 点低的钢一般淬裂倾向较大。合金元素对 Ms 点的影响有下式描述：Ms = 550 - 350 (C)40 (Mn) - 35 (V) -20 (Cr) -17 (Ni) -10 (Cu) - 10 (Mo) -5 (W) +10 (Co) + 30 (Al) + 0 (Si)由此可见，降低 Ms 最显著的元
11、素是碳，其次是锰。 Mn、Cr 、V 、Mo 等元素与碳一样，随含量的增加而淬裂倾向变大。实际上含有 Cr、Mn 等元素的钢都是比较容易淬裂的。然而，硼比较特殊，硼能有效地提高淬透性，使 C-曲线右移，但不降低 Ms 点，因而硼钢对淬裂不敏感，是优良的淬火用钢。合金元素对淬裂的影响是复杂的，多方面的，需要综合分析。合金元素较多时会降低钢的导热性，淬火时增加零件内外温差，加大相变的不等时性，因而增加内应力。加之合金元素强化奥氏体，难以塑性变形来松弛应力，因而增加热处理应力，有增加淬裂的倾向。然而合金元素提高了淬透性，故可改用较缓和的淬火冷却剂，以便减少淬火开裂。有些合金元素，如钒、铌、钛有细化奥
12、氏体晶粒的作用，减少过热倾向，因而淬火后得到的马氏体组织也被细化，这也有助于减少淬裂倾向。钢中的杂质元素和常存元素，如硅、锰、硫、磷、氧、氢等影响钢材的冶金质量，产生冶金缺陷如杂物、气孔和白点等，破坏钢材的完整性；降低强度、易应力集中。如钢材有带状分布时往往在正常淬火条件下促发裂纹。稀土元素对淬裂的影响研究甚少，说法不一，稀土元素能净化钢材、改善夹杂物形态，增加板条状马氏体量，减少孪晶马氏体量，因而可提高韧性。适量的稀土元素可以减少位错移动所需要的摩擦力，因而有降低脆性破断倾向的作用。稀土元素富集于晶界，可净化和强化晶界，使磷等杂质难以再偏集于晶界、可能起到减轻沿晶断裂的作用。3、原始组织的影
13、响除了钢的化学成分以外，淬火前的原始组织结构对淬裂的影响也很大。例如，粗片状珠光体；马氏体和贝式体等非平衡组织；不均匀，网状碳化物；非金属夹杂物；锻造过热组织及流线等均可能导致或促发淬火裂纹。1.珠光体形态的影响珠光体分为粗片状珠光体、细珠光体、极细珠光体；还有点状珠光体、细粒状珠光体、球状珠光体等。这些组织都是在铁素体基体上分布着不同形状的碳化物。它们具有不同的淬火裂纹敏感性。淬火裂纹越多，淬裂倾向越大。可见，粒状珠光体向奥氏体的相对均匀化四个阶段。继续提高温度或延长保温时间，奥氏体晶粒将要长大而粗化。当钢的成分相同，珠光体中碳化物的分散度越大，相界面越多，奥氏体成核率越大。珠光体片间距愈小
14、，奥氏体核中碳浓度梯度愈大，扩散速度愈快，且碳原子扩散距离愈短，奥氏体晶粒长大速度愈大。因此，珠光体越细，奥氏体形成速度越快。例如，760等温分解时，珠光体的片层间距从 0.5m 减薄到 0.1m，奥氏体长大速度增加近 7 倍。可见细珠光体向奥氏体的转变速度比粗珠光体快。珠光体中碳化物的形状对奥氏体形成速度也有影响，片状珠光体相界面较大，渗碳体较薄，较粒状渗碳体易于溶解，所以奥氏体形成较快。 东莞市力华机械设备有限公司那么，在相同的加热条件下，细片状珠光体完成奥氏体转变最快，并先行晶粒长大及均匀化，因而易于加热。这样淬火时得到较粗大马氏体，无疑淬裂倾向最大。另一方面，从渗碳体的溶解情况看，也是粒状渗碳体对性能的影响较好。
