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裂纹产生原因及其防止对策:

热处理裂纹的分类:非淬火裂纹——表面龟裂、表面边缘T型裂纹;淬火裂纹——纵裂(组织应力型)、弧裂(局部拉应力型)、大型工件淬火裂纹(纵断、横断)、边廓表面裂纹(局部拉应力型)、脱裂、第二类应力裂纹(微观裂纹,本次不讨论)。

1.纵裂:

⑴纵裂的宏观形态:

沿细长零件表面启裂,在沿纵向扩展的同时,又以垂直表面的方向向截面内部扩展,形成外宽内尖的楔形裂口。纵裂的扩展总是终止于截面的中心处附近,外观上看纵向单条裂纹和横截面上的楔形裂口,是纵裂的基本宏观形态。

⑵纵裂的形成条件:

淬透是纵裂形成的必要条件。小工件淬透后的应力状态属于组织应力型残余应力,一般情况下组织应力的切向应力显著大于轴向应力。因此形成组织应力型残余应力是纵裂的应力条件。

⑶纵裂预防措施:

①采用较缓慢的冷却介质,如油等 。也可用水、油双液淬火,但水、油双液淬火对于一些小件无实际使用价值。

②工件加热避免过热,出炉后可适当预冷,淬火后及时回火。

③加强技术管理技术培训,切实对有关工艺操作人员进行淬裂理论教育。

2.弧裂:

⑴弧裂形成的条件:

应同时具备整体快速冷却、不能淬透、具有弧裂的几何敏感部位的结构形式。

⑵几何敏感部位的结构形式:

有孔洞、凹面和碗面、截面尺寸突变、轴肩。

⑶几何敏感部位的缓冷效应:

具有上述结构形式在淬火冷却过程中的主要作用是显著降低那里的实际冷却速度,产生缓冷效应。

⑷几何敏感部位处的组织:

几何敏感部位缓冷效应,要么使局部未淬硬产生淬火屈氏体并处在马氏体的包围之中(在金相的宏观或微观上可看出);要么淬硬层被局部明显减薄。在热处理生产中产生的弧裂中,前一种占绝大多数。

⑸弧裂的形成扩展方式及典型宏观形态:

弧裂首先在几何敏感部位的表面上形成,并由此沿曲(弧)面先向截面内部定向扩展,严重时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;严重时常使相应部位沿弧裂脱落(或经敲击即可脱落)。开裂面通常为形状各异的曲(弧)面,最典型的是从几个不同的方向观察时都呈弧形,是判定弧裂的重 要依据。对存在于几何敏感部位上并可引起应力集中效应的因素(如尖锐拐角),并不诱发或促进弧裂的产生。

⑹弧裂的预防措施:

①实施局部强冷:

对于可能引起弧裂的零件,要考虑对几何敏感部位进行局部强冷(高温区间)的可能性和实施方法。

②实施局部弱冷:

对于可能引起弧裂的零件,要考虑对几何敏感部位进行局部弱冷(高温区间)的可能性和实施方法。最典型的当属堵孔淬火,让孔内在高温区内冷速更缓,并全部转变成屈氏体组织。

③实施低温区缓冷的淬火方法。

3.大型零件淬火裂纹:

⑴大型零件淬火残余应力为热应力型:

淬火介质的冷却能力越强、截面尺寸越大、加热温度越高,淬火残余应力越大。

⑵应力作用方式与开裂原因:

冷却末期,外层金属已冷到低温,内部金属的温度必然高于外层。当其继续降温时,因伴随体积收缩受到外层金属的强力约束,而在中心部位产生三维拉应力,最大 拉应力作用在截面的中心处。金属力学性能理论表明,金属在三维拉应力作用下,大大约束了塑性变形能力,使其转变为脆性状态,极易产生低应力脆性断裂;这就 是具有珠光体组织的大件心部金属,在热应力型应力作用下形成裂纹的根本原因。

⑶断口特征:

①短圆柱型:

常为纵向裂开,当高度为直径的两倍左右时,有横断现象。多见于碳素工具钢,这些零件中心往往存在网状渗碳体,降低钢的强度并沿其扩展。

②轴类:

当轴向与切向最大拉应力超过零件中心处材料的强度时,首先在该处开裂。随后在淬火应力的作用下,裂纹分别沿纵向和横向由内向外扩展,直到在外表面露出裂 纹。但是裂纹也可能终止于内部某处成为内裂。当残余应力足够大时,可能在淬火末期自行完全断开。然而更多时候是在露出零件表面裂纹的基础上,通过机加工等 办法而显现。在长度远大于直径的时候,横断比纵裂更多见,而且同一零件上可能产生多处横断或纵裂。裂纹源通常位于截面中心处,当截面中心附近区域存在冶金 缺陷时,裂纹源才可能偏离截面中心处。

③齿圈类:

一般为中碳铸钢制造,只能形成径向裂纹。裂源为横断面的几何中心处或铸造的热节点处,并由此通过齿圈中心的径向面,由里向外扩展,最终裂开。

④炸裂的内裂:

炸裂是有伤害危险的开裂,应注意防范。炸裂发生在冷却末期以后。

⑤断口特征:

断裂面平齐,无明显塑性变形发生,呈典型的脆性断口。

⑷内部冶金缺陷的作用:

大件截面中心及其附近,是热应力型应力的最大拉应力存在和作用的位置,这里又是许多冶金缺陷产生或存在的部位。这些缺陷是重要的促裂、诱裂因素,也是大件 淬裂的天然裂源和直接原因。由于种种原因的制约与影响,目前我国大型铸锻件的综合冶金质量还很不理想,因而成为影响大件淬裂的最重要的实际因素之一。

应当注意的是:存在于大型零件表面上的一切能引起应力集中效应的因素,在淬火过程中,决无诱发和促进裂纹作用。故此,热处理之前不必要清除大型铸锻件的表面缺陷。

⑸大件淬裂的预防措施:

①利用热处理基本应力的交互作用和双重作用特征,设计或改进大件的淬火工艺;

②利用预冷降温的方法;

③淬火冷却不进行到低温;

④及时回火注意回火冷却方法。

4.边廓裂纹:

⑴边廓裂纹的形成条件:

①只能产生在尖棱角或外轮廓的附近;

②快速淬火冷却条件下;

上述两项决定了裂纹形成处的组织应力值极大(组织转变快,截面温差小)。并且裂纹形成于淬火初期,此后随着冷却时间的延长,裂纹迅速扩展。在制定热处理工艺时必须要了解边廓裂纹的这个特点。

⑵边廓裂纹的宏观特征:

在轮廓或边棱的附近,并与之基本平行的单条或多条毛细裂纹;外宽内尖与零件外表面基本垂直且裂纹较浅。

⑶加热温度及应力集中因素的影响:

①边廓裂纹在较低的淬火温度下就能产生,正常淬火温度已发育长大,过热条件下严重扩展。

②一般应力集中因素不产生影响,但表面机加工刀痕例外。在具有圆形轮廓的淬火零件上,边棱附近产生的边廓裂纹,几乎都是沿着圆形的机加工刀痕形成和扩展的。这是因为边棱附近的加工刀痕,恰好处在这类裂纹赖以形成的表面局部合成拉应力场的作用范围内。

⑷边廓裂纹的预防措施:

①选用较缓和的淬火冷却介质;

②淬火冷却介质的温度不可低于15℃,当低于5℃裂纹已不可避免;

③加强人员培训和加强热处理生产的技术管理。

5.脱裂:

在某些回转体零件(如车轮、齿轮等)和圆柱体零件(如轴、销类)淬火时,有时在轮缘、齿圈和轴肩等部位乃至全部脱(崩)落的淬裂现象,就是脱裂。

⑴脱裂的形成规律:

①脱裂的产生的条件:

热处理条件:表面加热淬火回转体零件和圆柱体零件,也产生在普通淬火的该类零件上。大多数脱裂产生在水冷淬火工艺条件下,油冷很少见。

金相条件:大量金相分析确定,在形成脱裂的区域附近,有马氏体和屈氏体两相组织存在是脱裂形成的必要且充分条件。

表面淬火时,在马氏体组织和原始组织区的珠光体型组织的分布,一般由相应的工艺条件决定。从工艺上采取措施(如端部留软带),消除截面组织的差异,便消除了脱裂赖以产生的组织条件。

普通淬火时,通常由于局部几何结构的缓冷效应决定。如轴肩截面过渡处便是可能产生缓冷效应几何结构形式。由于不同原因(如水温过高)造成淬火介质冷却能力下降,导致轴类零件的端面、轴阶端面和其它具有局部几何结构缓冷效应的部位产生截面组织差异,进而形成脱裂。

脱裂的形成和扩展都在全马氏体组织区内进行的。生产中形成的大多数脱裂,都是在马氏体无过热特征的情况下产生的,个别情况下也有马氏体十分粗大的现象。

⑵脱裂的形成、扩展方式和宏观形态:

①脱肩:轴辊类零件的脱肩过程,先在端面的肩处(或边棱)附近启裂,通常多处同时(同一圆周或相距较近的同心圆上),然后沿垂直表面的方向向截面内部扩 展,也同时沿圆周方向扩展为圆周裂纹;继而改向,沿圆弧面继续在截面内部朝轴肩附近的轴外圆表面上扩展,最终在此处露出外圆表面而呈弧形裂纹。

②脱圈:齿轮的脱圈首先在齿圈与辐板截面过渡处的拐角上开裂,然后由此向截面内部(沿弧面)扩展,同时也沿拐角(常为尖角)作周向扩展,最终使齿圈脱落。

⑶影响因素:

①冷却速度:首先是局部冷速过快,于冷却最快的部位上形成淬火裂纹;其次,脱裂的产生又是淬火件局部部位的高温转变区内冷却显著减缓,从而产生截面组织差 异,并由此引起局部合成拉应力的作用结果。在热处理生产实践中,冷速局部减缓的原因,一是局部几何结构自身的缓冷效应,二是热处理操作失误或是操作失误与 局部几何结构作用的叠加。在产生截面组织差异的情况下,增加淬火介质于低温区内的冷却能力或淬火工件相关部位的冷却烈度,将会显著增加形成脱裂的危险性。

②化学成分:钢中含碳量的显著提高或或些合金元素含量的增加,使钢的淬透性显著提高,将大大提高脱裂的敏感性。

应力集中:对普通应力集中不敏感,但过深的机加工刀痕有明显的诱裂作用。

⑷脱裂的预防措施:

①端部留软带:在表面淬火的辊类、轴类零件的端部预留适当宽度的未淬硬软带,能有效避免脱裂的产生。

②正确选用淬火介质:表面淬火的截面组织差异是无法避免的,在确保淬硬的前提下,尽量选用缓和的冷却介质。

③局部强冷,但应谨慎。

④消除表面应力集中:避免截面的尖角过渡,并把表面的粗糙度加工到高于Ra12.5。

⑤保证化学成分,防止含碳量或残余合金元素含量超标。


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