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      淬火工藝主要用于鋼件，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(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度）以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。

      淬火裂紋是指在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋，后者又叫時(shí)效裂紋。裂紋的分布沒有一定的規(guī)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(yīng)力超過材料的斷裂強(qiáng)度，或者雖未超過材料的斷裂強(qiáng)度，但材料由于存在內(nèi)部缺陷也會(huì)發(fā)生開裂。造成淬火開裂的具體原因很多，分析時(shí)應(yīng)根據(jù)裂紋特征加以區(qū)分。

      馬氏體的本質(zhì)脆性是淬火裂紋的內(nèi)因，而馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、冶金缺陷等是馬氏體本質(zhì)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(nèi)應(yīng)力的大小、方向、分布狀態(tài)等是淬火裂紋的外因。下面將從微觀到宏觀，從內(nèi)部到外部對(duì)鋼件的淬火裂紋進(jìn)行分析。

     眾所周知，中高碳鋼淬火后，其韌性低，脆性大，易產(chǎn)生顯微裂紋和宏觀開裂。這主要是由馬氏體的本質(zhì)脆性決定的。而馬氏體的本質(zhì)脆性又決定于材料的冶金質(zhì)量、含碳量和合金元素、原始組織狀態(tài)、馬氏體的組織結(jié)構(gòu)、顯微應(yīng)力及顯微裂紋等。

圖1 淬火裂紋的宏觀形態(tài)圖

2.1.1 材料冶金質(zhì)量

      縮孔和嚴(yán)重的軋制缺陷造成材料明顯的不均勻性，這時(shí)材料是不宜進(jìn)行熱處理的。而不少材料的冶金缺陷均可能單獨(dú)與宏觀或微觀的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生作用，促發(fā)淬火裂紋。這些冶金質(zhì)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(kuò)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(qiáng)度。根據(jù)脆性固體理論斷裂強(qiáng)度：

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

      而合金元素對(duì)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(duì)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(cuò)移動(dòng)所需要的摩擦力，因而有降低脆性破斷傾向的作用。稀土元素富集于晶界，可凈化和強(qiáng)化晶界，使P等雜質(zhì)難以再偏集于晶界，可能起到減輕沿晶斷裂的作用。

2.1.3 原始組織狀態(tài)

      除了鋼中的化學(xué)成分以外，淬火前的原始組織結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀碳化物；非金屬夾雜物；鍛造過熱組織及流線等均可能導(dǎo)致或促發(fā)淬火開裂。

圖3 不同形態(tài)珠光體組織對(duì)淬裂的影響

1-細(xì)片狀珠光體；2-點(diǎn)狀珠光體；3-細(xì)粒狀珠光體；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(shí)容易產(chǎn)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?yàn)榈吞捡R氏體為平行的板條，相互碰撞的機(jī)會(huì)少，且本身的塑性高，可以通過變形而使應(yīng)力松弛，不易產(chǎn)生顯微裂紋。而高碳馬氏體內(nèi)由于馬氏體片相互碰撞，片狀馬氏體又不能作相應(yīng)的形變來消除應(yīng)力，造成碰遇處的應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)就形成顯微裂紋。這種先天的缺陷使高碳馬氏體進(jìn)一步增加了脆性，在其它應(yīng)力的作用下，顯微裂紋可能發(fā)展為宏觀開裂。

2.2.1 零件尺寸和形狀

      若材料的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和原始組織都相同，但零件的尺寸、形狀不同，那么在相同的熱處理?xiàng)l件下，仍表現(xiàn)出不同的淬裂傾向。對(duì)普通鋼而言，過細(xì)或過粗的工件一般不會(huì)淬裂，大和久重雄認(rèn)為，水中淬火時(shí)，臨界直徑正是淬裂的危險(xiǎn)尺寸。臨界直徑是工件在一定的淬火介質(zhì)中冷卻時(shí)，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D_Ⅰ、含碳量與淬裂的關(guān)系

     淬火開裂與工件的形狀有密切的關(guān)系，鋼件形狀影響淬火應(yīng)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(nèi)應(yīng)力集中處，是斷裂的危險(xiǎn)部位。

2.2.2 加熱不當(dāng)

      工件在熱處理時(shí)的加熱溫度、保溫時(shí)間和加熱設(shè)備(爐內(nèi)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(shí)間延長(zhǎng)，使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，則淬火馬氏體粗化、脆化，斷裂強(qiáng)度降低，這是淬裂傾向增大的根本原因。不容易發(fā)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于產(chǎn)生淬火裂紋。重油爐、燃煤爐等火焰爐是最容易發(fā)生淬裂的爐型。

圖5 產(chǎn)生淬火裂紋試樣數(shù)目與淬火溫度間的關(guān)系

(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(shí)，在兩個(gè)溫度范圍內(nèi)必須注意控制冷卻速度。其中一個(gè)區(qū)域是為了完全淬火硬化而需要快冷的臨界區(qū)域，為了使零件淬硬，在臨界區(qū)應(yīng)當(dāng)急冷。另一個(gè)區(qū)域是容易產(chǎn)生淬火裂紋的低溫區(qū)，在MS點(diǎn)溫度以下，在這個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，體積膨脹，產(chǎn)生第二類畸變、第二類應(yīng)力及宏觀熱處理應(yīng)力，可能導(dǎo)致淬火裂紋，因此稱危險(xiǎn)區(qū)。在危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)當(dāng)盡量慢冷，以緩和淬火內(nèi)應(yīng)力。

圖6 淬火臨界區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)示意圖

2.2.4 淬火后加工處理

      零部件淬火后多進(jìn)行加工處理。按加工處理的性質(zhì)可分為熱加工、機(jī)械加工和化學(xué)加工三類，以及它們的綜合應(yīng)用。淬后加工處理導(dǎo)致形成裂紋的過程是一個(gè)淬火宏觀、微觀內(nèi)應(yīng)力和顯微裂紋與淬后加工過程中出現(xiàn)的負(fù)荷應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力之間發(fā)生相互作用的過程。

圖7 零件淬火后的加工處理圖解

     鋼件淬火開裂與馬氏體的組織結(jié)構(gòu)、淬火內(nèi)應(yīng)力、工件的尺寸形狀及生產(chǎn)條件等因素有關(guān)，明確了這些影響因素為防止淬火開裂采取相應(yīng)的措施提供了可能。本節(jié)主要從鋼材的選擇、淬火零部件的設(shè)計(jì)，合理制定熱處理技術(shù)條件、選擇淬火介質(zhì)、選定淬火冷卻方法等方面論述在生產(chǎn)實(shí)踐中具有一定效果的防止鋼件淬火開裂的方法。

      鋼材不同，淬火裂紋發(fā)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(fā)生淬裂。下圖表示水淬時(shí)淬裂傾向與鋼的化學(xué)成分的關(guān)系。圖中所示指數(shù)的負(fù)值越高，即為淬裂傾向越大。由于各種鋼材的淬裂傾向不同，在設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)根據(jù)性能要求，根據(jù)淬透性和脆硬性，從工藝和經(jīng)濟(jì)等角度綜合分析和選擇鋼材。

圖8 化學(xué)成分與淬裂的關(guān)系（水淬）

      機(jī)械零件的設(shè)計(jì)往往主要考慮材料的力學(xué)性能而忽略熱處理工藝性能。有些零件從材料強(qiáng)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(dāng)?shù)摹榱朔乐沽慵诖慊鸺崩渲虚_裂，應(yīng)設(shè)法使其均熱均冷，均縮均脹。為此，在零件設(shè)計(jì)中要注意兩點(diǎn)：(1)斷面要均勻；(2)沒有缺口效應(yīng)。良好的設(shè)計(jì)要求截面厚度均勻、形狀對(duì)稱、平滑過渡和加開工藝孔。對(duì)于形狀復(fù)雜、尺寸較大(大于400mm)的大型凹模及薄而長(zhǎng)的凸模，應(yīng)采用分離鑲拼結(jié)構(gòu)，變繁為簡(jiǎn)，化大為小，變模具內(nèi)表面為外表面，既便于冷熱加工，又可以有效降低淬裂傾向，提高產(chǎn)品合格率。

圖9 不均勻截面工件設(shè)計(jì)的改進(jìn)

(a)組合設(shè)計(jì)和加工藝孔；(b)設(shè)計(jì)通孔；(c)設(shè)計(jì)均勻截面

      設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)零部件的工作條件和性能要求,合理地制定熱處理技術(shù)條件。只要能滿足工作要求，應(yīng)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。

     淬火介質(zhì)有固體、液體和氣體3種狀態(tài)的多種物質(zhì)。選擇淬火介質(zhì)要考慮如下因素：(1)淬火介質(zhì)的冷卻能力；(2)對(duì)畸變開裂的影響；(3)經(jīng)濟(jì)性、耐久性；(4)安全可靠性等。

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

圖10 C-曲線和理想冷卻強(qiáng)度

     一般說，淬火裂紋產(chǎn)生在淬火硬化部分。為了實(shí)現(xiàn)淬火硬化，必須從奧氏體化溫度以大于臨界冷卻速度進(jìn)行急冷。熱應(yīng)力和相變應(yīng)力之和是正值(拉應(yīng)力)還是負(fù)值(壓應(yīng)力)，決定了淬火裂紋是否發(fā)生。為正值易裂，為負(fù)值則不易裂。為了防止淬裂，應(yīng)充分有效地利用熱應(yīng)力，減少相變應(yīng)力。

圖11 冷卻速度與淬裂的關(guān)系

    （1）預(yù)冷淬火：把工件自?shī)W氏體化溫度取出，先行在空氣中預(yù)冷一段時(shí)間，使各部分溫差減小，或在技術(shù)條件允許的情況下，令其最薄的截面處或棱角處產(chǎn)生部分非馬氏體組織，然后再進(jìn)行全部淬火。

    （2）雙液淬火：雙液淬火從單純防止淬火裂紋的觀點(diǎn)出發(fā)，關(guān)鍵是第二級(jí)淬火介質(zhì)的緩冷作用。先強(qiáng)冷后弱冷，如水-油、水-空、油-空氣等。

    （3）分級(jí)淬火：分級(jí)淬火是將工件從淬火溫度直接快速冷卻到Ms點(diǎn)以上某一溫度，經(jīng)適當(dāng)時(shí)間保溫后空冷。如截面大、易變形開裂的高碳鋼，應(yīng)采用兩到三次的分級(jí)淬火。

    （4）等溫淬火：將工件由淬火溫度以大于臨界淬火速度的冷速冷到Ms點(diǎn)稍上某一溫度，保溫較長(zhǎng)時(shí)間，使過冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。一般用油淬。

      除此之外，還有薄殼淬火、間隙淬火、局部淬火、調(diào)節(jié)水溫等方法。

      另外在淬火前各工序的合理性、加熱參數(shù)的確定、和回火等方面也具有一定效果的防止鋼件淬火開裂的方法。

      引起零件淬火開裂與畸變的原因很多，一旦產(chǎn)生上述缺陷，應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）零件的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。

（2）有無原材料或毛坯缺陷。

（3）檢驗(yàn)其熱處理工藝過程。