淬火裂纹（淬火过程中材料体上出现的纹路）

简介

通常把淬火裂纹按图分成宏观裂纹和微观裂纹两大类：

宏观裂纹由第一类内应力所引起，第一类内应力有四种分布形式，因此，由其引起的宏观裂纹也有四种类型，即：纵向淬火裂纹、横向淬火裂纹、网状淬火裂纹及径向淬火裂纹。

显微裂纹是由第二类内应力即微观应力所引起，一般多分布在片状马氏体中，此与片状马氏体点阵的正方畸变密切相关，它是马氏体片在交界处相互顶撞所产生的正应力超过垂直于轴的（001）立方面的断裂强度时而萌生的微观裂纹。

引起淬火裂纹的主要因素有：淬火加热方式和加热速度控制不当、加热不均匀、淬火温度过高、淬火时冷却方式不当、冷却速度过快、冷却不均匀；冷却介质选用不当；淬火前，工件未进行预备热处理或处理不当；回火不及时；材料缺陷或工件表面缺陷所引起的高应力集中等。

淬火裂纹类型与应力分布方式的关系

生成及类型

纵向裂纹

纵向裂纹又称轴向裂纹，它是由工件表面伸向心部的深度较大的裂纹，这种裂纹产生于轴件表面最大拉应力处。生产实践证明，在完全淬透的轴件上易于产生纵向裂纹，而且随着淬火温度的提高，形成这种裂纹的倾向也随之增大。图为载重车齿轮轴淬火时产生的纵向裂纹。这种裂纹的特征深而长，在零件上可分布一条或几条。

齿轮轴纵向淬火裂纹

横向裂纹的特征是裂纹的方向与轴件的轴向相垂直。从应力角度分析属于热应力所引起的裂纹。这类裂纹常常发生在淬火时未能淬透的大型轴件上。如轧辊等大型锻件。而且这些大锻件中常常存在汽泡、夹杂、发纹、白点等缺陷。在热处理应力作用下，这些缺陷将成为横向裂纹的裂纹源，随之逐渐扩展。

弧形裂纹的特点是裂纹主要产生于工件的内部，或在尖锐棱角及孔洞附近，即容易形成应力集中之处，并以弧带状分布。图为曲轴轴颈油孔附近产生的弧形裂纹。

曲轴轴颈油孔附近的弧形裂纹

不论是横向裂纹还是弧形裂纹，它们的应力分布特征是表面受压应力。距表面一定距离处应力发生突变，即压应力变为拉应力状态。弧状裂纹首先产生在拉应力最大的峰值区域内。

剥离裂纹

所谓剥离裂纹是指产生在工件表面层很薄的区域内，且平行于表面而分布的。轴件绎化学热处理后，沿扩散层出现的表面剥落。或表面淬火的轴件其硬化层的剥落均属于剥离裂纹。图为发动机曲轴表面淬火后产生的剥离裂纹。

曲轴表面层的剥离裂纹

上述三种裂纹是轴类零件淬火时常见的开裂形式，有时个别者也会产生网状裂纹或显微裂纹。

特征

淬火裂纹的特征

在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。

在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。

非淬火裂纹的特征

淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，可根据下面特征来区分：

淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250℃以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。

如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。

要点

淬火的目的是冷却奥氏体，不使其转变为珠光体和贝氏限，以获得马氏体组织。为此，必须如前面所提到那样以高与上临界冷却速度的冷却速度进行冷却。

另一方面为了减少淬火变形和防止淬火裂纹产生，各部分的冷却速度要尽可能均匀。总之，必须避免急冷。

如果这时候处理得好，就能够在获得马氏体的同时而小产生裂纹和弯曲。

1、即使快速冷却同样得到良好效果

形状简单的工件不易产生开裂和弯曲。零件设计避免锐角、断面突变和采取对称形状就能减轻裂纹，弯曲的发生。

2、要均匀冷却

因为棱角、薄壁等部分容易冷却应使之缓冷，反之凹部和厚壁部分则使之加速冷却。

此外，淬入到冷却剂中的方式和摆动方式，对获得均匀冷却具有重大的作用。

3、即使缓慢冷却同样得到良好效果

如果改变冷却剂，从水冷到油冷和从油冷到空冷，各部分的温差当然就小，裂纹和弯曲也将减少。这样，淬火，如果用上临界冷却速度小、淬透性好的钢进行淬火就能防止缺陷。

4、临界区域快冷、危险区域缓冷

淬火时，奥氏体→珠光体（贝氏体）的转变发生在550℃以上的冷却曲线与COT曲线鼻部接触的情况已经同时加以说明。所以在这个区域必须以高于临界速度的冷却速度进行冷却。

在这以后，如所了解那样，由于贝氏体的转变开始线的时间远在右侧，由此可以理解缓慢冷却是合适的。

因为造成裂纹弯曲等特殊问题的相变应力发生在Ms点以下构温度区现在这个区域内进行缓慢冷却使得各部分温度差小，就能抑制和降低相变应力的发生。

总之，如做到在临界区域快速冷却，危险区域缓慢冷却，就能够进行不发生裂纹，不发生弯曲而又充分硬化的理想的淬火。后面介绍的断续淬火即其方法之一。

其次，在保持一定温度的热浴中淬火的等温淬火是一种十分有效的方法。

实例探讨

1、轴，40Cr，经锻造、淬火后发现裂纹。裂纹两侧有氧化迹象，金相检验，裂纹两侧存在脱碳层，而且裂纹两侧的铁素体呈较大的柱状晶粒，其晶界与裂纹大致垂直。结论：裂纹是在锻造时形成的非淬火裂纹。

当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。

2、半轴套座，40Cr，淬火后出现开裂。金相检验，裂纹两侧有全脱碳层，其中的铁素体呈粗大柱状晶粒，并与裂纹垂直。全脱碳层内侧的组织为板条马氏体加少量托氏体，这种组织是正常淬火组织。结论：在加工过程中未经锻造，因此属原材料带来的非淬火裂纹。

3、齿轮铣刀，高速钢，淬火后在内孔壁上出现裂纹。金相检验，发现裂纹附近的碳化物呈不均匀的带状分布。结论：这是由于组织不均匀所造成的淬火裂纹。

当钢的显微组织中存在碳化物聚集时，这些地方碳和合金元素的含量比较高，造成临界温度降低。因此，即使是在正常的温度下进行淬火加热，对于碳化物聚集处来讲，加热温度已显得过高了。其结果是这些地方出现过热组织，降低了钢的强度，淬火冷却时，在应力作用下产生开裂。

高速钢的碳化物不均匀性是这种钢的重要质量指标之一。为减少或预防这类缺陷发生，冶金厂和使用厂都在不断采取措施，如使用厂用改锻工艺来均匀组织。当碳化物不均匀性的改善程度受到限制时，可在保证硬度的前提下采用较低淬火加热温度来避免过热组织产生。

4、WCrV钢制模具，高温盐浴中加热后油冷，发现开裂。从裂纹特征上看是冷却过快所致。因工件截面较大，冷却时内外温差也大，当表面转变为马氏体时，内部仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使表层受内部体积胀大的作用承受很大的拉应力而开裂。因此，可以判断为淬火裂纹。