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熱處理裂紋的分類

2020-09-08 23:29:49

淬火裂紋——縱裂(組織應力型)、弧裂(局部拉應力型)、大型工件淬火裂紋(縱斷、橫斷)、邊廓表面裂紋(局部拉應力型)、脫裂、第二類應力裂紋。


縱裂


⑴縱裂的宏觀形態


沿細長零件表面啟裂,在沿縱向擴展的同時,又以垂直表面的方向向截面內部擴展,形成外寬內尖的楔形裂口??v裂的擴展總是終止于截面的中心處附近,外觀上看縱向單條裂紋和橫截面上的楔形裂口,是縱裂的基本宏觀形態。


⑵縱裂的形成條件


淬透是縱裂形成的必要條件。小工件淬透后的應力狀態屬于組織應力型殘余應力,一般情況下組織應力的切向應力顯著大于軸向應力。因此形成組織應力型殘余應力是縱裂的應力條件。


⑶縱裂預防措施


①采用較緩慢的冷卻介質,如油等 。也可用水、油雙液淬火,但水、油雙液淬火對于一些小件無實際使用價值。


②工件加熱避免過熱,出爐后可適當預冷,淬火后及時回火。


③加強技術管理技術培訓,切實對有關工藝操作人員進行淬裂理論教育。


弧裂


⑴弧裂形成的條件


應同時具備整體快速冷卻、不能淬透、具有弧裂的幾何敏感部位的結構形式。


⑵幾何敏感部位的結構形式


有孔洞、凹面和碗面、截面尺寸突變、軸肩。


⑶幾何敏感部位的緩冷效應


具有上述結構形式在淬火冷卻過程中的主要作用是顯著降低那里的實際冷卻速度,產生緩冷效應。


⑷幾何敏感部位處的組織


幾何敏感部位緩冷效應,要么使局部未淬硬產生淬火屈氏體并處在馬氏體的包圍之中(在金相的宏觀或微觀上可看出);要么淬硬層被局部明顯減薄。在熱處理生產中產生的弧裂中,前一種占絕大多數。


⑸弧裂的形成擴展方式及典型宏觀形態


弧裂首先在幾何敏感部位的表面上形成,并由此沿曲(?。┟嫦认蚪孛鎯炔慷ㄏ驍U展,嚴重時可穿越零件的其余截面,再向零件的外表面延伸,直到在那里呈弧形露出;嚴重時常使相應部位沿弧裂脫落(或經敲擊即可脫落)。開裂面通常為形狀各異的曲(?。┟?,最典型的是從幾個不同的方向觀察時都呈弧形,是判定弧裂的重要依據。對存在于幾何敏感部位上并可引起應力集中效應的因素(如尖銳拐角),并不誘發或促進弧裂的產生。


 ⑹弧裂的預防措施


①實施局部強冷:


對于可能引起弧裂的零件,要考慮對幾何敏感部位進行局部強冷(高溫區間)的可能性和實施方法。


②實施局部弱冷:


對于可能引起弧裂的零件,要考慮對幾何敏感部位進行局部弱冷(高溫區間)的可能性和實施方法。最典型的當屬堵孔淬火,讓孔內在高溫區內冷速更緩,并全部轉變成屈氏體組織。 ③實施低溫區緩冷的淬火方法。


大型零件淬火裂紋


⑴大型零件淬火殘余應力為熱應力型


淬火介質的冷卻能力越強、截面尺寸越大、加熱溫度越高,淬火殘余應力越大。


⑵應力作用方式與開裂原因


冷卻末期,外層金屬已冷到低溫,內部金屬的溫度必然高于外層。當其繼續降溫時,因伴隨體積收縮受到外層金屬的強力約束,而在中心部位產生三維拉應力,最大拉應力作用在截面的中心處。金屬力學性能理論表明,金屬在三維拉應力作用下,大大約束了塑性變形能力,使其轉變為脆性狀態,極易產生低應力脆性斷裂;這就是具有珠光體組織的大件心部金屬,在熱應力型應力作用下形成裂紋的根本原因。


⑶斷口特征


①短圓柱型:


常為縱向裂開,當高度為直徑的兩倍左右時,有橫斷現象。多見于碳素工具鋼,這些零件中心往往存在網狀滲碳體,降低鋼的強度并沿其擴展。


②軸類:


當軸向與切向最大拉應力超過零件中心處材料的強度時,首先在該處開裂。隨后在淬火應力的作用下,裂紋分別沿縱向和橫向由內向外擴展,直到在外表面露出裂紋。但是裂紋也可能終止于內部某處成為內裂。當殘余應力足夠大時,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上,通過機加工等辦法而顯現。在長度遠大于直徑的時候,橫斷比縱裂更多見,而且同一零件上可能產生多處橫斷或縱裂。裂紋源通常位于截面中心處,當截面中心附近區域存在冶金缺陷時,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炸裂的內裂:


炸裂是有傷害危險的開裂,應注意防范。炸裂發生在冷卻末期以后。


⑤斷口特征:


斷裂面平齊,無明顯塑性變形發生,呈典型的脆性斷口。


⑷內部冶金缺陷的作用


大件截面中心及其附近,是熱應力型應力的最大拉應力存在和作用的位置,這里又是許多冶金缺陷產生或存在的部位。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。     應當注意的是:存在于大型零件表面上的一切能引起應力集中效應的因素,在淬火過程中,決無誘發和促進裂紋作用。故此,熱處理之前不必要清除大型鑄鍛件的表面缺陷。


⑸大件淬裂的預防措施


①利用熱處理基本應力的交互作用和雙重作用特征,設計或改進大件的淬火工藝; ②利用預冷降溫的方法; ③淬火冷卻不進行到低溫; ④及時回火注意回火冷卻方法。


邊廓裂紋


⑴邊廓裂紋的形成條件


①只能產生在尖棱角或外輪廓的附近;


②快速淬火冷卻條件下; 上述兩項決定了裂紋形成處的組織應力值極大(組織轉變快,截面溫差?。?。并且裂紋形成于淬火初期,此后隨著冷卻時間的延長,裂紋迅速擴展。在制定熱處理工藝時必須要了解邊廓裂紋的這個特點。


 ⑵邊廓裂紋的宏觀特征


在輪廓或邊棱的附近,并與之基本平行的單條或多條毛細裂紋;外寬內尖與零件外表面基本垂直且裂紋較淺。


⑶加熱溫度及應力集中因素的影響


①邊廓裂紋在較低的淬火溫度下就能產生,正常淬火溫度已發育長大,過熱條件下嚴重擴展。


②一般應力集中因素不產生影響,但表面機加工刀痕例外。在具有圓形輪廓的淬火零件上,邊棱附近產生的邊廓裂紋,幾乎都是沿著圓形的機加工刀痕形成和擴展的。這是因為邊棱附近的加工刀痕,恰好處在這類裂紋賴以形成的表面局部合成拉應力場的作用范圍內。


⑷邊廓裂紋的預防措施


①選用較緩和的淬火冷卻介質;


②淬火冷卻介質的溫度不可低于15℃,當低于5℃裂紋已不可避免;


③加強人員培訓和加強熱處理生產的技術管理。


 脫裂


在某些回轉體零件(如車輪、齒輪等)和圓柱體零件(如軸、銷類)淬火時,有時在輪緣、齒圈和軸肩等部位乃至全部脫(崩)落的淬裂現象,就是脫裂。


⑴脫裂的形成規律


①脫裂的產生的條件:    


熱處理條件:表面加熱淬火回轉體零件和圓柱體零件,也產生在普通淬火的該類零件上。大多數脫裂產生在水冷淬火工藝條件下,油冷很少見。


金相條件:大量金相分析確定,在形成脫裂的區域附近,有馬氏體和屈氏體兩相組織存在是脫裂形成的必要且充分條件。    


表面淬火時,在馬氏體組織和原始組織區的珠光體型組織的分布,一般由相應的工藝條件決定。從工藝上采取措施(如端部留軟帶),消除截面組織的差異,便消除了脫裂賴以產生的組織條件。    


普通淬火時,通常由于局部幾何結構的緩冷效應決定。如軸肩截面過渡處便是可能產生緩冷效應幾何結構形式。由于不同原因(如水溫過高)造成淬火介質冷卻能力下降,導致軸類零件的端面、軸階端面和其它具有局部幾何結構緩冷效應的部位產生截面組織差異,進而形成脫裂。


脫裂的形成和擴展都在全馬氏體組織區內進行的。生產中形成的大多數脫裂,都是在馬氏體無過熱特征的情況下產生的,個別情況下也有馬氏體十分粗大的現象。


⑵脫裂的形成、擴展方式和宏觀形態 


①脫肩:軸輥類零件的脫肩過程,先在端面的肩處(或邊棱)附近啟裂,通常多處同時(同一圓周或相距較近的同心圓上),然后沿垂直表面的方向向截面內部擴展,也同時沿圓周方向擴展為圓周裂紋;繼而改向,沿圓弧面繼續在截面內部朝軸肩附近的軸外圓表面上擴展,最終在此處露出外圓表面而呈弧形裂紋。


②脫圈:齒輪的脫圈首先在齒圈與輻板截面過渡處的拐角上開裂,然后由此向截面內部(沿弧面)擴展,同時也沿拐角(常為尖角)作周向擴展,最終使齒圈脫落。


⑶影響因素


①冷卻速度:首先是局部冷速過快,于冷卻最快的部位上形成淬火裂紋;其次,脫裂的產生又是淬火件局部部位的高溫轉變區內冷卻顯著減緩,從而產生截面組織差異,并由此引起局部合成拉應力的作用結果。在熱處理生產實踐中,冷速局部減緩的原因,一是局部幾何結構自身的緩冷效應,二是熱處理操作失誤或是操作失誤與局部幾何結構作用的疊加。在產生截面組織差異的情況下,增加淬火介質于低溫區內的冷卻能力或淬火工件相關部位的冷卻烈度,將會顯著增加形成脫裂的危險性。


②化學成分:鋼中含碳量的顯著提高或或些合金元素含量的增加,使鋼的淬透性顯著提高,將大大提高脫裂的敏感性。


應力集中:對普通應力集中不敏感,但過深的機加工刀痕有明顯的誘裂作用。


⑷脫裂的預防措施 


①端部留軟帶:在表面淬火的輥類、軸類零件的端部預留適當寬度的未淬硬軟帶,能有效避免脫裂的產生。


②正確選用淬火介質:表面淬火的截面組織差異是無法避免的,在確保淬硬的前提下,盡量選用緩和的冷卻介質。


③局部強冷,但應謹慎。


④消除表面應力集中:避免截面的尖角過渡,并把表面的粗糙度加工到高于Ra12.5。


⑤保證化學成分,防止含碳量或殘余合金元素含量超標。


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