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。造成淬火開裂的原因很多,在分析淬火裂紋時(shí),應(yīng)根據(jù)裂紋特征加以區(qū)分。 一、淬火裂紋的特征
在淬火過程中,當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大應(yīng)力大于材料本身的強(qiáng)度并超過塑性變形極限時(shí),便會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始進(jìn)行后不久產(chǎn)生的,裂紋的分布則沒有一定的規(guī)律,但一般容易在工件的尖角、截面突變處形成。
在顯微鏡下觀察到的淬火開裂,可能是沿晶開裂,也可能是穿晶開裂;有的呈放射狀,也有的呈單獨(dú)線條狀或呈網(wǎng)狀。
因在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻過快而引起的淬火裂紋,往往是穿晶分布,而且裂紋較直,周圍沒有分枝的小裂紋。
因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋,都是沿晶分布,裂紋尾端尖細(xì),并呈現(xiàn)過熱特征:結(jié)構(gòu)鋼中可觀察到粗針狀馬氏體;工具鋼中可觀察到共晶或角狀碳化物。
表面脫碳的高碳鋼工件,淬火后容易形成網(wǎng)狀裂紋。這是因?yàn),表面脫碳層在淬火冷卻時(shí)的體積脹比未脫碳的心部小,表面材料受心部膨脹的作用而被拉裂呈網(wǎng)狀。 二、非淬火裂紋的特征
淬火后發(fā)生的裂紋,不一定都是淬火所造成的,可根據(jù)下面特征來區(qū)分:
淬火后發(fā)現(xiàn)的裂紋,如果裂紋兩側(cè)有氧化脫碳現(xiàn)象,則可以肯定裂紋在淬火之前就已經(jīng)存在。淬火冷卻過程中,只有當(dāng)馬氏體轉(zhuǎn)變量達(dá)到一定數(shù)量時(shí),裂紋才有可能形成。與此相對(duì)應(yīng)的溫度,大約在250℃以下。在這樣的低溫下,即使產(chǎn)生了裂紋,裂紋兩側(cè)也不會(huì)發(fā)生脫碳和出現(xiàn)明顯氧化。所以,有氧化脫碳現(xiàn)象的裂紋是非淬火裂紋。
如果裂紋在淬火前已經(jīng)存在,又不與表面相通,這樣的內(nèi)部裂紋雖不會(huì)產(chǎn)生氧化脫碳,但裂紋的線條顯得柔軟,尾端圓禿,也容易與淬火裂紋的線條剛健有力,尾端尖細(xì)的特征區(qū)別開來。 三、實(shí)例探討
1、軸,40Cr,經(jīng)鍛造、淬火后發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋兩側(cè)有氧化跡象,金相檢驗(yàn),裂紋兩側(cè)存在脫碳層,而且裂紋兩側(cè)的鐵素體呈較大的柱狀晶粒,其晶界與裂紋大致垂直。 結(jié)論:裂紋是在鍛造時(shí)形成的非淬火裂紋。
當(dāng)工件在鍛造過程中形成裂紋時(shí),淬火加熱即引起裂紋兩側(cè)氧化脫碳。隨著脫碳過程的進(jìn)行,裂紋兩側(cè)的碳含量降低,鐵索體晶粒開始生核。當(dāng)沿裂紋兩側(cè)生核的鐵素體晶粒長大到彼此接觸后,便向離裂紋兩側(cè)較遠(yuǎn)的基體方向生長。由于裂紋兩側(cè)在脫碳過程中碳濃度的下降,也是由裂紋的開口部位向內(nèi)部發(fā)展,因而為鐵素體晶粒的不斷長大提供了條件,故最終長大為晶界與裂紋相垂直的柱狀晶體。
2、半軸套座,40Cr,淬火后出現(xiàn)開裂。金相檢驗(yàn),裂紋兩側(cè)有全脫碳層,其中的鐵素體呈粗大柱狀晶粒,并與裂紋垂直。全脫碳層內(nèi)側(cè)的組織為板條馬氏體加少量托氏體,這種組織是正常淬火組織。 結(jié)論:在加工過程中未經(jīng)鍛造,因此屬原材料帶來的非淬火裂紋。
3、齒輪銑刀,高速鋼,淬火后在內(nèi)孔壁上出現(xiàn)裂紋。金相檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)裂紋附近的碳化物呈不均勻的帶狀分布。 結(jié)論:這是由于組織不均勻所造成的淬火裂紋。
當(dāng)鋼的顯微組織中存在碳化物聚集時(shí),這些地方碳和合金元素的含量比較高,造成臨界溫度降低。因此,即使是在正常的溫度下進(jìn)行淬火加熱,對(duì)于碳化物聚集處來講,加熱溫度已顯得過高了。其結(jié)果是這些地方出現(xiàn)過熱組織,降低了鋼的強(qiáng)度,淬火冷卻時(shí),在應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂。
高速鋼的碳化物不均勻性是這種鋼的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。為減少或預(yù)防這類缺陷發(fā)生,冶金廠和使用廠都在不斷采取措施,如使用廠用改鍛工藝來均勻組織。當(dāng)碳化物不均勻性的改善程度受到限制時(shí),可在保證硬度的前提下采用較低淬火加熱溫度來避免過熱組織產(chǎn)生。
4、W18Cr4V鋼制模具,高溫鹽浴中加熱后油冷,發(fā)現(xiàn)開裂。從裂紋特征上看是冷卻過快所致。因工件截面較大,冷卻時(shí)內(nèi)外溫差也大,當(dāng)表面轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí),內(nèi)部仍處于奧氏體狀態(tài),以后的冷卻過程中才逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,致使表層受內(nèi)部體積脹大的作用承受很大的拉應(yīng)力而開裂。因此,可以判斷為淬火裂紋。 |