淬火变形和开裂

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第1057页（3142字）

在热处理过程中，淬火变形和开裂是难以避免的．我们必须尽量减小淬火变形，把它控制在一定范围内．同时，必须避免开裂，开裂则工件报废，是不允许的．淬火变形和开裂都是由于淬火应力造成的．淬火应力分为热应力和组织应力两种，其成因与作用各有不同．

15．1．8．1 热应力

1．热应力的产生

在热处理过程中，工件被加热到一定温度(赤热状态)后进入冷却介质．在淬火急冷情况下，工件表面冷速比心部快得多，如图15-11(a)所示，因而表面冷缩比心部快得多．这样，表面收缩大，心部收缩校心部会阻碍表面收缩，使表面发生弹性伸长，表面又令心部产生弹性压缩，这样就产生了局部不均匀弹性变形，形成内应力．冷却前期的应力状态是：表面存在拉应力，心部存在压应力；到冷却后期，表面温度已降低，冷速渐校而心部冷却加快，这时表面反过来阻碍心部冷缩，使心部弹性伸长，而心部使表面弹性压缩．结果内应力方向改变，表面为压应力，心部为拉应力，如图15-11(b)所示．当冷却到某个中间状态时，工件的内应力为零，但这是一瞬间的状态，见图15-11(b)．这时工件各部分存在温度差，因热胀冷缩不一致而产生内应力，这个内应力称为“热应力”．在冷却过程中，热应力的变化规律是：冷却前期表面受拉，心部受压；冷却后期表面受压，心部受拉．冷却终了时的残余应力是：表面压应力，心部拉应力，如图15-11(c)所示

图15-11 圆柱体在急冷过程中热应力的变化

2．影响热应力大小的因素

影响热应力大小的因素有：

(1)钢的线胀系数及断面尺寸．线胀系数及断面尺寸越大，则热应力越大．

(2)钢的屈服强度．屈服强度越大，热应力越大．

(3)钢的加热或冷却速度．加热或冷却速度越大，则内外温差越大，热应力就越大．

(4)钢的导热系数．导热系数越校则内外温差越大，热应力就越大．

15．1．8．2 组织应力

1．什么是组织应力

钢发生相变时，由于钢中不同组织的比容不同，必然发生比容变化．在淬火时，由于工件表面和心部存在温差，内外比容变化不同，就造成了内应力此内应力即称为“组织应力”或“相变应力”．

2．组织应力的产生

在钢中马氏体比容最大，奥氏体比容最小．工件淬火时，表面首先被冷却到M_s点以下发生马氏体转变．此时体积要膨胀，可是心部尚未膨胀，必然要阻止表面膨胀，从而造成表面受压，而表面使心部受拉，如图15-12(a)所示．随着温度逐渐下降，表面大部分转变完毕，心部才被冷却到M_s点以下开始转变．当心部马氏体相变的体积胀大到如图15-12(b)所示的某一瞬间时，工件表面应力和心部应力相互抵消，组织应力为零．在此之后，应力反向．心部要膨胀，但表面已变冷硬，阻碍心部长大，使之受压，心部则使表面受拉．转变后的应力状态是：表面拉应力，心部压应力，如图15-12(c)所示．

图15-12 圆柱试样快冷时组织应力的变化

由上述可见，在工件淬火过程中，热应力与组织应力的变化相反，最终应力状态也正好相反，二者的合成称为“淬火应力”．当淬火应力大于材料屈服强度时，工件要产生变形．

15．1．8．3 淬火变形的产生

热应力与组织应力将造成工件的变形，见图15-13．由图可见，热应力造成变形的规律是：

图15-13 热应力与组织应力造成的变形示意图

(1)沿最大尺寸方向收缩，沿最小尺寸方向伸长；

(2)平面凸起趋于球形，直角变为钝角；

(3)外径胀大，内径缩小．

组织应力造成的变形其规律与上述几点恰好相反．需要指出的是：实际工件淬火应力(热应力与组织应力)造成的综合变形是非常复杂的，要具体情况具体分析．不同材料，热应力与组织应力对变形的贡献是不同的．例如：碳素钢水冷淬火，热应力作用突出；合金钢油冷淬火，组织应力突出；分级淬火或等温淬火，热应力突出，组织应力则较小．

15．1．8．4 影响淬火变形的因素

影响淬火变形的因素有：

(1)奥氏体化学成分．碳含量越低，热应力作用越大；反之，碳含量越高，组织应力作用越大．随着合金含量的提高，屈服强度也提高，淬火变形也不易产生．但是另一方面，合金含量越高，导热性越差，故内外温差也越大，则变形又易于产生．

(2)钢的淬透性．淬适性小时，因要急冷淬水，所以热应力为主；淬透性大时，可缓冷淬火，所以组织应力为主．工件被淬透时，组织应力为主；淬不透时，热应力为主．

(3)淬火温度．淬火温度越高，淬火变形越大．

(4)淬火冷速．冷速越大，则淬火应力越大，淬火变形也越大．但热应力变形主要决定于M_s点以上的冷速，而组织应力变形主要决定于M_s点以下的冷速．

(5)原始组织．粒状珠光体的比容大于片状珠光体的比容，淬火时的体积变化前者就小于后者．粒状珠光体越弥散，则比容越大，淬火前后的比容变化越小．原始组织不均匀或有带状组织等，淬火变形也不均匀．沿带状组织方向的膨胀量大于垂直方向的膨胀量．

(6)工件形状．越是形状简单、规则对称的工件，变形越校越是形状复杂、壁厚不均、不对称的工件，变形越大．工件的摆放及吊挂方式、浸入方式对变形亦有影响．

(7)淬火前工件的残余应力及其分布状态也会对淬火变形产生影响．

15．1．8．5 淬火开裂

当淬火应力大于钢的强度极限(σ_b)时会发生开裂．开裂主要是由拉应力引起的．表面淬火裂纹大多是由组织应力造成的．轴类件心部淬透时易出现纵向裂纹就是由于此原因．若工件表层脱碳，淬火时也易出现淬火裂纹．