鋼材熱處理之: 大型零件淬火裂紋案例分析
1.大型零件淬火裂紋的形成
（1）大型零件淬火殘余應(yīng)力為熱應(yīng)力型 淬火介質(zhì)的冷卻能力越強、截面尺寸越大、加熱溫度越高,淬火殘余應(yīng)力越大。
（2）應(yīng)力作用方式與開裂原因 冷卻末期，外層金屬已冷到低溫，內(nèi)部金屬的溫度必然高于外層。當(dāng)其繼續(xù)降溫時，因伴隨體積收縮受到外層金屬的強力約束，而在中心部位產(chǎn)生三維拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力作用在截面的中心處。金屬力學(xué)性能理論表明，金屬在三維拉應(yīng)力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，極易產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂；這就是具有珠光體組織的大件心部金屬，在熱應(yīng)力型應(yīng)力作用下形成裂紋的根本原因。
（3）斷口特征
1）短圓柱型 常為縱向裂開，當(dāng)高度為直徑的兩倍左右時，有橫斷現(xiàn)象。多見于碳素工具鋼，這些零件中心往往存在網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的強度并沿其擴展。
2）軸類 當(dāng)軸向與切向最大拉應(yīng)力超過零件中心處材料的強度時，首先在該處開裂。隨后在淬火應(yīng)力的作用下，裂紋分別沿縱向和橫向由內(nèi)向外擴展，直到在外表面露出裂紋。但是裂紋也可能終止于內(nèi)部某處成為內(nèi)裂。當(dāng)殘余應(yīng)力足夠大時，可能在淬火末期自行完全斷開。然而更多時候是在露出零件表面裂紋的基礎(chǔ)上，通過機加工等辦法而顯現(xiàn)。在長度遠(yuǎn)大于直徑的時候，橫斷比縱裂更多見，而且同一零件上可能產(chǎn)生多處橫斷或縱裂。裂紋源通常位于截面中心處，當(dāng)截面中心附近區(qū)域存在冶金缺陷時，裂紋源才可能偏離截面中心處。
3）齒圈類 一般為中碳鑄鋼制造，只能形成徑向裂紋。裂源為橫斷面的幾何中心處或鑄造的熱節(jié)點處，并由此通過齒圈中心的徑向面，由里向外擴展，最終裂開。
4）炸裂的內(nèi)裂：
炸裂是有傷害危險的開裂，應(yīng)注意防范。炸裂發(fā)生在冷卻末期以后。
5）斷口特征 斷裂面平齊，無明顯塑性變形發(fā)生，呈典型的脆性斷口。
（4）內(nèi)部冶金缺陷的作用 大件截面中心及其附近，是熱應(yīng)力型應(yīng)力的最大拉應(yīng)力存在和作用的位置，這里又是許多冶金缺陷產(chǎn)生或存在的部位。這些缺陷是重要的促裂、誘裂因素，也是大件淬裂的天然裂源和直接原因。由于種種原因的制約與影響，目前我國大型鑄鍛件的綜合冶金質(zhì)量還很不理想，因而成為影響大件淬裂的最重要的實際因素之一。
應(yīng)當(dāng)注意的是：存在于大型零件表面上的一切能引起應(yīng)力集中效應(yīng)的因素，在淬火過程中，決無誘發(fā)和促進(jìn)裂紋作用。故此，熱處理之前不必要清除大型鑄鍛件的表面缺陷。
2.大件淬裂的預(yù)防措施
（1）利用熱處理基本應(yīng)力的交互作用和雙重作用特征，設(shè)計或改進(jìn)大件的淬火工藝；
（2）利用預(yù)冷降溫的方法；
（3）淬火冷卻不進(jìn)行到低溫；
（4）及時回火注意回火冷卻方法。
大件淬裂案例分析--頂尖淬火開裂原因分析
1）橫向裂紋 2）縱向裂紋
圖7-48頂尖表面裂紋形貌
萬能工具磨床用大頂尖，在一批80多個的淬火中，有幾個出水后聽見較大的異常聲響，有的直接發(fā)現(xiàn)了裂紋，有的磨削后裂紋才顯露出來。追溯頂尖熱處理的歷史，在不同批次的淬火中，每次出水后都能聽見異常聲響，隨后就會發(fā)現(xiàn)幾個頂尖出現(xiàn)位置和特征相類似的裂紋，如圖7-48所示；
還出現(xiàn)了垂直于軸線完全斷裂的特征，如圖7-49（2）所示。
頂尖材料為T10鋼，加工路線為：下料→退火→機加→淬火→機加。熱處理工藝要求為：780±10℃×15s，大端入鹽爐至2/3部分進(jìn)行局部加熱淬火，160℃×1h回火，硬度≥61HRC，用銼刀檢驗頂尖硬度，打滑時說明淬火硬度合格。實際淬火加熱800±10℃×20min出爐后預(yù)冷5s左右，把加熱的2/3部分入CaCl2溶液30s左右淬火，然后全部入溶液浸兩下約1s出水。為了尋找頂尖淬火開裂原因，提高熱處理質(zhì)量，采用宏觀檢驗、微觀檢驗、掃描電鏡等方法對頂尖進(jìn)行分析。
1.檢驗方法與結(jié)果
（1）宏觀檢驗 經(jīng)調(diào)查可知，在幾乎所有出現(xiàn)裂紋的頂尖上，均出現(xiàn)縱、橫兩個方向的裂紋。沿軸線在表面相對位置各有一條細(xì)而長的縱向裂紋，長度在35mm～75mm之間，如圖7-48箭頭2所示；有的已裂至大端表面，如圖7-48（1）所示；對3個表面存在裂紋的頂尖用線切割機切取金相
1）橫向裂紋 2）縱向裂紋
圖7-48頂尖表面裂紋形貌
試樣，發(fā)現(xiàn)縱向裂紋已裂至零件中心且互相連接，有明顯的中間粗兩邊細(xì)特征，如圖7-48（2）所示；用鎯頭輕輕敲擊試樣，沿縱向形成縱劈，斷口成木紋狀，近中心的凹槽應(yīng)是縱裂的源區(qū)，如圖7-50（1）所示。離大端1/3左右的縱向裂紋兩側(cè)有沿圓周一圈垂直于軸線并和縱向裂紋相交的弧形裂紋，如圖7-48箭頭1所示。弧形裂紋在工件心部和縱向裂紋相連，從里向外由粗變細(xì)，縱向裂紋明顯粗于橫向，如圖7-49（3）所示；有的已完全開裂形成橫斷特征，斷裂面比較平齊，無明顯的塑性變形，中心附近有收斂于一點的放射狀花樣，放射點應(yīng)為橫斷的源區(qū)，如圖7-50（2）所示。
從以上特征可以推斷，頂尖開裂主裂紋是縱向且起裂于工件中心，說明工件心部顯微組織或原材料存在著缺陷。橫截面斷口熱酸蝕后，參照GB1979-80宏觀低倍缺陷評定為中心疏松2級。橫斷背面中心的裂紋，應(yīng)為未露出表面的縱裂，如圖7-50（3）所示。
（2）微觀檢驗 對包含縱、橫兩個方向裂紋的試樣進(jìn)行制備，觀察未侵蝕的表面，縱向裂紋開口度明顯比弧形裂紋粗。根據(jù)GB/T10561-2005，在縱、橫兩個截面裂紋兩側(cè)分別觀察3個視場，通過測量夾雜物大小及長度，對非金屬夾雜物評定為A1.5、C1.5、D1e、DS1.5。
對3個破損頂尖解剖并制備試樣，宏觀可以看到中心有不同大小的灰白色區(qū)域，如圖7-51所示。
顯微組織極不均勻，表面有極薄馬氏體層，從表至里依次為馬氏體+殘余奧氏體→托氏體+少量粒狀碳化物→心部為細(xì)片狀珠光體+大量粒狀碳化物。光鏡下灰白色區(qū)域碳化物聚集嚴(yán)重，存在棱角狀碳化物，過剩二次碳化物呈斷續(xù)網(wǎng)狀，部分呈針狀向晶內(nèi)伸展，如圖7-52所示。
橫截面上縱裂紋末梢沿網(wǎng)狀碳化物擴展，周圍的晶粒特別粗大，斷續(xù)網(wǎng)狀碳化物顯示了晶粒的大小，在顯微鏡100×下裂紋兩側(cè)晶粒度評為1.5級；500倍下和標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較，網(wǎng)狀碳化物評定為3級，如圖7-53所示。
根據(jù)GB1298-86《碳素工具鋼技術(shù)條件》“截面≤60mm的碳素工具鋼以不大于2級網(wǎng)狀為合格”，顯然頂尖中心的網(wǎng)狀碳化物已不符合標(biāo)準(zhǔn)。縱截面上的碳化物有帶狀特征，塑性夾雜物沿帶狀分布，縱向裂紋和帶狀方向相同，如圖7-54所示。
（3）淬硬層深度的測定 用顯微硬度法測定淬硬層深度，結(jié)果如表7-5。可看出，淬硬層極薄。
表7-5 頂尖表面淬硬層深度HV0.1kg
離表面距離(mm) | 0.38 | 0.44 | 0.50 | 0.56 | 0.63 | 0.69 | 0.75 |
顯微硬度值(HV) | 743 | 824.2 | 781.8 | 835.4 | 713.0 | 572.0 | 527.8 |
（4）掃描電鏡分析 通過掃描電鏡對縱、橫截面進(jìn)行檢驗，源區(qū)斷口具有準(zhǔn)解理特征，孔洞有可能是疏松，也有可能是熱酸蝕時非金屬夾雜物脫落所形成并沿晶界分布，如圖7-55所示。
2.分析與討論
（1）原材料的影響 由宏觀、金相檢驗可知，頂尖中心原材料存在著疏松、非金屬夾雜物等缺陷組織。原材料中疏松、非金屬夾雜物的存在，割裂了基體的連續(xù)性，使有效承載面積減小，在缺陷的尖角處還會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使隨后熱處理淬火出現(xiàn)裂紋的機率增大。
（2）不均勻碳化物的影響 由金相檢驗可知，顯微組織極不均勻，心部碳化物聚集比較嚴(yán)重，有帶狀、斷續(xù)網(wǎng)狀、針狀和多角狀。帶狀碳化物的存在，與原材料化學(xué)成分偏析程度有關(guān)。因為鋼錠最后凝固區(qū)，是合金元素及硫磷等雜質(zhì)富集的地方，也是碳化物和非金屬夾雜物最為聚集的區(qū)域，它和非金屬夾雜物一樣，都會降低工件的有效受力面積。隨著碳化物帶狀偏析的加劇，高低碳帶之間的顯微硬度差增大，熱處理裂紋敏感性增強，還將影響工件的接觸疲勞壽命。斷續(xù)網(wǎng)狀、針狀這種呈魏氏組織分布的碳化物是鍛后空冷時已經(jīng)形成的，在后續(xù)熱處理球化退火和淬火時是很難消除的，多角狀碳化物是原材料退火溫度過高造成的。網(wǎng)狀、針狀、多角狀碳化物以及粗大晶粒的存在，嚴(yán)重減小晶粒間的結(jié)合力，割裂基體的連續(xù)性，增加應(yīng)力集中傾向，鋼的脆性明顯增大，脆斷強度大大降低，裂紋傾向顯著增加。
（3）淬火應(yīng)力與心部組織的影響 由宏觀檢驗可知，頂尖的裂紋形式應(yīng)屬于縱劈和橫斷。這是因為頂尖淬火冷卻后期，外層金屬先于內(nèi)部冷至低溫，這時，內(nèi)部的溫度不同程度的高于外層，當(dāng)心部隨后繼續(xù)冷卻時，因體積收縮受到外層金屬的強力約束，在中心部分產(chǎn)生三向拉應(yīng)力。根據(jù)實際熱處理工藝可知，頂尖整體加熱溫度過高，保溫時間過長，生產(chǎn)中為了獲得較高的硬度，淬火時采用了冷卻能力較強的CaCl2水溶液，加大了零件截面內(nèi)外溫差，淬火時心部又未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此淬火冷卻后頂尖心部所受拉應(yīng)力是溫差引起體積收縮所形成的熱應(yīng)力型三向拉應(yīng)力。金屬在三向拉應(yīng)力作用下，大大約束了塑性變形能力，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。而頂尖中心粗大的網(wǎng)狀碳化物、疏松及非金屬夾雜物，嚴(yán)重削弱了鋼的抗斷強度，成為工件開裂的萌生處和裂紋的擴展路徑；淬火時心部所得到的片狀珠光體，也使心部金屬強度大大降低，因此頂尖淬火時當(dāng)熱應(yīng)力中的切向和軸向最大拉應(yīng)力超過材料的脆斷強度時，就產(chǎn)生了低應(yīng)力脆性斷裂，形成縱劈和橫斷。而且熱應(yīng)力型三向拉應(yīng)力的最大值，主要作用在零件的截面中心處。
（4）工件尺寸的影響 由淬硬層測定結(jié)果可知，頂尖淬硬層深度與其直徑之比很小，根據(jù)形狀尺寸其符合短圓柱式大型非淬透件的條件。在各種材料制造的短圓柱式大型非淬透件中，以碳素工具鋼件的淬裂傾向最大。
3.結(jié)論
綜合以上分析可知，頂尖淬火開裂具有熱應(yīng)力型殘余應(yīng)力引起大型非淬透件縱劈和橫斷的特征，主要是頂尖中心部位存在著疏松、非金屬夾雜物以及網(wǎng)狀碳化物引起的，而中心帶狀碳化物和細(xì)片狀珠光體加速了裂紋的擴展。有可能是下料時，料頭切的太少，導(dǎo)致少量存在較多缺陷的工件在淬火時發(fā)生開裂。
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