科技信息一、引言淬火是一种常见的金属材料热处理方式，它是通过加热和冷却，使零件获得适应工作条件需要的使用性能，达到充分发挥材料潜力、提高产品使用寿命和提高效能的重要的工艺方法。如果金属材料在淬火过程中出现缺陷，淬火就无法达到预期的目的，零件将成为不合格品或废品，从而造成经济损失。缺陷一般按性质分类，主要包括裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷七类[1]。其中最危险的缺陷是裂纹，本文着重分析有关淬火过程中产生的此类缺陷的原因。二、钢件的冶金质量与化学成分的影响钢件可用锻件、铸件、冷拉钢材、热轧钢材等加工而成，各种毛坯或材料在生产过程中均可能产生冶金缺陷，或者将原料的冶金缺陷遗留给下道工序，最后这些缺陷在淬火时可扩展成淬火裂纹，或导致裂纹的发生。如铸钢件在热加工工艺过程中，因加工工艺不当，在内部或表面可能形成气孔、疏松、砂眼、偏析、裂痕等缺陷；在锻件毛坯中，有可能形成缩孔、偏析、白点、夹杂物、裂纹等。这些缺陷对钢的淬火裂纹有很大的影响。一般说来，原始缺陷越严重，其淬火裂纹的倾向性越大[2]。钢的含碳量和合金元素对钢的淬裂倾向有重要影响。一般说来，马氏体中含碳量的增加，增大了马氏体的脆性，降低了钢的脆断强度，增大了淬火裂纹倾向[2]。在含碳量增加时，热应力影响减弱，组织应力影响增强。水中淬火时，工件的表面压应力变小，而中间的拉应力极大值向表面靠近。油中淬火时，表面拉应力变大。所有这些都增加了淬火开裂倾向。而合金元素对淬裂的影响是复杂的，合金元素增多时，钢的导热性降低，增大了相变的不同时性；同时合金含量增大，又强化了奥氏体，难以通过塑性变形来松弛应力，因而增大热处理内应力，有增加淬裂的倾向。然而合金元素含量增加，提高了钢的淬透性，可用较缓和的淬火介质淬火，可以减少淬裂倾向。此外有些合金元素如钒、铌、钛等有细化奥氏体晶粒的作用，减少钢的过热倾向，因而减少了淬裂倾向。三、原始组织的影响淬火前钢件的原始组织状态和原始组织对淬裂的影响很大。片状珠光体在加热温度偏高时易引起奥氏体晶粒长大，容易过热，所以对原始组织为片状珠光体的钢件，必须严格控制淬火加热温度和保温时间。否则，将因钢件过热导致淬火开裂。具有球状珠光体原始组织的钢件，在淬火加热时，因为球状碳化物比较稳定，在向奥氏体转变的过程中，碳化物的溶解，往往残留少量的碳化物，这些残留碳化物阻碍了奥氏体晶粒长大，与片状珠光体相比，淬火可以获得较细的马氏体，因此原始组织为均匀球状珠光体的钢对减少裂纹来说，是淬火前较理想的组织状态。在生产中，常常产生重复淬火开裂现象，这是由于二次淬火前未进行中间正火或中间退火所致，未经退火而直接二次淬火，组织中没有阻碍奥氏体晶粒长大的碳化物存在，奥氏体晶粒极易显著长大，引起过热。因此在二次淬火中进行一次中间退火，同时也可通过退火来达到完全消除内应力的目的。四、零件尺寸和结构的影响零件的截面尺寸过小和过大都不易淬裂。截面尺寸小的工件淬火时，心部很易淬硬，而且心部和表面的马氏体形成在时间上几乎是同时进行的,组织应力小，不容易淬裂。截面尺寸过大的零件，特别是用淬透性较低的钢制造时，淬火时不仅心部不能硬化，甚至连表层也得不到马氏体，其内应力主要是热应力，不易出现淬火裂纹。因此，对于每一种钢制的零件，在一定的淬火介质下，存在着一个临界淬裂直径，也就是说在临界直径的零件具有较大的淬裂倾向性。出现淬裂的危险尺寸可能因钢的化学成分而波动、加热温度和方法不同而发生变化，不可千篇一律。零件的尖角、棱角等几何形状因素，使工件局部冷却速度的急剧变化，增大了淬火的残余应力，从而增大了淬火的开裂倾向。零件截面不均匀性的增加，淬裂倾向也加大，零件薄的部位在淬火时先发生马氏体转变，随后，当厚的部位发生马氏体转变时，体积膨胀，使薄的部位承受拉应力，同时在薄厚交界处产生应力集中，因而常出现淬火裂纹。五、工艺因素的影响工艺因素（主要是淬火加热温度，保温时间，冷却方式等因素）对淬火裂纹倾向影响较大。热处理包括加热、保温、冷却等过程。热处理不仅在冷却（淬火）时可以产生裂纹，加热时如果加热不当也可能形成裂纹。（一）加热不当引起的裂纹1）升温速度过快引起的裂纹一些材料在铸造时由于结晶过程的不同时性必然形成成分不均匀、组织不均匀、铸态材料的非金属夹杂物。如铸态高锰钢中硬而脆的碳化物相、高合金铸钢中成分偏析和疏松等缺陷的存在等因素，在大型工件快速加热时，可能形成较大的应力，从而出现开裂。2）表面增碳或脱碳引起的裂纹合金钢零件在以碳氢化合物为气源的保护气氛炉（或可控气氛炉）中进行加热时，由于操作不当或失控，炉内碳势增高，可使得加热的工件表面碳含量超过工件的原始碳含量。在随后的热处理时，操作者仍按原钢件的工艺规程进行淬火，从而产生淬火裂纹。在对高锰钢的铸件进行热处理时，表层如发生脱碳、脱锰，工件表面将出现裂纹；低合金工具钢、高速钢在热处理加热时，如表面产生脱碳，也有可能产生裂纹。3）过热或过烧引起的裂纹高速钢、不锈钢工件，因淬火加热温度较高，一旦加热温度失控，很容易造成过热或过烧，从而引起热处理裂纹。4）在含氢气氛中加热引起的氢致裂纹氢有很大的易动性，易被钢中的所谓“陷阱”捕捉。钢中夹杂物、疏松等内部缺陷可能成为“陷阱”。夹杂物等缺陷受载时的应力集中与氢含量高这两个条件的叠加易使氢致裂纹优先产生。产生氢脆一般必须具有三个基本条件：a、有足够的氢。b、有对氢敏感的金相组织。c、有足够的三向应力存在[1]。如气体渗碳，碳氮共渗的工件产生装配断裂、放置开裂和使用过程断裂等现象。总之，淬火加热温度升高，热处理应力增大，淬火马氏体组织粗化、脆化，断裂强度降低，淬裂倾向增大。一般而言，晶粒越细小，断裂抗力越高，淬裂倾向越小，相反晶粒粗化，断裂抗力下降，断裂倾向增大[1]。晶粒大小同淬火加热温度和淬火保温时间有直接关系。加热温度升高或保温时间增长，均能使晶粒粗化，因而增加淬裂倾向。从防止淬裂的观点看，应尽量选用较低的淬火加热温度。（二）冷却引起的裂纹冷却方式不同，内应力的大小、类型和分布就不同，淬火钢的组织形态也不同，断裂抗力也不同，因此淬裂倾向不同。钢件加热至奥氏体状态，在淬火冷却过程中，一方面希望快速冷却，使奥氏体不会发生珠光体转变或贝氏体转变，也就是快速冷却，以躲过“C”曲线上的“鼻子”；另一方面希望奥氏体进入马氏体区后慢速冷却，产生马氏体转变，实现淬火。钢件在冷却到马氏体开始相变温度的过程中时，由于组织未变，仅仅产生热应力，所以钢件一般不会产生裂纹。当钢件冷却到Ms点以下，钢发生马氏体相变时，体积膨胀，产生第二类畸变、第二类应力及宏观的组织应力和热应力，因而易产生淬火裂纹。因此，在Ms点以下缓慢冷却可以获得碳浓度较低的马氏体，从而减少马氏体的正方度和组织应力，提高断裂抗力。另外，在马氏体区间内缓慢冷却，还能提高冷却后的钢的破断抗力，从而降低钢件的淬火裂纹。参考文献［1］潘建农.《金属材料与热处理》［M］.长沙：湖南大学出版社，2009.［2］李炜新.《金属材料与热处理》［M］.机械工业出版社，2008.金属材料在淬火过程中产生裂纹的原因苏州市产品质量监督检验所朱剑［摘要］本文简要分析了金属材料在淬火过程中产生裂纹的原因。［关键词］金属材料淬火裂纹——74
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