3.3　淬火裂紋及其他裂紋

3.3.1　淬火裂紋的特征

淬火裂紋是零件在加熱和冷卻過程中，受到熱應(yīng)力和組織相變時組織應(yīng)力的雙重作用，由宏觀應(yīng)力引起的宏觀裂紋。零件的加熱速度過快，導(dǎo)致零件各部分的溫度存在差異，容易造成零件的淬裂、變形和軟點等熱處理質(zhì)量缺陷，當(dāng)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力之和超過鋼的抗拉強(qiáng)度時，就會導(dǎo)致零件的開裂。因此零件產(chǎn)生淬火開裂不是單純某一個原因造成的，了解其材料的機(jī)械加工流程和熱處理狀態(tài)，是熱處理工作者分析和判斷淬火開裂原因的重要依據(jù)。

淬火裂紋通常發(fā)生在淬火應(yīng)力最大的區(qū)域，例如圓形零件兩端的邊緣圓周處、厚薄不均的結(jié)合處、尖角和棱角、鍵槽等位置。淬火裂紋的特征分為宏觀和微觀兩種，下面分別介紹。

（1）淬火裂紋的宏觀特征

①淬火裂紋多起源于零件的棱角、空洞、凹槽、截面突變等應(yīng)力集中處，有時因零件本身的幾何形狀、特殊的部位、具體的技術(shù)要求和受冷卻速度的影響而產(chǎn)生于非應(yīng)力集中的部位，這應(yīng)當(dāng)具體分析和判斷。

②淬火裂紋一般始端粗大，尾部細(xì)小，方向和分布沒有一定的規(guī)律性，在零件的縱、橫方向上均能出現(xiàn)，如果加熱溫度高則局部位置會出現(xiàn)龜裂。

③裂紋的深度和寬度與零件的內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小有直接的關(guān)系，事實表明殘余應(yīng)力越大，則淬火裂紋愈深和愈寬，當(dāng)淬火應(yīng)力過大時，超過了材料的脆斷強(qiáng)度，導(dǎo)致零件的開裂。

（2）淬火裂紋的微觀特征

①淬火裂紋是沿著奧氏體的晶界而擴(kuò)展，有時在裂紋的兩側(cè)還有細(xì)小的裂紋，故裂紋為曲折狀，晶粒越大則裂紋擴(kuò)展愈大，若零件的應(yīng)力過大則造成穿晶斷裂。

②裂紋兩側(cè)的金相組織沒有變化，即無氧化、脫碳現(xiàn)象（見圖3-3），假如進(jìn)行高溫回火則裂紋兩側(cè)可能出現(xiàn)輕微的氧化。

一般而言淬火裂紋多是由淬火工藝中的熱處理工藝參數(shù)不當(dāng)造成的。除此以外，零件的原材料中的化學(xué)成分偏析、淬透性過高、存在大量的非金屬夾雜物、粗大的晶粒等，都能增大零件淬火開裂的趨勢，因此對出現(xiàn)的淬火開裂問題應(yīng)具體分析，不可妄下結(jié)論。

3.3.2　淬火開裂原因和形式

零件在實際的熱處理生產(chǎn)過程中，零件的冷卻速度快，造成其內(nèi)外溫度存在溫差，形成了熱應(yīng)力，在M_s點以下形成的馬氏體的比容和奧氏體比容不同，則形成了組織應(yīng)力，當(dāng)二者的內(nèi)應(yīng)力的合力超過鋼材的抗拉強(qiáng)度（或破斷強(qiáng)度），將造成零件的開裂。除原材料自身的缺陷外，零件出現(xiàn)淬火裂紋還同零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、形狀不規(guī)則（壁厚、截面突變、尖角等）、鋼材選用不當(dāng)、淬火溫度控制不準(zhǔn)確、冷卻速度不符合要求（在M_s點附近未從淬火介質(zhì)中提出）、操作不當(dāng)、淬火后未及時回火、零件的表面粗糙、鍛后未退火而直接淬火等因素有直接的關(guān)系。最常見的淬火裂紋的基本類型見圖3-4。由于裂紋的形成原因不同，它在鋼件中分布的狀態(tài)和形式也有差別。鋼件一旦產(chǎn)生宏觀的淬火裂紋，將直接做報廢處理，因此應(yīng)特別注意避免出現(xiàn)開裂。

縱向（軸向）裂紋主要是切向拉應(yīng)力造成的［圖3-4（a）］；橫向（弧形）裂紋是拉應(yīng)力引起的［圖3-4（b）］；網(wǎng)狀裂紋主要是表面在兩向拉應(yīng)力作用下形成的［圖3-4（c）］；剝落裂紋產(chǎn)生在很薄的硬化層內(nèi)，是徑向拉應(yīng)力過大造成的［圖3-4（d）］。

①縱向（軸向）裂紋是沿軸向分布，從表面向內(nèi)部擴(kuò)展，其走向與軸向平行，在淬透零件表層切向拉應(yīng)力比軸向應(yīng)力大時才能出現(xiàn)，原因為：工件被完全淬透，心部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體導(dǎo)致表面切向拉應(yīng)力過大。鋼的含碳量越高則越容易形成縱向裂紋，如果零件的尺寸在淬裂的敏感尺寸范圍內(nèi)或原材料存在嚴(yán)重的帶狀偏析，也將導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。W18Cr4V鋼制作的大直徑的管螺紋機(jī)用絲錐，如果冷卻過于激烈，容易出現(xiàn)該類裂紋。影響縱向裂紋的因素有鋼的含碳量高，淬火溫度提高，零件的尺寸大，空心圓柱或套筒，以及非金屬夾雜物、碳化物、帶狀組織等將造成鋼的橫向強(qiáng)度和韌性的降低，在淬火冷卻過程中，出現(xiàn)裂紋的概率增加。判斷軸向裂紋原因的金相組織分析示意圖見圖3-5，從圖中可以對裂紋是熱處理前裂紋還是淬火裂紋進(jìn)行正確識別，它們具有不同的特征。

防止出現(xiàn)縱向（軸向）裂紋的解決方案為：采用等溫、分級淬火等冷卻方法，使工件不被完全淬透，減少拉應(yīng)力的產(chǎn)生；避開淬裂敏感尺寸區(qū)。

②淬火裂紋中的橫向裂紋和弧形裂紋的特征為斷口與軸線垂直，其裂紋源于內(nèi)部，呈放射狀向外擴(kuò)展，其發(fā)生的原因一般為：a．工件未淬透，在零件的硬化層和非硬化層之間的過渡區(qū)存在有一個最大的軸向拉應(yīng)力峰，引起橫向裂紋的出現(xiàn)，該類裂紋多出現(xiàn)在直徑大、材料的淬透性差的零件上；b．零件表面淬火后在硬化與非硬化區(qū)域間存在較大的切應(yīng)力或軸向拉應(yīng)力，造成自過渡區(qū)形成裂紋，逐漸擴(kuò)展到表面形成弧形裂紋，以及零件的表面上出現(xiàn)棱角（尖角）、截面變化懸殊、凹槽、中心孔、銷孔、螺紋時，將造成應(yīng)力集中，也形成弧形裂紋。大型鍛件產(chǎn)生橫向裂紋在于其未淬透，而冶金缺陷如白點、氣泡以及夾雜物等易作為裂紋源，當(dāng)應(yīng)力大于裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力時，就出現(xiàn)該類裂紋。

防止出現(xiàn)橫向裂紋和弧形裂紋的措施為：選擇合適的硬化層分布；采用減少內(nèi)應(yīng)力的淬火方式（例如預(yù)熱等）；進(jìn)行合理的工件設(shè)計，減少應(yīng)力集中；采用預(yù)熱、預(yù)冷等減小應(yīng)力的措施等。

弧形裂紋產(chǎn)生的原因與橫向裂紋相類似，裂紋從內(nèi)部開始出現(xiàn)，而有時在零件的棱角、截面突變處、尖角或凹槽等區(qū)域，常發(fā)生在未淬透或滲碳淬火的零件中。另外在銷孔、槽、中心孔等處由于冷卻慢，硬化層薄，因此在硬化層的過渡區(qū)內(nèi)拉應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)弧形裂紋。高碳鋼的弧形裂紋見圖3-6，這是在冷卻速度最快的尖角附近所形成的裂紋，另外淬火鋼件上存在軟點也易形成裂紋，其特征是細(xì)小的裂紋圍著軟點，但范圍很小。

③網(wǎng)狀裂紋（龜裂）的形成與零件表層受軸向拉應(yīng)力和切向拉應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)具有的二向拉應(yīng)力較大，而表層硬度高、脆性大、斷裂強(qiáng)度低時容易出現(xiàn)這類裂紋。其外部特征見圖3-7。從圖中可以看出，網(wǎng)狀裂紋深度較淺，通常在0.01～1.5mm，裂紋的走向無規(guī)律性，與零件的外形無關(guān)。一般而言表面脫碳的高碳鋼和滲碳零件淬火后極易形成該類裂紋，其原因在于脫碳后表面、外部形成的馬氏體的含碳量低于內(nèi)部的含碳量，故形成的內(nèi)外馬氏體的體積差大，從而造成表面產(chǎn)生很大拉應(yīng)力的作用，造成表面形成網(wǎng)狀裂紋；另外工件因過熱或過燒，使晶界處強(qiáng)度降低，沿晶界開裂也會使表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋。

采取的措施為：采用無氧化、脫碳加熱設(shè)備和介質(zhì)；采用充分脫氧的鹽浴爐加熱工件；滲碳后避免空冷；嚴(yán)格執(zhí)行淬火工藝，防止出現(xiàn)工件的過熱或過燒。

影響網(wǎng)狀裂紋形成的因素較多，但都同表面的兩個拉應(yīng)力有關(guān)，因此下列情況是容易出現(xiàn)此類裂紋的：

a．零件表面出現(xiàn)脫碳，形成了特殊的應(yīng)力分布，將表面的應(yīng)力變成拉應(yīng)力，如高碳鋼脫碳后淬火出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋；

b．機(jī)械加工未將原材料的脫碳層去掉，高頻或火焰加熱淬火則出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋；

c．表面脫碳層的碳含量高于0.4%，易于開裂，而小于0.4%則不會出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋；

d．高碳鋼淬火后未及時回火或回火不良等，內(nèi)部殘余應(yīng)力過大，在隨后的磨削過程中，冷卻不良會造成表層產(chǎn)生大的磨削應(yīng)力，它與殘余拉應(yīng)力相互疊加，造成表面出現(xiàn)磨削龜裂。

④剝落裂紋常發(fā)生在零件的高頻淬火、火焰淬火或其他的表面淬火過程中，如果零件的表面溫度高，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，沿淬硬層組織分布不均勻，容易形成剝落裂紋。

剝離裂紋與零件的表面平行，表面淬火件則沿圓形開裂。剝離裂紋產(chǎn)生于零件表層十分薄的區(qū)域內(nèi)，在內(nèi)部存在兩向均勻的壓應(yīng)力，徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力，見圖3-8。

應(yīng)力與硬化層內(nèi)組織的不均勻有關(guān)，在過渡區(qū)的極薄的區(qū)域內(nèi)，裂紋擴(kuò)展嚴(yán)重時造成表層的剝落。產(chǎn)生裂紋的原因為表層和心部組織的比容不同，在表層形成軸向、切向壓應(yīng)力，而徑向為拉應(yīng)力，并向內(nèi)部突變，裂紋產(chǎn)生于急劇變化的過程中。

采取的解決方案為：加快或減慢高頻淬火、火焰淬火和滲碳等零件的冷卻速度；使?jié)B層或表面組織與基體組織過渡區(qū)均勻。

需要注意的是剝離裂紋具有很大的危害，因此在實際熱處理過程中應(yīng)盡可能地加以避免。對滲碳零件而言，加快或減慢冷卻速度，可得到均勻一致的馬氏體或托氏體組織，防止出現(xiàn)剝離裂紋。

除上述四種淬火裂紋基本形態(tài)外，還存在沒有固定形態(tài)特征的應(yīng)力集中裂紋。應(yīng)力集中裂紋是零件在熱處理過程中需要高度重視的問題，影響該類裂紋的因素較多，首先它同零件的幾何形狀、截面尺寸的突變、設(shè)計要求、材料的特性有關(guān)，圖3-9為40鋼的拉臂在尺寸最薄弱的位置出現(xiàn)開裂；其次與加熱和冷卻的工藝流程以及有無采取必要的措施有關(guān)；另外同加工的零件表面上的加工刀痕、打印的標(biāo)記等存在直接的聯(lián)系，圖3-10為應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋。在零件的熱處理過程中，造成應(yīng)力集中的因素歸納為以下幾條：

①從零件的形狀上看，零件壁厚發(fā)生突然變化，以及出現(xiàn)尖銳凹角、切口、凹槽、尺寸不均或急劇變化、凸緣、切削刀痕等形狀外觀缺陷；

②材料內(nèi)部出現(xiàn)帶狀、條狀、網(wǎng)狀非金屬夾雜物；

③碳化物以及其他冶金缺陷等。

這些因素將造成鋼材的脆化，造成淬火應(yīng)力集中。

熱變形開裂由于零件差異而形成原因不同，一種情況是零件成形前加熱溫度過高或保溫時間過長，造成晶粒的晶界面和富碳的偏析區(qū)熔化，表面層和晶界面被氧化。

另一種情況是零件變形前加熱速度太快，鍛件中部存在橫向裂紋，在半徑方向由拉應(yīng)力引起開裂，其原因為毛坯加熱不足，心部的溫度低，此時材料的延展性差。

淬火裂紋是指零件在馬氏體相變溫度區(qū)淬火時，由于應(yīng)力的重新分布而產(chǎn)生的裂紋，一般在冷卻的5～7s或10～60min開裂，是零件冷至M_s點時未及時把零件從冷卻介質(zhì)中提出，任其冷卻到底造成的。淬火裂紋通常是在一段時間內(nèi)發(fā)生，有時在未回火前或回火后從表面開裂，這多發(fā)生在淬透或淬硬深度大的工具等零件上，縱向裂紋始于表面終止于內(nèi)部。對于低淬透性工具鋼而言，當(dāng)在水中急冷表面產(chǎn)生馬氏體時與心部的溫度高達(dá)140～500℃，將會產(chǎn)生弧形裂紋。該類裂紋始于應(yīng)力集中區(qū)（銳角、直角或孔的邊緣），有時可能擴(kuò)展到零件的表面。

從上面的分析可知，熱處理裂紋就是在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，其實質(zhì)為零件內(nèi)部熱應(yīng)力和組織應(yīng)力下的脆性斷裂，內(nèi)應(yīng)力大于材料的破斷抗力時即發(fā)生開裂現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于破斷抗力時，在淬火過程中開裂；當(dāng)二者基本相近時，淬火后零件立即開裂；當(dāng)內(nèi)應(yīng)力小于破斷抗力，但接近破斷抗力時，如淬火后不及時回火，放置一段時間將發(fā)生開裂現(xiàn)象。圖3-11表示形成淬火裂紋的條件。

3.3.3　淬火裂紋的一般特點

零件在加熱保溫結(jié)束后，進(jìn)行快速冷卻以完成組織的轉(zhuǎn)變，獲得要求的組織和力學(xué)性能等，滿足零件的工作需要。理想的冷卻方式為在C曲線“鼻尖”處快速冷卻，而在M_s點以下緩慢冷卻（如分級、等溫、空冷等），避開危險區(qū)域，使零件的內(nèi)外溫度均勻一致，在冷卻過程中同時發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變，減小熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，可實現(xiàn)零件的無開裂和變形，符合零件的熱處理技術(shù)要求。

如果零件淬火冷卻過程中出現(xiàn)開裂，則應(yīng)具有以下特點：

①斷面裂紋處有少許紅色銹跡、梨黃色油跡或發(fā)現(xiàn)新的裂紋，則是冷卻過程中發(fā)生的；

②如斷面出現(xiàn)黑色的氧化層，則是鍛造過程中造成的；

③裂紋處晶粒粗大，發(fā)白亮光，是過熱和溫度過高引起的；

④磨削面呈現(xiàn)龜裂，為磨削后加工不良所致；

⑤凸起或粗細(xì)不均勻部分，發(fā)現(xiàn)裂紋，說明加熱與冷卻不均勻，或是設(shè)計上的原因造成的；

⑥尖角、槽部、刻印部分出現(xiàn)裂紋，則為應(yīng)力集中造成的。

淬火裂紋與其他的裂紋是有區(qū)別的，淬火裂紋的斷口是暗無光澤或略帶有白色，稍微帶有紅色的鐵銹（水冷時）或滲出油（油冷時），裂紋的部位在截面形狀突變處、尖角、缺口、孔穴、模型接線飛邊、機(jī)械加工刀痕等。從顯微鏡上看，裂紋沿奧氏體或馬氏體晶界出現(xiàn)，可穿過或繞過“馬氏體針”，具有瘦直而剛健的曲線、棱角性較強(qiáng)，在單條主裂紋兩側(cè)，沿晶界分布著細(xì)小裂紋等。

熱處理后的工件是否有裂紋，常采用下列方法來辨別。

①敲擊聽音法：將工件掛起輕輕敲擊一端發(fā)出響聲，如果聲音不清脆而呈破啞的濁音，則表明工件內(nèi)有裂紋。

②油浸法：將工件浸入油（機(jī)械油等）中一定時間，取出后用棉紗擦干，再涂以白粉（粉筆末），如果工件表面有油漬線紋滲出，表示該處有裂紋存在。

③磁力探傷法：將工件放在磁力探傷機(jī)上，表面撒以鐵粉通電，如有吸附鐵粉處則存在裂紋。

淬火溫度高出現(xiàn)的裂紋由粗變細(xì)，尾部細(xì)尖，周圍呈現(xiàn)過熱特征（晶粒粗大或粗大馬氏體）；冷卻速度快引起的裂紋是穿晶分布，比較直沒有分支小裂紋。在熱處理過程中產(chǎn)生的裂紋是多種多樣的，其形成的機(jī)理也不相同，因此裂紋有淬火裂紋和非淬火裂紋兩種，為便于區(qū)分現(xiàn)將二者的差異列于表3-8中，供參考。

3.3.4　影響零件開裂的因素和解決方案

（1）零件的表面形狀和狀態(tài)的影響　零件的材質(zhì)和尺寸大小是確定零件熱處理工藝的基礎(chǔ)，而截面的變化則直接對零件的熱處理技術(shù)要求產(chǎn)生重要的影響。如設(shè)計的零件橫截面突然發(fā)生變化，形狀復(fù)雜，厚薄懸殊，出現(xiàn)直角、缺口或倒角半徑過小，倒角尖銳，開孔位置不當(dāng)?shù)仍斐蓱?yīng)力集中，這些因素將對冷卻過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織應(yīng)力起到不利的影響，造成內(nèi)應(yīng)力的增大，若超過材料的破斷抗力，將引起零件的縱向和橫向的開裂。因此對存在小孔、薄壁或凹槽部位等的形狀復(fù)雜的零件，要防止出現(xiàn)過熱或冷卻過急，一般采用鐵皮或石棉繩等進(jìn)行包扎，或填充耐火土或石棉繩等，使該部位的加熱和冷卻均勻，防止出現(xiàn)淬火裂紋。

零件在機(jī)械加工過程中，產(chǎn)生在零件上的刀痕（傷）、劃痕、毛刺，表面粗糙度差，矯直不當(dāng)，以及打印的標(biāo)記等，在熱處理的過程中因為此處的內(nèi)應(yīng)力增大，同樣可能會造成零件的開裂。另外零件的冷熱加工質(zhì)量，也有一定的影響。

所謂應(yīng)力集中部位（stress raiser）就是淬火應(yīng)力容易集中的位置，一般為零件上的切槽、刀紋、尖銳凸凹部位、打印標(biāo)記痕跡和截面突變處等，因此要避免零件出現(xiàn)上述缺陷。棱角的棱是指內(nèi)側(cè)的圓角（fillet），而角（corner）為外側(cè)的邊緣，對于棱角處應(yīng)做成半徑至少3mm的圓弧，實踐表明當(dāng)半徑為15mm時，可完全消除掉棱角效應(yīng)。圖3-12為常見的應(yīng)力集中部位發(fā)生淬火裂紋零件。

引起淬火裂紋的零件的尺寸稱為危險截面，一般零件直徑20mm、板厚為15mm最容易出現(xiàn)淬火裂紋，這一點應(yīng)引起熱處理工作者的高度重視。

零件的形狀是影響淬火裂紋的主要因素，容易發(fā)生淬火裂紋的部位，大致是一定的：零件橫截面形狀突變、尖角、缺口、孔穴、模型接線飛邊等，也充分說明零件的形狀和結(jié)構(gòu)不合理是造成淬火裂紋的主要原因。圖3-13為幾種存在上述情況時出現(xiàn)開裂的具體位置。從圖中可以看出，設(shè)計人員對零件的形狀的設(shè)計必須既要考慮零件的具體工作條件和使用目的，又要降低零件熱處理過程中出現(xiàn)變形和開裂的概率，因此應(yīng)消除和改進(jìn)有可能出現(xiàn)淬火裂紋的問題。如果出現(xiàn)易于發(fā)生淬火裂紋的形狀，不管熱處理技術(shù)水平多高，也難以避免淬火裂紋的產(chǎn)生，因此零件形狀的設(shè)計應(yīng)本著均熱均冷、均縮均脹的原則，即斷面要均勻、沒有缺口效應(yīng)等。

零件的熱處理對其形狀有兩點最基本的要求：一是尺寸的截面變化要盡可能地小，即使確實需要變化也應(yīng)有過渡，零件的形狀應(yīng)規(guī)則；二是沒有產(chǎn)生缺口效應(yīng)的部位。若能滿足以上要求，則零件的淬火裂紋就可以避免。截面積出現(xiàn)不均勻變化，零件的薄部位在淬火冷卻時，先進(jìn)行馬氏體的轉(zhuǎn)變而得到硬化，而厚截面部分發(fā)生馬氏體的膨脹，給薄的部分產(chǎn)生拉應(yīng)力的作用，在厚薄的相連處產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)淬火裂紋。另外在零件的槽口、盲孔、粗糙的加工刀痕、凹凸不平處、打印標(biāo)記等，在淬火時將有利于產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的集中。因此為避免在截面的尺寸上等方面出現(xiàn)問題，可從以下幾個方面采取措施。

①壁厚和壁薄部位不要連成一體，如果確實有必要，要作成組合式結(jié)構(gòu)。

②適當(dāng)開調(diào)整壁厚的工藝孔，使零件的冷卻均勻。

③將盲孔改為通孔，便于冷卻介質(zhì)的流動。

④把實心的粗大圓柱狀零件改為筒狀。

⑤使截面的變化均勻，壁薄處加筋，或作成斜坡。

⑥壁厚不均勻處，盡可能改為均勻?qū)ΨQ。

具體截面改進(jìn)圖例見圖3-14。

棱角產(chǎn)生淬火裂紋的主要原因是缺口效應(yīng)作用的結(jié)果，因此在實際的零件設(shè)計中應(yīng)將尖角、棱邊處加工成圓弧形，圓角半徑如為15mm，則棱角效應(yīng)可全部消除，半徑為5mm時，可使尖角的影響減半，即使僅加工到半徑為1mm，也比尖角強(qiáng)。這樣可有效避免裂紋的發(fā)生。圖3-15是表示對有棱角的零件的改進(jìn)思路或解決方案。

從以上分析可知，有效防止淬火裂紋出現(xiàn)的措施有以下三點：改正零件不合理的形狀；使零件的內(nèi)外部分同時冷卻生成馬氏體組織；馬氏體化的速度盡可能地慢，確保內(nèi)外組織轉(zhuǎn)變的一致性。零件的斷面均勻、圓角過渡可有效避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此良好的設(shè)計要求截面厚度均勻，形狀對稱，平滑過渡和加開工藝孔等，對形狀復(fù)雜、尺寸大、大型凹模等建議進(jìn)行分級淬火、等溫淬火等，可避免應(yīng)力集中。

零件的形狀對零件的淬火裂紋有直接的影響，具體見圖3-16。對圓套或空心厚壁管等而言，淬火裂紋發(fā)生在內(nèi)孔壁上。

（2）零件的材料和初始組織　正確選擇零件用鋼是十分重要的一步，其應(yīng)滿足零件的服役條件要求，具有較好的加工工藝性能、較好的經(jīng)濟(jì)性等，另外可確保熱處理后容易達(dá)到設(shè)計性能要求，可防止開裂的傾向和減小零件的熱處理變形。因此零件的材料是熱處理過程中一切技術(shù)要求的根本，其質(zhì)量的好壞直接決定了零件的使用壽命和工作狀態(tài)，同時也會對零件的熱處理工藝參數(shù)的確定帶來很大的難度，原材料的質(zhì)量決定了零件的熱處理質(zhì)量，因此原材料的入廠質(zhì)量檢驗是十分重要的工作，不合格的原材料原則上不允許投產(chǎn)和使用，但如果在機(jī)械加工或其他工序中能夠去掉或加以改善其質(zhì)量缺陷，不影響零件的熱處理和零件的具體使用等，也是可以使用的，但必須進(jìn)行認(rèn)真檢查。下面將導(dǎo)致淬火裂紋的因素列于表3-9中。

鋼分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。亞共析鋼、共析鋼的原始組織通常為粒狀珠光體或馬氏體組織，加熱后形成更加飽和的奧氏體，而過共析鋼為萊氏體組織，加熱后內(nèi)部的碳化物分布將十分均勻。原始組織中晶粒度細(xì)小、網(wǎng)狀碳化物和共晶碳化物以及偏析符合材料的要求，則在加熱和冷卻過程中造成零件開裂的概率小。

對于鋼中原始組織，如果存在碳化物不均勻（偏析）、化學(xué)成分不合格、組織不合格、原材料內(nèi)部存在裂紋等，將會有可能在加熱時造成過熱或開裂，為此應(yīng)當(dāng)降低加熱溫度，盡可能地采用下限溫度加熱，必要時通過金相檢查來確定合理的溫度。另外需要特別注意的是需要重新淬火的零件，尤其是形狀比較復(fù)雜、厚薄懸殊、合金元素多的零件，必須進(jìn)行中間退火或正火處理，方可進(jìn)行正常的熱處理，否則將引起零件產(chǎn)生淬火裂紋，因此應(yīng)引起熱處理操作者的高度重視。另外零件表面嚴(yán)重粗化，形狀復(fù)雜的大型鍛件鍛后不進(jìn)行退火而直接進(jìn)行淬火也容易產(chǎn)生淬火裂紋。需要注意的是含碳量在0.40%以上的碳鋼是淬火危險的鋼種，尤其是淬火時在330℃以下最容易發(fā)生淬火開裂，這一點應(yīng)當(dāng)引起熱處理工作者的高度重視。

（3）淬火溫度和加熱時間等技術(shù)條件　為了使零件熱處理后獲得要求的硬度和組織，尤其片面追求高硬度，有時采用提高淬火加熱溫度或在淬火溫度下長時間加熱，零件加熱不均造成奧氏體晶粒長大和變粗，使冷卻后的組織強(qiáng)度降低，馬氏體粗化，脆性增大，斷裂強(qiáng)度降低，因此增大了零件開裂的概率。同時鋼材的成分和淬火介質(zhì)對淬火開裂的影響也不容忽視，因此從某種意義上講出現(xiàn)淬火裂紋是各方面因素和質(zhì)量缺陷綜合作用的結(jié)果。另外淬火開裂與零件的淬火溫度過高、加熱不均勻等有一定的關(guān)系，因此嚴(yán)格控制加熱溫度、確保爐溫的均勻性、合理放置零件等是熱處理過程中應(yīng)特別引起注意的幾點，同時應(yīng)遵循加熱溫度和時間的相互關(guān)系，必要時進(jìn)行金相檢驗，以合理確定理想的熱處理工藝參數(shù)。

因此盡量減少淬火硬化層的部位和程度，采用對零件進(jìn)行局部硬化或調(diào)整局部的硬度，既能完成零件的熱處理，又能避免零件的變形和開裂。如圖3-17和圖3-18所示。

熱處理工藝的設(shè)計質(zhì)量和現(xiàn)場的操作質(zhì)量對零件的淬火開裂有十分重要的影響，因此應(yīng)正確安排和實施冷熱加工工藝，實現(xiàn)規(guī)范操作，確保加熱和冷卻質(zhì)量。

零件截面尺寸較大，合金元素的含量較高，如高合金鋼、高速鋼、高鉻合金鋼等，由于本身具有較多的碳化物，因此導(dǎo)熱性差，另外如果形狀復(fù)雜，加熱過度等，沒有進(jìn)行必要的預(yù)熱措施或加熱速度過快等，使加熱過程中熱應(yīng)力增大勢必造成零件的開裂，這一點務(wù)必注意。對于熱處理后沒有達(dá)到要求的返修件，如果未進(jìn)行退火或正火處理而直接加熱淬火，將會造成零件的二次淬火，增大了淬火開裂的傾向。

零件的加熱沒有根據(jù)零件材料的特點來進(jìn)行合理的加熱，加熱溫度高或加熱速度快等，假如鋼材的組織不良，造成零件表面和內(nèi)部溫差的增大，當(dāng)淬火后內(nèi)應(yīng)力超過正斷抗拉強(qiáng)度，零件將會出現(xiàn)開裂。

過熱是一種常見的加熱缺陷，通常表現(xiàn)為組織粗大、材料的性能降低，并成為淬火開裂的根源之一，低碳鋼和低碳合金鋼淬火后正常組織為呈有序排列的條狀低碳馬氏體，而過熱后馬氏體排列方向性明顯，同時馬氏體條粗大；中碳鋼和中碳合金鋼的正常淬火組織是條狀馬氏體＋少量片狀馬氏體，出現(xiàn)過熱時則馬氏體粗化，同時呈條束狀分布。表3-10為45鋼馬氏體針長度與淬火加熱溫度的對應(yīng)關(guān)系。

淬火溫度過高，形成的裂紋會沿晶界分布，在顯微組織中有過熱的特征，此時粗大晶粒形成的馬氏體呈針狀，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力增大，當(dāng)其超過鋼的抗拉強(qiáng)度，就會引起零件開裂，這種情況多出現(xiàn)在高碳鋼和高速鋼的淬火中。一般認(rèn)為，淬火溫度高容易發(fā)生淬火裂紋，這主要跟鋼的淬透性，即鋼的淬透深度有關(guān)，通常淬火溫度和淬火裂紋之間有一定的關(guān)系，一類為溫度越高，產(chǎn)生淬火裂紋的概率增加（指小零件）；另一類為溫度越高，產(chǎn)生裂紋概率降低（指大型零件）；最后一類為隨鋼淬火溫度的升高而變化。需要注意的是零件的過熱容易發(fā)生在薄壁處、尖端處以及銳角處等。過熱淬火開裂的一個重要原因是晶粒長大，晶界強(qiáng)度降低，裂紋沿晶界分布。過熱從溫度上講比正常淬火溫度高100℃以上，過熱容易發(fā)生在爐壁附近以及加熱火焰的接觸處，因此熱處理現(xiàn)場出現(xiàn)工件的開裂，多是爐內(nèi)溫度分布不均勻造成的。發(fā)現(xiàn)過熱應(yīng)立即停止淬火，將工件取出爐外空冷，在火色消失后（約550℃左右）再加熱至正常的淬火溫度加熱，此時應(yīng)注意工件的尖端、銳角以及截面突變處，否則容易在該位置出現(xiàn)淬火裂紋。圖3-19為45鋼過熱淬火后的顯微組織，裂紋明顯沿晶界分布，馬氏體針比較粗大。

零件的加熱過程中，在重視奧氏體化溫度的同時，更要關(guān)注冷卻方法，均勻的急冷可有效防止零件的開裂和彎曲，因此均勻攪拌冷卻介質(zhì)是實現(xiàn)零件獲得要求的技術(shù)指標(biāo)的重要條件之一。需要注意的是對于采用輸送帶型的冷卻槽，其零件熱處理后隨著滑道送入淬火介質(zhì)中后散落在輸送帶上，與輸送帶接觸的下面部位冷卻慢，而上面冷卻快，因此造成冷卻不均勻，容易引起淬裂或變形。針對此類問題可使冷卻介質(zhì)有足夠的深度，使零件落在輸送帶前的溫度已經(jīng)低于M_s點，這樣在輸送帶上不會出現(xiàn)高溫的零件。關(guān)于冷卻介質(zhì)的攪拌有兩種方式，一種是自槽底向上噴液，另一種是以螺旋槳自側(cè)面攪拌。理想的狀態(tài)是在熱處理冷卻槽內(nèi)，當(dāng)零件落入冷卻介質(zhì)的上面時，冷卻介質(zhì)自側(cè)面橫向流動為宜（自上而下則形成紊流，無法均勻冷卻）。

（4）表面脫碳　零件在加熱過程中，因為加熱介質(zhì)中存在氧化性氣體，造成其表面發(fā)生氧化和脫碳，這將嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，如果脫碳層深在1.5～2mm，淬火后因內(nèi)外組織成分的差異表面產(chǎn)生拉應(yīng)力的作用，這是由于脫碳后表面形成的低碳馬氏體的比容比心部金屬小，將會產(chǎn)生表面裂紋。

高碳鋼（指含碳量>0.5%以上）發(fā)生表面脫碳是最危險的，該類鋼內(nèi)部發(fā)生馬氏體相變，有相當(dāng)大的體積變化，造成零件的表面產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，更容易產(chǎn)生淬火裂紋。

一般而言，如果零件表面存在脫碳，就有發(fā)生淬火裂紋的可能，其原因在于脫碳層的馬氏體的膨脹量小于母體的膨脹量，二者存在差異。事實上表面脫碳未必就會出現(xiàn)淬火裂紋，應(yīng)根據(jù)表面脫碳層殘余碳量的多少來確定，當(dāng)殘余碳量小于0.3%，則不會發(fā)生淬火裂紋。而當(dāng)殘余碳量高于0.4%，則容易出現(xiàn)淬火裂紋。滲碳可以防止開裂，其原因在于過共析鋼（含碳量在0.85%～0.90%）使馬氏體的膨脹量變大，在表面產(chǎn)生了壓縮殘余應(yīng)力。

關(guān)于脫碳的問題要進(jìn)行正確認(rèn)識和分析，如果裂紋兩側(cè)的脫碳層中鐵素體呈大晶粒并與裂紋近似垂直時，為熱處理加熱裂紋；如果鐵素體作無規(guī)則的排列，則為鍛造缺陷；如果沒有進(jìn)行鍛造，則為原材料本身具有裂紋。40Cr制造的轉(zhuǎn)子軸，經(jīng)過鍛造和淬火后發(fā)現(xiàn)裂紋，金相檢查裂紋的兩側(cè)存在脫碳層，鐵素體呈較大的柱狀晶粒，晶界與裂紋基本垂直。由此可知此裂紋是在鍛造過程中形成的，淬火加熱中引起裂紋兩側(cè)的氧化脫碳，造成鐵素體晶粒的形核。因此隨著加熱時間的延長，裂紋兩側(cè)的碳濃度降低，裂紋的開口向內(nèi)部擴(kuò)展，為鐵素體的長大提供了便利條件。在實際熱處理過程中，應(yīng)對出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行正確分析和判斷，才能指導(dǎo)零件的熱處理工作。

（5）冷卻介質(zhì)、冷卻速度和介質(zhì)的溫度　為了實現(xiàn)零件的熱處理，根據(jù)材料和技術(shù)要求要合理選擇冷卻介質(zhì)使鋼材與淬火介質(zhì)的冷卻強(qiáng)度相適應(yīng)。一般而言，淬火方法的選擇是防止淬火開裂的基礎(chǔ)，水冷比油冷危險，鹽水比油冷危險，鹽浴（包括堿浴、硝鹽浴等）的開裂傾向較小。對必須采用冷卻強(qiáng)烈的介質(zhì)，如能淬火前在空氣中預(yù)冷，則會收到較好的效果。因此理想的手段和措施是降低鋼在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度，在相變點區(qū)域以上快速冷卻，在馬氏體相變區(qū)緩慢冷卻，確保零件內(nèi)外溫度的一致性，避免產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變的不同時性。冷卻介質(zhì)應(yīng)作到均勻冷卻，必要時加攪拌器，目的是確保零件在淬火過程中介質(zhì)溫度的一致，淬火內(nèi)應(yīng)力的大小、類型和分布將直接影響淬火鋼的組織形態(tài)。零件在獲得50%M時，即在120～150℃會發(fā)生淬火裂紋，這可從鋼的理想冷卻曲線中找到原因，根據(jù)零件的材質(zhì)選用鹽浴淬火、等溫淬火等。材料的相變點M_s=561-474×% C-33×%Mn-17×% Ni-21×%Mo（℃），在M_s點附近進(jìn)行冷卻則可避免零件的開裂。M_f=M_s-215±15℃，M_s點越低，則易于引起淬火開裂，而在M_s點以下快冷即水淬時間過長或分級淬火取出后立即進(jìn)行清洗等，會直接造成零件的開裂。若M_s點下降8℃，淬火裂紋則為原來的6倍。因此對零件進(jìn)行分級、等溫淬火就是減少開裂的方式之一，通常的淬火介質(zhì)有硝鹽浴、堿浴、硝鹽和堿的混合液，常見的鹽浴分級或等溫淬火的介質(zhì)成分見表3-11。

需要注意的是上述介質(zhì)配比不同則其溫度的使用范圍有較大差異。在實際熱處理過程中，應(yīng)根據(jù)工件的材質(zhì)、技術(shù)要求、幾何形狀以及具體的組織和性能等合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方法。從冷卻設(shè)備的選擇，到淬火工藝裝備的應(yīng)用，都應(yīng)認(rèn)真做好工藝驗證工作，目的是確保工件淬火后的產(chǎn)品質(zhì)量合格，降低或消除產(chǎn)品的變形和開裂，發(fā)揮出該材質(zhì)的特性，滿足零件的使用要求。

利用選擇冷卻介質(zhì)來調(diào)整淬火應(yīng)力的大小，零件自高溫急冷下來產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，表層形成殘余壓應(yīng)力，有利于防止淬裂；而在危險區(qū)產(chǎn)生相變應(yīng)力，在零件的表面形成殘余拉應(yīng)力，則有利于淬火裂紋形成，因此是否發(fā)生淬火開裂取決于熱應(yīng)力和相變應(yīng)力之和的大小和分布情況。

調(diào)整殘余奧氏體的數(shù)量，有助于減少淬火裂紋的發(fā)生，如果工件淬火后存在5%～7%的殘余奧氏體，它不會受外力而輕易改變，因而有緩沖作用，對于齒輪可使齒面間接觸良好，用于軸承則有助于延長滾動壽命。由于殘余奧氏體為軟韌性相，在冷卻過程中可很好地吸收馬氏體形成時產(chǎn)生的畸變能，具有緩和相變應(yīng)力的作用，因此，采用分級淬火、等溫淬火或進(jìn)行貝氏體淬火，可有效防止淬火裂紋的出現(xiàn)，也為零件的正確熱處理提供了思路和方向。

堿浴和硝鹽浴具有較大的冷卻能力，淬火后的工件表面呈銀灰色，潔凈，如果加入水則可顯著降低其熔點，提高冷卻速度，水的具體加入量見表3-12。加水后冷卻介質(zhì)的冷卻速度提高1倍以上，工件的硬度可提高1～2HRC，多用于進(jìn)行貝氏體或馬氏體的淬火或等溫淬火。應(yīng)當(dāng)注意堿浴的缺點為有較強(qiáng)的腐蝕性，對皮膚有損傷，因此現(xiàn)場要加通風(fēng)裝置，熾熱的工件浸入后，堿液會劇烈沸騰、飛濺。堿浴主要用于碳鋼的淬火。

鹽與堿、硝鹽的混合液用于進(jìn)行工件的淬火發(fā)藍(lán)處理，可省去一道發(fā)黑或表面處理工序。其特點為處理后零件具有變形小、表面粗糙度好和有一定的抗銹蝕能力，多用于形狀復(fù)雜、要求變形小的碳素工具鋼、滲碳鋼、工具鋼和合金鋼等淬火。

應(yīng)當(dāng)了解淬火的冷卻速度與淬火裂紋的關(guān)系，對零件的快速冷卻導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力，零件的外層為壓應(yīng)力，而內(nèi)層為張應(yīng)力（或拉應(yīng)力），可以有效防止淬火裂紋的產(chǎn)生。但在組織轉(zhuǎn)變的過程中（M_s～M_f），相變的應(yīng)力增大，在該溫度范圍內(nèi)，冷卻速度越大，相變應(yīng)力明顯增加，也就容易出現(xiàn)淬火裂紋。

事實上任何零件的熱處理過程都存在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用，其力的總和的正負(fù)決定了淬火零件是否發(fā)生淬火裂紋，具體見圖3-20。從圖中可知應(yīng)力合成的結(jié)果為：在A或B區(qū)域內(nèi)冷卻速度過慢和過快應(yīng)力均為負(fù)，而介于二者之間的應(yīng)力為正，是淬火裂紋的發(fā)生區(qū)域。油冷不會產(chǎn)生裂紋，因此充分利用熱應(yīng)力來減少相變應(yīng)力，是實現(xiàn)零件無淬火裂紋的重要方法。

另外，為防止出現(xiàn)淬火裂紋，在零件冷卻到接近M_s以上取出進(jìn)行緩冷，即一般淬火到230℃左右提出空冷，是十分適宜的。此斷續(xù)淬火將淬火裂紋發(fā)生的概率降為零，但應(yīng)注意合理控制冷卻速度，改變冷卻速度的溫度是在稍高于M_s點，否則反而會誘發(fā)淬火裂紋的產(chǎn)生。

水是常見的淬火介質(zhì)，水的溫度、零件的直徑與淬火裂紋有一定的關(guān)系，直徑越大和水溫越低則愈難發(fā)生淬火裂紋，其原因在于水的溫度升高，熱應(yīng)力減小，相變應(yīng)力增加；直徑增加則為有芯淬火，表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力的作用，故不會造成淬火裂紋的出現(xiàn)。圖3-21為水溫、零件直徑與淬火裂紋的關(guān)系，以及裂紋的形狀。

淬火裂紋發(fā)生的時間并不是在淬火的瞬間發(fā)生的，是在其M_s點以下冷透時出現(xiàn)的。低溫開裂的原因為自奧氏體化溫度快速冷卻而收縮的過冷奧氏體，在M_s點得到馬氏體組織后體積膨脹，這種過分激烈的轉(zhuǎn)變，最終造成淬火的開裂。圖3-22表示鋼的加熱、淬火引起長度的變化曲線。

零件的冷卻方法除上述外，根據(jù)零件的形狀和技術(shù)要求，還可采用浸漬淬火、噴射淬火、壓縮空氣淬火等，但應(yīng)注意的是要考慮盡可能地消除對零件的開裂和變形的影響，從而確保零件的熱處理質(zhì)量。

（6）殘余奧氏體和回火的影響　殘余奧氏體是零件冷卻結(jié)束后存在的一種不穩(wěn)定的組織，其余量隨在M_s點區(qū)域的冷卻速度的不同存在差異，因此在此溫度緩慢冷卻，則過冷奧氏體得到穩(wěn)定化，含量增加。由于過冷奧氏體是一種軟而韌的組織，其含量多則能吸收M_s造成的急劇膨脹等，緩和了相變應(yīng)力，因此防止了淬火裂紋的發(fā)生。

零件的回火是確保尺寸穩(wěn)定，獲得要求的組織、硬度和力學(xué)性能的重要熱處理工藝，在回火過程中要發(fā)生一系列的組織結(jié)構(gòu)的變化，它消除了內(nèi)部的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用，零件微觀內(nèi)應(yīng)力和宏觀內(nèi)應(yīng)力會隨之消除，淬火顯微裂紋也會焊合等，減少了四方馬氏體的晶格。另外碳化物的形成和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，將會產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，零件內(nèi)應(yīng)力可能會發(fā)生重新分布。如果回火不充分（溫度過低、時間短、淬火后未及時回火等）、回火加熱速度快或冷卻速度過快等，組織的轉(zhuǎn)變沒有完成，不僅尺寸難以保障，更有可能造成零件的變形和開裂。高速鋼制造的大型刀具，如回火不及時或不充分，極易發(fā)生開裂現(xiàn)象，造成零件的報廢。

分析淬火開裂的零件，開裂絕大部分是在從冷卻介質(zhì)中取出空冷過程中出現(xiàn)的，在放置過程中一部分尚未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，也是淬火過程的繼續(xù)。因此零件的內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力增加，造成零件的淬火開裂。同時也應(yīng)看到淬火內(nèi)應(yīng)力在放置過程中也會減小、重新分布，有可能在應(yīng)力集中的部位出現(xiàn)開裂。因此及時回火既可降低淬火過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，又能提高零件的破斷強(qiáng)度，可有效避免零件的開裂。淬火后如來不及回火，最基本的原則是要將零件放在100℃的熱水中保溫，也可防止零件的開裂。

關(guān)于回火加熱速度的問題，需要注意淬火馬氏體組織在100℃和300℃有兩次收縮現(xiàn)象，而在以后的加熱過程中則不會再次收縮，如圖3-23所示，即緩慢加熱到300℃，不會有裂紋的產(chǎn)生。另外從工藝上來講，采取斷續(xù)淬火（余熱200℃左右）和分級淬火，以及立即回火同樣可起到降低裂紋出現(xiàn)的概率的作用。

（7）零件淬火前各工序?qū)Υ慊鹆鸭y的影響　對大型零件進(jìn)行正確的鍛造，有利于消除冶金缺陷（如偏析、疏松、夾雜物和發(fā)紋等），降低裂紋發(fā)生的概率。高速鋼的碳化物不均勻性差，采用重新改鍛，在1100～1150℃加熱、鐓粗、拔長反復(fù)成形；均勻加熱，采取輕錘快打，逐漸加大加壓量。高碳鋼鍛造后冷卻不良，將出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物。

零件的預(yù)先熱處理是為最終的熱處理做好組織上的準(zhǔn)備，一般有正火、退火、調(diào)質(zhì)處理和球化退火等，對于要求十分嚴(yán)格的零件應(yīng)在粗加工和精加工之間加上除應(yīng)力退火處理，要根據(jù)零件的具體要求來選用熱處理設(shè)備、加熱速度和加熱溫度等，要充分考慮到零件的過熱對性能的影響等。對中碳鋼、高碳鋼等的預(yù)備熱處理時要特別注意，制作的高速鋼沖模采用亞溫淬火，保持一定的韌性和硬度，明顯提高了沖頭的使用壽命。同時縮短保溫時間也是防止淬火裂紋發(fā)生的一種措施。

3.3.5　導(dǎo)致淬火零件裂紋的淬后加工

淬火零件在淬火后要進(jìn)行表面的加工處理，才能滿足零件的實際工作需要。按處理的性質(zhì)分為熱加工、機(jī)械加工和化學(xué)加工等，零件淬火后的加工不當(dāng)將導(dǎo)致裂紋的形成，表3-13列出了淬火后加工因素對淬火裂紋的具體影響。