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鍛造裂紋與熱處理裂紋及辨別方法

   鍛造裂紋一般在高溫時(shí)形成,鍛造變形時(shí)由于裂紋擴大并接觸空氣,故在100倍或500倍的顯微鏡下觀(guān)察,可見(jiàn)到裂紋內充有氧化皮,且兩側是脫碳的,組織為鐵素體,其形態(tài)特征是裂紋比較粗壯且一般經(jīng)多條形式存在,無(wú)明細尖端,無(wú)明細的方向性,除以上典型形態(tài)外,有時(shí)會(huì )出現有些鍛造裂紋比較細。裂紋周?chē)皇侨撎级前朊撎肌?nbsp;  

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     淬火加熱過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋與鍛造加熱過(guò)程形成的裂紋在性質(zhì)和形態(tài)上有明顯的差別。對結構鋼而言,熱處理溫度一般較鍛造溫度要低得多,即使是高速鋼、高合金鋼其加熱保溫時(shí)間則遠遠小于鍛造溫度。
     由于熱處理加熱溫度偏高,保溫時(shí)間過(guò)長(cháng)或快速加熱,均會(huì )在加熱過(guò)程中產(chǎn)生早期開(kāi)裂。產(chǎn)生沿著(zhù)較粗大晶粒邊界分布的裂紋;裂紋兩側略有脫碳組織,零件加熱速度過(guò)快,也會(huì )產(chǎn)生早期開(kāi)裂,這種裂紋兩側無(wú)明顯脫碳,但裂紋內及其尾部充有氧化皮。有時(shí)因高溫儀器失靈,溫度非常高,致使零件的組織極粗大,其裂紋沿粗大晶粒邊界分布。 

結構鋼常見(jiàn)的缺陷: 

01、鍛造缺陷 

(1)過(guò)熱、過(guò)燒: 主要特征是晶粒粗大,有明顯的魏氏組織。出現過(guò)燒說(shuō)明加熱溫度高、斷口晶粒粗大,凹凸不平,無(wú)金屬光澤,晶界周?chē)醒趸撎棘F象。 


(2)鍛造裂紋: 常產(chǎn)生于組織粗大,應力集中處或合金元素偏析處,裂紋內部常充滿(mǎn)氧化皮。鍛造溫度高,或者終端溫度低,都容易產(chǎn)生裂紋。還有一種裂紋是鍛造后噴水冷卻后形成的。


(3)折疊:沖孔、切料、刀板磨損、鍛造粗糙等原因造成了表面缺陷,在后續鍛造時(shí),將表面氧化皮等缺陷卷入鍛件本體內而形成折縫。在顯微鏡上觀(guān)察時(shí),可發(fā)現折疊周?chē)忻黠@脫碳。

02、熱處理缺陷 

(1)淬裂: 其特點(diǎn)是剛健挺直,呈穿晶分布,起始點(diǎn)較寬,尾部細長(cháng)曲折。此種裂紋多產(chǎn)生于馬氏體轉變之后,故裂紋周?chē)娘@微組織與其它區域無(wú)明顯區別,也無(wú)脫碳現象。 


(2)過(guò)熱:顯微組織粗大,如果是輕度過(guò)熱,可采用二次淬火來(lái)挽救。 


(3)過(guò)燒:除晶粒粗大外,部分晶粒已趨于熔化,晶界極粗。 


(4)軟點(diǎn):顯微組織有塊狀或網(wǎng)狀屈氏體和未溶鐵素體等。加熱不足,保溫時(shí)間不夠,冷卻不均勻都會(huì )產(chǎn)生軟點(diǎn)。

02、鍛造裂紋與熱處理裂紋產(chǎn)生原因 

鍛造裂紋:鋼在鍛造過(guò)程中,由于鋼材存在表面及內部缺陷,如發(fā)紋、砂眼、裂紋、夾雜物、皮下氣泡、縮孔、白點(diǎn)和夾層等,都可能成為鍛打開(kāi)裂的原因。另外,由于鍛打工藝不良或操作不當,如過(guò)熱、過(guò)燒或終鍛溫度太低,鍛后冷卻速度過(guò)快等,也會(huì )造成鍛件開(kāi)裂。 


熱處理裂紋:淬火裂紋是宏觀(guān)裂紋,主要由宏觀(guān)應力引起。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,鋼制工件常由于結構設計不合理,鋼材選擇不當、淬火溫度控制不正確、淬火冷速不合適等因素,一方面增大淬火內應力,會(huì )使已形成的淬火顯微裂紋擴展,形成宏觀(guān)的淬火裂紋,另一方面,由于增大了顯微裂紋的敏感度,增加了顯微裂紋的數量,降低了鋼材的脆斷抗力Sk,從而增大淬火裂紋的形成可能性。


     影響淬裂的因素很多,這里僅將生產(chǎn)中常碰到的幾種情況作一介紹: 

1、原材料已有缺陷而導致的淬裂:如果原材料表面和內部有裂紋或夾雜物等缺陷,在淬火之前未發(fā)現,有可能形成淬火裂紋。 


2、夾雜物導致的開(kāi)裂: 如果零件內部夾雜物嚴重,或本身因夾雜物嚴重已經(jīng)隱藏有裂紋,淬火時(shí)將有可能產(chǎn)生裂紋。


3、因原始組織不良而導致的淬裂。 


4、淬火溫度不當造成的淬裂 ,淬火溫度不當引起零件淬裂,一般有兩種情況: 

 (1)儀表指示溫度低于爐子的實(shí)際溫度,使淬火溫度偏高,造成淬火過(guò)熱,導致工件發(fā)生開(kāi)裂。凡是過(guò)熱淬火開(kāi)裂的金相組織均存在晶粒粗大和粗大的馬氏體。 


 (2)鋼件實(shí)際含碳量高于鋼材牌號所規定的含量,若按原牌號的正常淬火工藝淬火時(shí),等于提高了鋼的淬火溫度,容易造成零件過(guò)熱和晶粒長(cháng)大,使淬火時(shí)應力增大而引起淬裂。 


5、淬火冷卻不當造成的淬裂,淬火時(shí)由于冷卻不當,也會(huì )使零件產(chǎn)生淬裂事故。 


6、機加工缺陷導致的淬裂,由于機加工不良,在零件表面留下了粗而深的刀痕,盡管是很簡(jiǎn)單的零件或不是應力集中的地方,也會(huì )在淬火時(shí)造成開(kāi)裂 ,或在服役過(guò)程中發(fā)生早期損壞。 


7、零件外形對淬火裂紋的影響,零件幾何形狀不合理,或截面過(guò)度區厚薄相差較大,在淬火時(shí)均易因應力集中產(chǎn)生裂紋。


8、不及時(shí)回火導致的開(kāi)裂,淬火后不及時(shí)回火,將可能因淬火殘余應力過(guò)大而導致裂紋產(chǎn)生。 


     總之,應用金相方法進(jìn)行缺陷分析是一項較為復雜的工作,由于零件失效有時(shí)是由多種因素所造成的,所以在實(shí)際工作中,應做多方面調查,掌握實(shí)情,并從多方面進(jìn)行分析,以確保缺陷分析的準確性。

03、熱處理裂紋產(chǎn)生機理與磨削裂紋產(chǎn)生機理 

熱處理裂紋產(chǎn)生機理:工件淬火后出現開(kāi)裂是由內應力引起的。內應力分為熱應力與相變應力。 


(1)工件在加熱或冷卻時(shí),由于不同部位存在著(zhù)溫度差而導致熱脹或冷縮不一致所引起的應力稱(chēng)為熱應力。 


(2)淬火工件在加熱時(shí),鐵素體和滲碳體轉變?yōu)閵W氏體,冷卻時(shí)又由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。由于不同組織的比容不同,故加熱冷卻過(guò)程中必然要發(fā)生體積變化。熱處理過(guò)程中由于工件表面與心部的溫差使各部位組織轉變不同時(shí)進(jìn)行而產(chǎn)生的應力稱(chēng)為相變應力。 淬火冷卻時(shí),工件中的內應力超過(guò)材料的屈服點(diǎn),就可能產(chǎn)生塑性變形,如內應力大于材料的抗拉強度,則工件將發(fā)生開(kāi)裂。 

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磨削裂紋產(chǎn)生機理: 

      高的磨削溫度容易燒傷工件表面,使淬火鋼件表面退火,硬度降低。即使由于切削液的澆注,可能發(fā)生二次淬火,也會(huì )在工件表層產(chǎn)生張應力及微裂紋,降低零件的表面質(zhì)量和使用壽命。

01、零件熱處理裂紋產(chǎn)生的原因 

     零件在熱處理過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很大的內應力(組織應力和熱應力),當這些應力超過(guò)鋼的屈服強度時(shí),會(huì )引起零件的變形;當應力更大,超過(guò)鋼的抗拉強度時(shí),則會(huì )造成零件的開(kāi)裂。 

     作用在零件上的應力有兩種:壓應力和拉應力。淬火時(shí)形成的拉應力是引起淬火裂紋的主要原因。但是當鋼的塑性較高時(shí),即使有較大的拉應力也不會(huì )引起零件的開(kāi)裂,比如沒(méi)有發(fā)生組織轉變的去應力退火,獲得較多殘留奧氏體的等溫淬火等。只有在應力較大,又具備了高硬度、脆性大的組織時(shí),才容易造成零件的開(kāi)裂。

     故淬火裂紋的形成必須同時(shí)存在兩個(gè)條件:一是具有脆性組織;二是拉應力超過(guò)了此時(shí)鋼的抗拉強度(當然其他情況也能促使零件裂紋發(fā)生,比如原材料缺陷、設計及機械加工不當造成的缺陷等)。 

02、關(guān)于裂紋的類(lèi)型 

     裂紋的分類(lèi)方法各種各樣。按裂紋的方向分,有縱向裂紋、橫向裂紋、弧形裂紋和網(wǎng)狀裂紋(又稱(chēng)龜裂)等;按裂紋發(fā)生的位置分,有表層裂紋(或稱(chēng)表面裂紋)和內部裂紋;按裂紋發(fā)生在不同的工序分,有鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、回火裂紋、冷處理裂紋、酸洗裂紋及磨削裂紋等。零件在熱處理過(guò)程中以淬火裂紋為最多。

03、裂紋的分辨方法 

     如何區分究竟是淬火裂紋、回火裂紋、鍛造裂紋還是磨削裂紋等是很重要的,這樣便于準確查找裂紋發(fā)生在哪一工序,有利于分析裂紋產(chǎn)生的原因。 

     第一,注意淬火裂紋和磨削裂紋形態(tài)的不同。對于淬火時(shí)未發(fā)現而在磨削后才發(fā)現的裂紋,要區別是淬火裂紋還是磨削裂紋。在裂紋未附著(zhù)污染物時(shí)比較容易,此時(shí)注意裂紋的形態(tài),特別是裂紋發(fā)展的方向,磨削裂紋是垂直于磨削方向的,呈平行線(xiàn)形態(tài),或呈龜甲狀裂紋。磨削裂紋的深度根淺,而淬火裂紋一般都比較深,比較大,與磨削方同無(wú)關(guān),多呈直線(xiàn)刀割狀開(kāi)裂。 

     第二,注意裂紋發(fā)生的部位。尖銳的凹凸轉角處、孔的邊緣處、刻印處、打鋼印處及機械加工造成的表面缺陷等部位,在這些部位發(fā)生的裂紋多屬淬火裂紋。 

      第三,通過(guò)觀(guān)察零件的裂斷面來(lái)區分是淬火裂紋還是淬火前的鍛造裂紋或其他情況造成的裂紋。若裂紋斷面呈白色或暗白色或淺紅色(水淬時(shí)造成的水銹),均可斷定為淬火裂紋,若裂紋斷面呈深褐色,甚至有氧皮出現,那就不是淬火裂紋,系淬火前就存在的裂紋,是零件經(jīng)過(guò)鍛造或壓延時(shí)形成的裂紋,這些裂紋都會(huì )因淬火而被擴大。因淬火裂紋基本上是在MS點(diǎn)以下時(shí)形成的,其斷面是不會(huì )被氧化的。 

     第四,在顯微組織中,淬火裂紋是沿晶界斷裂,若不是沿晶界斷裂,而是沿晶內斷裂,則屬于疲勞裂紋。 

     第五,如果裂紋周?chē)忻撎紝哟嬖,那就不是淬火裂紋,而是淬火前就存在的裂紋,因為淬火裂紋是淬火冷卻時(shí)產(chǎn)生的,絕不會(huì )發(fā)生脫碳現象。


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