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材料熱處理：淬火
2018-10-17 00:00:00 來源：材料熱處理：淬火 點擊：1634 喜歡：1
淬火的定義與目的
將鋼加熱到臨界點Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。
淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。
鋼件在有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)中冷卻時，其冷卻過出一般分為以下三個階段：?蒸汽膜階段、沸騰階段、對流階段。
鋼的淬透性
淬硬性和淬透性是表征鋼材接受淬火能力大小的兩項性能指標，它們也是選材、用材的重要依據(jù)。
1.淬硬性與淬透性的概念
淬硬性是鋼在理想條件下進行淬火硬化所能達到的最高硬度的能力。決定鋼淬硬性高低的主要因索是鋼的含碳量，更確切地說是淬火加熱時固溶在奧氏體中的含碳量，含碳量越離，鋼的淬硬性也就越高。而鋼中合金元素對淬硬性的影響不大，但對鋼的淬透性卻有重大影響。
淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。即鋼淬火時得到淬硬層深度大小的能力，它是鋼材固有的一種屬性。淬透性實際上反映了鋼在淬火時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的容易程度。它主要和鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關，或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關。
還應指出：必須把鋼的淬透性和鋼件在具體淬火條件下的有效淬硬深度區(qū)分開來。鋼的淬透性是鋼材本身所固有的屬性，它只取決于其本身的內(nèi)部因素，而與外部因素無關；而鋼的有效淬硬深度除取決于鋼材的淬透性外，還與所采用的冷卻介質(zhì)、工件尺寸等外部因索有關，例如在同樣奧氏體化的條件下，同一種鋼的淬透性是相同的，但是水淬比油淬的有效淬硬深度大，小件比大件的有效淬硬深度大，這決不能說水淬比油淬的淬透性髙。也不能說小件比大件的淬透性高?？梢娫u價鋼的淬透性，必須排除工件形狀、尺寸大小、冷卻介質(zhì)等外部因素的影響。
另外，由于淬透性和淬硬性也是兩個概念，因此淬火后硬度髙的鋼，不一定淬透性就髙；而硬度低的鋼也可能具有很髙的淬透性。
2.影響淬透性的因素
鋼的淬透性取決于奧氏體的穩(wěn)定性。凡是能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移, 從而降低臨界冷卻速度的因素，都能提髙鋼的淬透性。奧氏體的穩(wěn)定性主要取決于它的化學成分、晶粒大小和成分均勻性，這些與鋼的化學成分和加熱條件有關。
3.淬透性的測定方法
鋼的淬透性的測定方法很多，常用的有臨界直徑測定法和端淬試驗法。
(1)臨界直徑測定法
鋼材在某種介質(zhì)中淬冷后，心部得到全部馬氏體或50％馬氏體組織時的最大直徑稱為臨界直徑，以Dc表示。臨界直徑測定法就是制作一系列直徑不同的圓棒，淬火后分別測定各試樣截面上沿直徑分布的硬度U曲線，從中找出中心恰為半馬氏體組織的畫棒，該圓棒直徑即為臨界直徑。臨界直徑越大，表明鋼的淬透性越高。
(2)端淬試驗法
端淬試驗法是用標準尺寸的端淬試樣（Ф25mm×100mm)，經(jīng)奧氏體化后，在專用設備上對其一端面噴水冷卻，冷卻后沿軸線方向測出硬度-距水冷端距離的關系曲線的試驗方法。 端淬試驗法是猁定鋼的淬透性的方法之一，其優(yōu)點是操作簡便，適用范圍廣。
4.淬火應力、變形及開裂
（1）淬火時工件的內(nèi)應力
工件在淬火介質(zhì)中迅速冷卻時，由于工件具有一定尺寸，熱傳導系數(shù)也為一定值，因此在冷卻過程中工件內(nèi)沿截面將產(chǎn)生一定溫度梯度，表面溫度低，心部溫度高，表面和心部存在著溫度差。在工件冷卻過程中還伴隨著兩種物理現(xiàn)象：一是熱膨脹，隨著溫度下降，工件線長度將收縮；另一個是當溫度下降到馬氏體轉(zhuǎn)變點時發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，這將使比體積增大。由于冷卻過程中存在著溫差，因而沿工件截面不同部位熱膨脹量將不同，工件不同部位將產(chǎn)生內(nèi)應力；由于工件內(nèi)溫差的存在，還可能出現(xiàn)溫度下降快的部位低于點，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積脹大，而溫度髙的部位尚高于點，仍處于奧氏體狀態(tài)，這不同部 位由于比體積變化的差別，也將產(chǎn)生內(nèi)應力。因此，在淬火冷卻過程中可能產(chǎn)生兩種內(nèi)應力：一種是熱應力；另一種是組織應力。
根據(jù)內(nèi)應力的存在時間特性還可分為瞬時應力和殘余應力。工件在冷卻過程中某一時刻所產(chǎn)生的內(nèi)應力叫瞬時應力；工件冷卻終了，殘存于工件內(nèi)部的應力稱為殘余應力。
熱應力是指工件在加熱（或冷卻）時，由于不同部位的溫度差異，而導致熱脹（或冷縮）的不一致所引起的應力。
現(xiàn)以一實心圓柱體為例，說明其冷卻過程中內(nèi)應力的形成及變化規(guī)律。這里僅討論其軸向應力。冷卻剛開始時，由于表面冷卻快，溫度低，收縮多，而心部則冷卻悝，溫度髙，收縮小，表里相互牽制的結(jié)果，就在表層產(chǎn)生了拉應力，心部則承受著壓應力。隨著冷卻的進行，表里溫差增大，其內(nèi)應力也相應增大，當應力增大到超過該溫度下的屈服強度時，便產(chǎn)生了塑性變形。由于心部的渥度髙于表層，因而總是心部先行沿軸向收縮。塑性變形的結(jié) 果，使其內(nèi)應力不再增大。冷卻到一定時間后，表層溫度的降低將逐漸減慢，則其收縮量也逐漸減小。而此時心部則仍在不斷收縮，于是表層的拉應力及心部壓應力將逐漸減小，直至消失。但是隨著冷卻的繼續(xù)進行，表層濕度越來越低，收縮量也越來越少，甚至停止收縮。而心部由于溫度尚高，還要不斷地收縮，最后在工件表層形成壓應力，而心部則為拉應力， 但由于溫度已低，不易產(chǎn)生塑性變形，所以這應力將隨冷卻的進行而不斷增大，并最后保留于工件內(nèi)部，成為殘余應力。
由此可見，冷卻過程中的熱應力開始是使表層受拉，心部受壓，而最后留下的殘余應力則是表層受壓，心部受拉。
綜上所述，淬火冷卻時產(chǎn)生的熱應力是由于冷卻過程中截面溫度差所造成的，冷卻速度越大，截面溫差越大，則產(chǎn)生的熱應力越大。在相同冷卻介質(zhì)條件下.工件加熱溫度越高、 尺寸越大、鋼材熱傳導系數(shù)越小，工件內(nèi)溫差越大，熱應力越大。工件若在高溫時冷卻不均 勻，將會發(fā)生扭曲變形。工件若在冷卻過程中產(chǎn)生的瞬時拉應力大于材料的抗拉強度時，將會產(chǎn)生淬火裂紋。
相變應力是指熱處理過程中由于工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應力，又稱組織應力。
淬火快冷時，當表層冷至Ms點，即產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，并引起體積膨脹。但由于受到還 沒進行轉(zhuǎn)變的心部的阻礙，使表層產(chǎn)生壓應力，而心部則為拉應力，應力足夠大時，即會引起變形。當心部冷至Ms點時，也要進行馬氏體轉(zhuǎn)變，并體積膨脹，但由于受到已經(jīng)轉(zhuǎn)變的 塑性低、強度高的表層的牽制，因此其最后的殘余應力將呈表面受拉，心部受壓。由此可見，相變應力的變化情況及最后狀態(tài)，恰巧與熱應力相反。而且由于相變應力產(chǎn)生于塑性較低的低溫下，此時變形困難，所以相變應力更易于導致工件的開裂。
影響相變應力大小的因素很多，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍的冷卻速度越快、鋼件的尺寸越大、鋼的導熱性越差、馬氏體的比體積越大，其相變應力就越大。另外，相變應力還與鋼的成分、鋼的淬透性有關，例如，高碳髙合金鋼由于含碳量高而增大馬氏體的比體積，這本應增加鋼的相變應力，但隨著含碳量升高而使Ms點下降，又使淬火后存在著大量殘余奧氏體，其體積膨脹量減小，殘余應力就低。
（2）淬火時工件的變形
淬火時，工件發(fā)生的變形主要有兩類：一類是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，常稱為翹曲變形，是淬火應力所引起的；另一類是體積變形，它表現(xiàn)為工件體積按比例脹大或縮小，是相變時的比體積變化所引起的。
翹曲變形又包括形狀變形和扭曲變形。扭曲變形主要是加熱時工件在爐內(nèi)放置不當，或者淬火前經(jīng)變形校正后沒有定型處理，或者是由于工件冷卻時工件各部位冷卻不均勻所造成的。這種變形可以針對具體情況分析解決。下面主要討論體積變形和形狀變形。
1)淬火變形的原因及其變化規(guī)律
?組織轉(zhuǎn)變引起的體積變形 工件在淬火前的組織狀態(tài)一般為珠光體型，即鐵素體和滲碳體的混合組織，而淬火后為馬氏體型組織。這些組織的比體積不同，將引起淬火前后體積變化，從而產(chǎn)生變形。但這種變形只按比例使工件脹縮，因而不改變工件形狀。
另外，熱處理后組織中的馬氏體量越多，或者馬氏體中含碳量越高，則其體積膨脹就越多，而如殘余奧氏體量越多，則體積膨脹就越少。因此熱處理時可以通過控制馬氏體和殘余輿氏體的相對含量來控制其體積變化，如控制得當，可使其體積旣不膨脹，也不縮小。
?熱應力引起的形狀變形 熱應力引起的變形發(fā)生在鋼件屈脤強度較低、塑性較高、而表面冷卻快、工件內(nèi)外溫差最大的髙溫區(qū)。此時瞬時熱應力為表面張應力和心部壓應力， 由于這時心部溫度高，屈服強度比表面低得多，因此表現(xiàn)為在多向壓應力作用下的變形，即立方體向呈球形方向變化。其結(jié)果是尺寸較大的一方縮小，而尺寸較小的一方則脹大。例如長圓柱體長度方向縮短，直徑方向脹大。
?組織應力引起的形狀變形 組織應力引起的變形也產(chǎn)生在早期組織應力最大的時刻。此時截面溫差較大，心部溫度較髙，仍處于奧氏體狀態(tài)，塑性較好，屈服強度較低。瞬時組織應力是表面壓應力和心部拉應力。因此變形表現(xiàn)為心部在多向拉應力作用下的拉長，其結(jié)果是在組織應力作用下，工件中尺寸較大的一方伸長，而尺寸較小的一方縮短。例如長圓柱體組織應力引起的變形是長度伸長，直徑縮小。
表5.3為各種典型鋼件的淬火變形規(guī)律。
淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。
鋼件在有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)中冷卻時，其冷卻過出一般分為以下三個階段：?蒸汽膜階段、沸騰階段、對流階段。
淬硬性和淬透性是表征鋼材接受淬火能力大小的兩項性能指標，它們也是選材、用材的重要依據(jù)。
2）影響淬火變形的因素
影響悴火變形的因素主要為鋼的化學成分、原始組織、零件的幾何形狀及熱處理工藝等。
（3）淬火裂紋
零件產(chǎn)生裂紋主要發(fā)生在淬火冷卻的后期，即馬氏體相變基本結(jié)束或完全冷卻后，因零件中存在的拉應力超過鋼的斷裂強度而引起脆性破壞。裂紋通常垂直于最大拉伸變形方向，因此零件產(chǎn)生不同形式的裂紋主要取決于所受的應力分布狀態(tài)。
常見的淬火裂紋的類型：縱向（軸向）裂紋主要在切向的拉伸應力超過該材料的斷裂強度時產(chǎn)生；當在零件內(nèi)表面形成的大的軸向拉應力超過材料斷裂強度時形成橫向裂紋 ；網(wǎng)狀裂紋是在表面二向拉伸應力作用下形成的；剝離裂紋產(chǎn)生在很薄的淬硬層內(nèi)，當應力發(fā)生急劇改變并在徑向作用著過大拉應力時將可能產(chǎn)生這種裂紋。
縱向裂紋又稱軸向裂紋。裂紋產(chǎn)生于零件表層附近最大拉應力處，并裂向心部有一定深度，裂紋走向一般平行軸向，但零件存在應力集中時或存在內(nèi)部組織缺陷時也可改變走向。
工件完全淬透后，容易產(chǎn)生縱向裂紋，這與淬透工件表層存在較大切向拉應力有關，并隨鋼的含碳量提髙，形成縱向裂紋的傾向增大。低碳鋼因馬氏體比體積小，而且熱應力作用強，表面存在著很大的殘余壓應力，故不易淬裂，隨著含碳量提高，表層壓應力減小，組織應力作用增強，同時拉應力峰值移向表面層，因此，高碳鋼在過熱情況下易形成縱向淬裂。
零件尺寸直接影響殘余應力大小及分布，其淬裂傾向也不同。在危險截面尺寸范圍內(nèi)淬火也很容易形成縱向裂紋。此外，鋼的原材料塊陷也往往造成縱向裂紋。由于大多數(shù)鋼件是由軋制成材的，鋼中非金屑夾雜物、碳化物等沿著變形方向分布，致使鋼材各向異性。如工具鋼存在帶狀組織，淬火后其橫向的斷裂強度比縱向小30％?50％外，如果鋼中存在非金屑夾雜物等導致應力集中的因索，即使在切向應力比軸向應力小的情況下也容易形成縱向裂紋。為此，嚴格控制鋼中非金屬夾雜物、礙化糖級別是防止淬火裂紋的重要因素。
橫向裂紋和弧形裂紋的內(nèi)應力分布特征是：表面受壓應力，離開表面一定的距離后，壓應力變?yōu)楹艽蟮睦瓚?，裂紋產(chǎn)生在拉應力的蜂值區(qū)域內(nèi)，然后當內(nèi)應力重新分布或鋼的脆性進一步增加時才蔓延到零件表面。
橫向裂紋常發(fā)生在大型的軸類零件上，如軋輥，汽輪機轉(zhuǎn)子或其他軸類零件。其裂紋特點是垂直于軸線方向，由內(nèi)往外斷裂，往往在未淬透情況下形成，屬于熱應力所引起。大鍛件往往存在著氣孔、夾雜物、鍛造裂縫和白點等冶金缺陷，這些缺陷作為斷裂的起點，在軸向拉應力作用下斷裂?；⌒瘟芽p詛是由熱應力引起的，通常在零件形狀突變的部位以弧形分布。主要產(chǎn)生于工件內(nèi)部或尖銳棱角、凹槽及孔洞附近，呈弧形分布，當直徑或厚度為80?100mm以上的高碳鋼制件淬火沒有淬透時，表面呈壓應力，心部呈拉應力，在淬硬層至非淬硬層的過渡區(qū)，出現(xiàn)最大拉應力，弧形裂紋就發(fā)生在這些區(qū)域。另外在尖銳棱角處的冷卻速度快，全部淬透，在向平緩部位過渡時，也就是向未淬硬區(qū)過渡，此處出現(xiàn)最大拉應力區(qū)，因而容易產(chǎn)生弧形裂紋。工件的銷孔、凹槽或中心孔附近的冷卻速度較慢，相應的淬硬層較薄，在淬硬過渡區(qū)附近拉應力也易引起弧形裂紋。
網(wǎng)狀裂紋又稱表面龜裂，是一種表面裂紋。裂紋的深度較淺，一般在 0.01?1.5mm左右。這種裂紋的主要特征是：裂紋具有的任意方向與零件的外形無關。許 多裂紋相互連接構成網(wǎng)狀，且分布較廣。當裂紋深度較大時，如達到1mm以上，網(wǎng)狀特征消失，變成任意取向或縱向分布的裂紋。網(wǎng)狀裂紋與表面受兩向拉應力狀態(tài)有關。
表面具有脫碳層的髙碳或滲碳鋼零件，淬火時容易形成網(wǎng)狀裂紋。這是由于表層比內(nèi)層的馬氏體含碳低，比體積小，淬火時使聯(lián)碳的表層受到拉應力作用。在機械加工中未完全除去脫磷層的零件在高頻或火焰表面淬火時也會形成網(wǎng)狀裂紋，為避免此類裂紋應嚴格控制零 件表面質(zhì)量，熱處理時應盡量防止氧化雎接現(xiàn)象。另外，鍛模使用一定時間后，型腔中出現(xiàn)的成條排列或網(wǎng)狀的熱疲勞龜裂以及淬火零件在磨削過程中的裂紋均屬于這種形式。
剝離裂紋產(chǎn)生在表層很窄的區(qū)域內(nèi)，其軸向和切向作用著壓應力，徑向為拉應力狀態(tài)，裂紋平行于零件表面，表面淬火和滲碳零件冷卻后發(fā)生硬化層的剝落均屬于此類裂紋。它的產(chǎn)生與硬化層內(nèi)組織不均勻有關，例如合金滲碳鋼以一定速度冷卻后，其滲碳層內(nèi)的組織為：外層極細珠光體＋碳化物，次層為馬氏體＋殘余奧氏體，內(nèi)層為細珠光體或極細珠光體組織。由于次層馬氏體的形成比體積最大，體積膨脹的結(jié)果使表層的軸向、切向作用著壓應力,徑向為拉應力，并向內(nèi)部發(fā)生應力突變，過渡為壓應力狀態(tài)，剝離裂紋產(chǎn)生在應力急劇過渡的極薄區(qū)域內(nèi)。一般情況下，裂紋潛伏在平行于表面的內(nèi)部，嚴重時造成表面剝落。若加快或減饅滲碳件的冷速，使?jié)B碳層內(nèi)獲得均勻一致的馬氏體組織或極細珠光體組織，可防止這類裂紋的產(chǎn)生。此外，髙頻或火焰表面淬火時，常因表面過熱，沿硬化層的組織不均勻性也容易形成這類表面裂紋。
顯微裂紋與前述四種裂紋不同，它是由顯微應力造成的。高碳工具鋼或滲碳工件淬火過熱再經(jīng)磨削后出現(xiàn)的沿晶裂紋，以及淬火零件不及時回火引起的裂紋都與鋼中存在顯微裂紋并隨之擴張有關。
顯微裂紋須在顯微鏡下檢查，其通常在原奧氏體晶界處或馬氏體片的交界處產(chǎn)生，有的裂紋穿過馬氏體片。研究表明，顯微裂紋多見于片狀孿晶馬氏體中，原因是片狀馬氏體在髙速長大時相互撞擊產(chǎn)生很高的應力，而孿晶馬氏體本身性脆，不能產(chǎn)生塑性變形使應力松弛，因而易產(chǎn)生顯微裂紋。奧氏體晶粒粗大，產(chǎn)生顯微裂紋的敏感性增大，鋼中存在顯微裂紋會顯著降低淬火零件的強度和塑性，從而導致零件早期破壞（斷裂）。
避免高碳鋼零件的顯微裂紋，可采取較低的淬火加熱溫度、獲得細小馬氏體組織，并降低馬氏體中含碳量等措施。此外，淬火后及時回火是減少內(nèi)應力的有效方法。試驗證明，經(jīng)200℃以上充分回火，在顯傲裂紋處析出的碳化物有“焊合”裂紋作用，這可顯著降低顯微裂紋的危害。
以上為依照裂紋分布形態(tài)討論裂紋成因和防止辦法。實際生產(chǎn)中因鋼材質(zhì)量、零件形狀以及冷熱加工工藝等因索影響，使裂紋的分布不盡相同。有時熱處理前已存在裂紋，在淬火過程中裂紋進一步擴大；有時也可能同一零件幾種形式的裂紋同時出現(xiàn)。對此種種情況則應根據(jù)裂紋的形態(tài)特征、斷口的宏觀分析、金相檢査，在必要時配合化學分析等方法,從材料質(zhì)量、組織結(jié)構到產(chǎn)生熱處理應力的原因來綜合分析,尋找產(chǎn)生裂紋的主要原因，然后確定有效的防止措施。
裂紋的斷口分析是分析產(chǎn)生裂紋原因的重要方法。任何斷口都有一個發(fā)生裂紋的起點。淬火裂紋通常以放射狀裂痕的收斂點為裂紋的起點。若裂紋的起點存在于棗件表面,說明裂紋是在表面承受過大拉應力造成的。倘若表面不存在夾雜物等組織缺陷，而有嚴重刀痕、氧化皮、鋼件的尖角或結(jié)構突變部位等應力集中因素，均可促使裂紋的產(chǎn)生。如若裂紋的起點在零件內(nèi)部，則與材料的缺陷或內(nèi)部殘余拉應力過大有關。正常淬火的 斷口呈灰色細瓷狀，如果斷口呈深灰色粗糙的狀態(tài)，則是過熱或原始組織粗大造成的。一般地講，淬火裂紋的玻斷面上應無氧化顏色，裂紋四周也沒有脫碳現(xiàn)象。假如裂紋四周有脫碳現(xiàn)象或裂紋的斷面上有氧化顔色，則表明零件在未淬火前已存在裂紋，在熱處理應力影響下使原裂紋擴大。如若在零件裂紋附近看到偏析分布的碳化物、夾雜物，說明裂紋與原材料的碳化物嚴重偏析或存在夾雜物有關。若裂紋僅出現(xiàn)在零件的尖角或形狀突變部位而又沒有上述現(xiàn)象，說明裂紋是因零件結(jié)構設計不合理或防止裂紋的措施不當，由過大的熱處理應力造成的。
另外，化學熱處理和表面淬火零件的裂紋大多呈現(xiàn)在硬化層附近，改善硬化層組織、降低熱處理應力是避免表面裂紋的重要途徑。
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