机床零件淬火裂纹分析.pdf

技术前沿
FORWARD TECHNOLOGY
机i件製纹分断
文/沈阳机床(集团)有限责任公司热处理分公司于晓青曲兴样代友贵
【摘要】淬火是目前用来提高钢件机械性能的一
ニ、马氏体本质脆性一钢件淬火裂纹
种行之有效的方法。通过泽火及回火,可以大幅度提的内因
高钢的强度、韧性及疲劳强度,并可获得他们之间的
各种配合,以满足不同的需要。钢件淬火时伴随着
众所周知,中高碳钢淬火后,其韧性低,脆性大,
种组织转变一马氏体转变,马氏体是一种脆性易产生显微裂纹和宏观开裂。这主要是由马氏体的本
在宏观淬火内应力的作用下容易使钢件产生淬火裂质脆性決定的。而马氏体的本质脆性又决定于马氏体
纹。在机床零件加工的过程中淬火裂纹是零件较严重的碳固容量、亚结构、显微应力及显微裂纹。
的热处理缺陷之一,导致零件报废,既浪费了材料与
2.1马氏体中的碳固容量
加工费用,又影响了生产,造成了一定的经济损失
马氏体是碳在Q-Fe中的溶解度极小(《0.02%》
因此,分析钢件产生淬火裂纹的原因,找出其规律,a-Fe中容纳过量碳的结果,必将使其晶格发生畸变,
采取预防措施是很必要的。
晶格中过饱和的碳原子强烈地消弱了铁原子间的结合
【关键词】淬火裂纹;显微裂纹;马氏体;切向应力。因此,随着马氏体中碳固容量的增加,钢件脆性
力:轴向应力
倾向增大。
综述
2.2马氏体的亚结构
板条马氏体是由高密度的位错组成的,板条马氏
淬火裂纹是由许多因素造成的,有其内部的原因,体中的位错易于滑动,其可动性比孪晶大,位错的运
也有其外部的原因。总的来说,马氏体的本质脆性是动能缓和局部区域的应力集中,延迟裂纹形核,其初
淬火裂纹的内因,而马氏体的晶体结构、亚结构、化性好、脆性小。片状马氏体中的大量细小孪晶使华亿
学成分、冶金缺陷等是马氏体本质脆性的影响因素
变形不易进行,降低了其塑性和韧性,易于诱发裂纹
钢件的宏观淬火内应力来源于加热和冷却过程中的热脆性较大。
应力和组织应力是造成淬火开裂的外因。下面将从微
观到宏观,从内部到外部对钢件的淬火裂纹进行分析
2.3马氏体中的显微裂纹
并采取措施防止裂纹的发生
马氏体形成时容易产生显微裂纹,这是指在中高
第9期数控机床市场·63
技术前沿
ORWARD TECHNOLOGY
碳钢中,而低碳钢的马氏体组织中难以形成显微裂纹。温度梯度比内部大,只有热应力,随着冷却过程的进
这是因为低碳马氏体为平行的板条,相互碰撞的机会行,表层和内层的温差减小,热应力影响小,这时以
少,且本身的塑性高,可以通过变形而使应力松弛,组织应力为主,表层首先冷却到Ms点生成马氏体组
不易产生显微裂纹。而高碳马氏体内由于马氏体片相织而膨胀,这时给尚处于奥氏体状态的心部以拉应力,
互碰撞,片状马氏体又不能作相应的形变来消除应力,表现为心部受拉应力,表层受压力。由于奥氏体所行
造成碰遇处得应力场,当应力足够大时就形成显微裂很好,此应力可通过奥氏体的塑性变形而松弛。当心
纹。这种先天的缺陷使高碳马氏体进一步增加了脆性,部也转变为马氏体时,由于表层已形成的马氏体硬度
在其它应力的作用下,显微裂纹可能发展为宏观开裂。高、脆性大、塑性极小,心部对表层产生拉应力,心
影响形成显微裂纹的因素很多,如淬火介质的温部产生压应力,并被作为残余应力保存下来。图1为
度,马氏体的形成量,奥氏体的原始晶粒大小,马氏Fe11.7N合金900℃水淬后的残余应力分布。由图
体的长度和厚度等。当淬火介质的温度由40℃降到1可以看出,钢件表面的切向拉应力很大,如果超过
负50℃的时候,显微裂纹剧烈増多,在此温度范围内,钢的抗拉强度,那么工件将开裂,产生纵向裂纹
马氏体数量也增加较快。马氏体片愈粗大,则形成显
轴向应力
切向应力
径向应力
微裂纹的敏感度愈大,奥氏体晶粒越粗大,马氏体往
往愈大,先形成的马氏体片为其它马氏体碰撞的几率
越大,或碰撞遇到晶界的几率也愈大,形成显微裂纹应
的敏感度愈大。
应力⌒
在实际生产中,对高碳钢可采用较低的淬火温度
缩短保温时间,采用等温淬火活淬火后及时回火,可
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降低或避免高碳马氏体中显微裂纹的产生。
以上讨论了马氏体的本质脆性和马氏体的显微裂
奉,51015面
纹。马氏体的显微裂纹是由于马氏体片互相碰撞,在
碰遇处产生应力及应力集中造成的。但是这类应力不
图1.Fe-11.7Ni合金900℃水溶时的残余应力分布曲线
足以使钢件产生宏观开裂,只有在淬火宏观应力及其
轴问应力
切向应力
径应力
它外力的作用下才能引起工件的宏观开裂。
三.淬火宏观内应力一钢件淬火裂纹度1
的外因
力
0
钢件淬火过程中经过加热、保温、冷却的过程。
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钢件在加热和冷却的过程中,由于热胀冷缩发生体积
变化,同事还发生相变,金属相变都伴有比容的变化,
比如淬火冷却时,由奥氏体转化为马氏体,马氏体的
中510012?
50100150200表面50100150200表面
面积位置(u2)
比容大于奥氏体,产生了体积膨胀,工件的体积变化
使工件各个部分之间受到牵制便形成了内应力。由热
图2.1.0%C,0.2%6v钢圆柱(むI8mm)800℃淬火后应力变化
胀冷缩引起的内应力为热应力,由于相变产生的内应
中心未淬硬时,表层受压应力,心部受拉应力。
力为组织应力。
如图2.心部由于珠光体的塑性好而不会被拉裂,与
钢件内应力随着热处理过程的进行,其大小、方中心被淬硬的相比,较难淬裂。
向、分布随时都在发生着变化,热处理后在工件中尚
零件渗碳淬火后,对45、20Cr、18 Crmnti钢来
未松弛而残留下来的内应力为残余内应力,热处理后说表层受压应力,心部为拉应力,一般不易淬裂。
的内应力是热应力和组织应力的叠加。
对于渗碳铬镍钢则不同,表层为拉应力。
钢件淬火时,在冷却初期,未产生相变,表层的
图3为20Cr2Ni4A钢应力沿硬化层的分布,渗
64·第09期数控机床市场