锻造裂纹与热处理裂纹原理形态

来源:金属材料及热处理作者:袁凤松

  一、锻造裂纹与热处理裂纹形态

  锻造裂纹一般在高温时形成,锻造变形时由于裂纹扩大并接触空气,故在100X或500X的显微镜下观察,可见到裂纹内充有氧化皮,且两侧是脱碳的,组织为铁素体,其形态特征是裂纹比较粗壮且一般经多条形式存在,无明细尖端,比较圆纯,无明细的方向性,除以上典型形态外,有时会出现有些锻造裂纹比较细。裂纹周围不是全脱碳而是半脱碳。

  淬火加热过程中产生的裂纹与锻造加热过程形成的裂纹在性质和形态上有明显的差别。对结构钢而言,热处理温度一般较锻造温度要低得多,即使是高速钢、高合金钢其加热保温时间则远远小于锻造温度。由于热处理加热温度偏高,保温时间过长或快速加热,均会在加热过程中产生早期开裂。产生沿着较粗大晶粒边界分布的裂纹;裂纹两侧略有脱碳组织,零件加热速度过快,也会产生早期开裂,这种裂纹两侧无明显脱碳,但裂纹内及其尾部充有氧化皮。有时因高温仪器失灵,温度非常高,致使零件的组织极粗大,其裂纹沿粗大晶粒边界分布。

  结构钢常见的缺陷:

  1、锻造缺陷

  (1)过热、过烧: 主要特征是晶粒粗大,有明显的魏氏组织。出现过烧说明加热温度高、断口晶粒粗大,凹凸不平,无金属光泽,晶界周围有氧化脱碳现象。

  (2)锻造裂纹: 常产生于组织粗大,应力集中处或合金元素偏析处,裂纹内部常充满氧化皮。锻造温度高,或者终端温度低,都容易产生裂纹。还有一种裂纹是锻造后喷水冷却后形成的。

  (3)折叠:冲孔、切料、刀板磨损、锻造粗糙等原因造成了表面缺陷,在后续锻造时,将表面氧化皮等缺陷卷入锻件本体内而形成折缝。在显微镜上观察时,可发现折叠周围有明显脱碳。

  2、热处理缺陷

  (1)淬裂: 其特点是刚健挺直,呈穿晶分布,起始点较宽,尾部细长曲 折。此种裂纹多产生于马氏体转变之后,故裂纹周围的显微组织与其它区域无明显区别,也无脱碳现象。

  (2)过热:显微组织粗大,如果是轻度过热,可采用二次淬火来挽救。

  (3)过烧:除晶粒粗大外,部分晶粒已趋于熔化,晶界极粗。

  (4)软点:显微组织有块状或网状屈氏体和未溶铁素体等。加热不足,保温时间不够,冷却不均匀都会产生软点。

  二、锻造裂纹与热处理裂纹产生原因

  锻造裂纹:钢在锻造过程中,由于钢材存在表面及内部缺陷,如发纹、砂眼、裂纹、夹杂物、皮下气泡、缩 孔、白点和夹层等,都可能成为锻打开裂的原因。另外,由于锻打工艺不良或操作不当,如过热、过烧或终锻温度太低,锻后冷却速度过快等,也会造成锻件开裂。

  热处理裂纹:淬火裂纹是宏观裂纹,主要由宏观应力引起。在实际生产过程中,钢制工件常由于结构设计不合理,钢材选择不当、淬火温度控制不正确、淬火冷速不合适等因素,一方面增大淬火内应力,会使已形成的淬火显微裂纹扩展,形成宏观的淬火裂纹,另一方面,由于增大了显微裂纹的敏感度,增加了显微裂纹的数量,降低了钢材的脆断抗力Sk,从而增大淬火裂纹的形成可能性。

  影响淬裂的因素很多,这里仅将生产中常碰到的几种情况作一介绍:

  1、原材料已有缺陷而导致的淬裂:如果原材料表面和内部有裂纹或夹杂物等缺陷,在淬火之前未发现,有可能形成淬火裂纹。

  2、夹杂物导致的开裂: 如果零件内部夹杂物严重,或本身因夹杂物严重已经隐藏有裂纹,淬火时将有可能产生裂纹

  3、因原始组织不良而导致的淬裂

  4、淬火温度不当造成的淬裂 ,淬火温度不当引起零件淬裂,一般有两种情况:

  (1)仪表指示温度低于炉子的实际温度,使淬火温度偏高,造成淬火过热,导致工件发生开裂。凡是过热 淬火开裂的金相组织均存在晶粒粗大和粗大的马氏体。

  (2)钢件实际含碳量高于钢材牌号所规定的含量,若按原牌号的正常淬火工艺淬火时,等于提高了钢的淬火温度,容易造成零件过热和晶粒长大,使淬火时应力增大而引起淬裂。

  5、淬火冷却不当造成的淬裂,淬火时由于冷却不当,也会使零件产生淬裂事故。

  6、机加工缺陷导致的淬裂,由于机加工不良,在零件表面留下了粗而深的刀痕,尽管是很简单的零件或不是应力集中的地方,也会在淬火时造成开裂 ,或在服役过程中发生早期损坏。

  7、零件外形对淬火裂纹的影响,零件几何形状不合理,或截面过度区厚薄相差较大,在淬火时均易因应力集中产生裂纹

  8、不及时回火导致的开裂,淬火后不及时回火,将可能因淬火残余应力过大而导致裂纹产生。

  总之,应用金相方法进行缺陷分析是一项较为复杂的工作,由于零件失效有时是由多种因素所造成的,所以在实际工作中,应做多方面调查,掌握实情,并从多方面进行分析,以确保缺陷分析的准确性。

  三、热处理裂纹产生机理与磨削裂纹产生机理

  热处理裂纹产生机理:工件淬火后出现开裂是由内应力引起的。 内应力分为热应力与相变应力。

  (1)工件在加热或冷却时,由于不同部位存在着温度差而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力。

  (2)淬火工件在加热时,铁素体和渗碳体转变为奥氏体,冷却时又由奥氏体转变为马氏体。由于不同组织的比容不同,故加热冷却过程中必然要发生体积变化。热处理过程中由于工件表面与心部的温差使各部位组织转变不同时进行而产生的应力称为相变应力。 淬火冷却时,工件中的内应力超过材料的屈服点,就可能产生塑性变形,如内应力大于材料的抗拉强度,则工件将发生开裂。

  磨削裂纹产生机理:

  高的磨削温度容易烧伤工件表面,使淬火钢件表面退火,硬度降低。即使由于切削液的浇注,可能发生二次淬火,也会在工件表层产生张应力及微裂纹,降低零件的表面质量和使用寿命。

  1.零件热处理裂纹产生的原因

  零件在热处理过程中会产生很大的内应力(组织应力和热应力),当这些应力超过钢的屈服强度时,会引起零件的变形;当应力更大,超过钢的抗拉强度时,则会造成零件的开裂。

  作用在零件上的应力有两种:压应力和拉应力。淬火时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原因。但是当钢的塑性较高时,即使有较大的拉应力也不会引起零件的开裂,比如没有发生组织转变的去应力退火,获得较多残留奥氏体的等温淬火等。只有在应力较大,又具备了高硬度、脆性大的组织时,才容易造成零件的开裂。

  故淬火裂纹的形成必须同时存在两个条件:一是具有脆性组织;二是拉应力超过了此时钢的抗拉强度(当然其他情况也能促使零件裂纹发生,比如原材料缺陷、设计及机械加工不当造成的缺陷等)。

  2.关于裂纹的类型

  裂纹的分类方法各种各样。按裂纹的方向分,有纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹和网状裂纹(又称龟裂)等;按裂纹发生的位置分,有表层裂纹(或称表面裂纹)和内部裂纹;按裂纹发生在不同的工序分,有锻造裂纹、焊接裂纹、淬火裂纹、回火裂纹、冷处理裂纹、酸洗裂纹及磨削裂纹等。零件在热处理过程中以淬火裂纹为最多。

  3.裂纹的分辨方法

  如何区分究竟是淬火裂纹、回火裂纹、锻造裂纹还是磨削裂纹等是很重要的,这样便于准确查找裂纹发生在哪一工序,有利于分析裂纹产生的原因。

  第一,注意淬火裂纹和磨削裂纹形态的不同。对于淬火时未发现而在磨削后才发现的裂纹,要区别是淬火裂纹还是磨削裂纹。在裂纹未附着污染物时比较容易,此时注意裂纹的形态,特别是裂纹发展的方向,磨削裂纹是垂直于磨削方向的,呈平行线形态,或呈龟甲状裂纹。磨削裂纹的深度根浅,而淬火裂纹一般都比较深 比较大,与磨削方同无关,多呈直线刀割状开裂。

  第二,注意裂纹发生的部位。尖锐的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的表面缺陷等部位,在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。

  第三,通过观察零件的裂断面来区分是淬火裂纹还是淬火前的锻造裂纹或其他情况造成的裂纹。若裂纹断面呈白色或暗白色或浅红色(水淬时造成的水锈),均可断定为淬火裂纹,若裂纹断面呈深褐色,甚至有氧皮出现,那就不是淬火裂纹,系淬火前就存在的裂纹,是零件经过锻造或压延时形成的裂纹,这些裂纹都会因淬火而被扩大。因淬火裂纹基本上是在MS点以下时形成的,其断面是不会被氧化的。

  第四,在显微组织中,淬火裂纹是沿晶界断裂,若不是沿晶界断裂,而是沿晶内断裂,则属于疲劳裂纹。

  第五,如果裂纹周围有脱碳层存在,那就不是淬火裂纹,而是淬火前就存在的裂纹,因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的,绝不会发生脱碳现象。

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