2009年第4期
浅谈锻造裂纹与热处理裂纹
崇 鹏 (扬子重型)
摘 要 介绍了锻造裂纹与热处理裂纹的宏观特征和显微特征, 对二者的不同之处及形成原
因进行了分析, 以帮助相关技术人员更好地分辨裂纹类型。
关键词 锻造裂纹 热处理裂纹 显微特征1 前言
锻造裂纹与热处理裂纹是密不可分, 而分清工件的锻造裂纹和热处理裂纹(包括淬火裂纹、回火裂纹), 就便于准确查找裂纹发生在哪一工序, 有利于分析裂纹产生的原因。
2 锻造裂纹和热处理裂纹的宏观特征
1) 锻造裂纹的宏观特征:裂纹主要出现在锻造侧面的弧形处, 裂纹比较粗大, 一般以多条、多种特征的形式存在, 无明显细尖端, 比较圆钝, 无明显的方向性, 有时会出现一些较细的锻造裂纹。肉眼可见裂纹走向基本都始于锻造面, 呈垂直状或螺旋状向另一侧延伸, 甚至有些锻造裂纹贯穿上下锻造面(图1) 。
2) 热处理裂纹的宏观特征:裂纹刚健挺直, 呈穿晶分布, 起始点较宽, 尾部细长曲折, 常发生在工件的棱角槽口、截面突变处(图2)
。
3 锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征
1) 表面缺陷(如折叠、裂纹、结疤、重皮等) 或加工裂纹导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹的裂口内常伴随有大量的氧化产物, 甚至还会有氧化圆点(图3), 裂纹两侧有较为明显的脱碳(图4)
。
图2 热处理裂纹的宏观特征
a 螺旋形裂口 b 弧形处V 形裂口 c 端部V 形裂纹
图1
锻造裂纹的宏观特征
图3 高温氧化圆点
鄂钢科技
图4 裂纹附近的组织
2) 夹杂物导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内一般无氧化和脱碳现象; 热处理裂纹扩展方向一般是穿晶和沿晶同时并存, 严重时可呈单独条线状延伸, 甚至会穿过整个工件, 若经回火, 裂纹内可能会出现氧化物; 一般情况下, 裂纹内夹杂物即使脱落, 也能在裂纹附近观察到夹杂物的存在(图5)
。
图7 组织异常的裂纹特征
5) 锻造作用力过大导致的锻造裂纹的显微特征:应力裂纹, 裂纹内及附近无氧化和脱碳现象。
以上5种情况, 如果经锻造工序后工件本身已存在裂纹, 再进行热处理(主要为淬火) 时, 裂纹会进一步扩展, 裂纹的开口度会增大, 长度会增加; 裂纹的头部和中部两侧的脱碳量会加重, 而尾部裂纹在应力的作用下可能会加长, 尾部扩展裂纹内无氧化脱碳现象。
4 分析
4. 1 锻造裂纹产生的原因
锻造过程(包括加热、冷却) 中裂纹的产生与金属的受力情况、组织结构、变形温度和变形速度等有关。除了工具给予工件的作用外, 还有变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、温度不均匀引起的热应力和组织转变不同产生的组织应力。金属的组织
图5 裂纹内及附近的夹杂物
3) 增碳和急冷区导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内无氧化和脱碳现象(图6)
。
结构是裂纹产生和扩展的内部依据; 应力状态、变形速度和变形温度是裂纹产生和扩展的外部条件, 通过对金属组织和微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用。
4. 2 热处理裂纹产生的原因
工件在热处理过程中会产生很大的应力(组织应力和热应力等), 当这些应力超过钢的屈服强度时, 会引起工件的变形; 当应力继续增大, 超过钢的抗拉强度时, 则会造成工件的开裂。工件淬火时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原因。若钢的塑性较高, 即使有较大的拉应力也不一定使工件开裂。因
图6 增碳处的裂纹特征
4) 组织异常导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内较干净(图7)
。
此, 应力较大且组织脆而硬时, 工件才容易开裂。
5 讨论
5. 1 锻造裂纹与材质及锻造工艺的关系工件的冶金质量缺陷, 如非金属夹杂、缩孔及气
2009年第4期
泡等, 在锻造时均能引起裂纹。另外工件入炉温度过高、升温太快和加热温度过高, 以及锻造时变形太大、变形不均、终锻温度过低和锻造后冷速过快等因素, 都能引起锻造裂纹。
5. 2 热处理裂纹与材质的关系
钢材中的非金属夹杂物、疏松、缩孔和气孔等缺陷使得钢材致密性较差, 是淬火应力的集中点, 热处理时工件容易由此开裂。特别是非金属夹杂物可强烈破坏钢的连续性, 危害很大, 是产生淬火裂纹的起源。
高碳、高合金钢的组织中存在较多的二次碳化物和共晶碳化物, 这些碳化物未经过压力加工(如锻造等) 前呈明显的带状偏析, 使钢产生很大的脆性, 淬火时产生的内应力如不能为材料的塑性变形所抵消和缓解时, 便会引起淬火工件的开裂, 裂纹多见于碳化物偏析最严重的地方。碳化物级别过高, 会使淬火奥氏体合金度不一致, 从而造成工件冷却时马氏体转变的不一致性和不同时性, 使内应力增加而引起淬火裂纹。
5. 3 裂纹与锻造工艺之间的联系
有些材料经用户加热后组织出现异常情况, 如晶粒粗大、脆性相多(如魏氏组织、碳化物等), 特别是一些高碳高合金钢, 易形成网状共晶碳化物, 在晶界上形成一层硬壳使钢产生了很大的脆性, 阻碍了钢的塑性变形。在锻造过程中即使没有形成裂纹, 但加重了形变应力。在随后的热处理过程中, 应力叠加(组织应力、热应力、形变应力等) 易形成裂纹。
此外, 工件在一定的加热时间里被加热到高出工
艺规定的某一淬火加热温度时, 便会造成工件的淬火过热。过热温度会因钢种的不同而造成不同程度的影响。工件一旦过热, 则奥氏体晶粒粗化, 生成的马氏体针也粗大, 容易产生马氏体微裂纹。这种马氏体的微裂纹是淬火裂纹的激发源, 并发展成为淬火裂纹。过热使钢的性能变坏, 强度与塑性大大降低。
另外, 过大的锻造应力也能影响裂纹的形成, 在随后的热处理过程中或形成裂纹, 或进一步扩大裂纹。
6 锻造裂纹与热处理裂纹的分辨方法
1) 注意裂纹发生的部位。尖锐的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的表面缺陷等部位, 在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。
2) 观察工件的裂断面。若裂纹断面呈白色或暗白色或浅红色(水淬时造成的水锈), 均可断定为淬火裂纹。若裂纹断面呈深褐色, 甚至有氧化铁皮出现, 那就不是淬火裂纹, 系淬火前就存在的裂纹, 是工件在锻造或压延过程中形成的, 淬火时则被扩大。因淬火裂纹基本是在M S 点以下形成的, 其断面是不会被氧化的。
3) 在显微组织中, 锻造裂纹和淬火裂纹都是沿晶界断裂或穿晶界断裂, 锻造裂纹较圆顿, 淬火裂纹较细长。
4) 如果裂纹周围有脱碳层存在, 就不是淬火裂纹, 而是淬火前就存在的裂纹。因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的, 绝不会发生脱碳现象。
2009年第4期
浅谈锻造裂纹与热处理裂纹
崇 鹏 (扬子重型)
摘 要 介绍了锻造裂纹与热处理裂纹的宏观特征和显微特征, 对二者的不同之处及形成原
因进行了分析, 以帮助相关技术人员更好地分辨裂纹类型。
关键词 锻造裂纹 热处理裂纹 显微特征1 前言
锻造裂纹与热处理裂纹是密不可分, 而分清工件的锻造裂纹和热处理裂纹(包括淬火裂纹、回火裂纹), 就便于准确查找裂纹发生在哪一工序, 有利于分析裂纹产生的原因。
2 锻造裂纹和热处理裂纹的宏观特征
1) 锻造裂纹的宏观特征:裂纹主要出现在锻造侧面的弧形处, 裂纹比较粗大, 一般以多条、多种特征的形式存在, 无明显细尖端, 比较圆钝, 无明显的方向性, 有时会出现一些较细的锻造裂纹。肉眼可见裂纹走向基本都始于锻造面, 呈垂直状或螺旋状向另一侧延伸, 甚至有些锻造裂纹贯穿上下锻造面(图1) 。
2) 热处理裂纹的宏观特征:裂纹刚健挺直, 呈穿晶分布, 起始点较宽, 尾部细长曲折, 常发生在工件的棱角槽口、截面突变处(图2)
。
3 锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征
1) 表面缺陷(如折叠、裂纹、结疤、重皮等) 或加工裂纹导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹的裂口内常伴随有大量的氧化产物, 甚至还会有氧化圆点(图3), 裂纹两侧有较为明显的脱碳(图4)
。
图2 热处理裂纹的宏观特征
a 螺旋形裂口 b 弧形处V 形裂口 c 端部V 形裂纹
图1
锻造裂纹的宏观特征
图3 高温氧化圆点
鄂钢科技
图4 裂纹附近的组织
2) 夹杂物导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内一般无氧化和脱碳现象; 热处理裂纹扩展方向一般是穿晶和沿晶同时并存, 严重时可呈单独条线状延伸, 甚至会穿过整个工件, 若经回火, 裂纹内可能会出现氧化物; 一般情况下, 裂纹内夹杂物即使脱落, 也能在裂纹附近观察到夹杂物的存在(图5)
。
图7 组织异常的裂纹特征
5) 锻造作用力过大导致的锻造裂纹的显微特征:应力裂纹, 裂纹内及附近无氧化和脱碳现象。
以上5种情况, 如果经锻造工序后工件本身已存在裂纹, 再进行热处理(主要为淬火) 时, 裂纹会进一步扩展, 裂纹的开口度会增大, 长度会增加; 裂纹的头部和中部两侧的脱碳量会加重, 而尾部裂纹在应力的作用下可能会加长, 尾部扩展裂纹内无氧化脱碳现象。
4 分析
4. 1 锻造裂纹产生的原因
锻造过程(包括加热、冷却) 中裂纹的产生与金属的受力情况、组织结构、变形温度和变形速度等有关。除了工具给予工件的作用外, 还有变形不均匀和变形速度不同引起的附加应力、温度不均匀引起的热应力和组织转变不同产生的组织应力。金属的组织
图5 裂纹内及附近的夹杂物
3) 增碳和急冷区导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内无氧化和脱碳现象(图6)
。
结构是裂纹产生和扩展的内部依据; 应力状态、变形速度和变形温度是裂纹产生和扩展的外部条件, 通过对金属组织和微观机制的影响而对裂纹的发生和扩展发生作用。
4. 2 热处理裂纹产生的原因
工件在热处理过程中会产生很大的应力(组织应力和热应力等), 当这些应力超过钢的屈服强度时, 会引起工件的变形; 当应力继续增大, 超过钢的抗拉强度时, 则会造成工件的开裂。工件淬火时形成的拉应力是引起淬火裂纹的主要原因。若钢的塑性较高, 即使有较大的拉应力也不一定使工件开裂。因
图6 增碳处的裂纹特征
4) 组织异常导致的锻造裂纹和热处理裂纹的显微特征:裂纹内较干净(图7)
。
此, 应力较大且组织脆而硬时, 工件才容易开裂。
5 讨论
5. 1 锻造裂纹与材质及锻造工艺的关系工件的冶金质量缺陷, 如非金属夹杂、缩孔及气
2009年第4期
泡等, 在锻造时均能引起裂纹。另外工件入炉温度过高、升温太快和加热温度过高, 以及锻造时变形太大、变形不均、终锻温度过低和锻造后冷速过快等因素, 都能引起锻造裂纹。
5. 2 热处理裂纹与材质的关系
钢材中的非金属夹杂物、疏松、缩孔和气孔等缺陷使得钢材致密性较差, 是淬火应力的集中点, 热处理时工件容易由此开裂。特别是非金属夹杂物可强烈破坏钢的连续性, 危害很大, 是产生淬火裂纹的起源。
高碳、高合金钢的组织中存在较多的二次碳化物和共晶碳化物, 这些碳化物未经过压力加工(如锻造等) 前呈明显的带状偏析, 使钢产生很大的脆性, 淬火时产生的内应力如不能为材料的塑性变形所抵消和缓解时, 便会引起淬火工件的开裂, 裂纹多见于碳化物偏析最严重的地方。碳化物级别过高, 会使淬火奥氏体合金度不一致, 从而造成工件冷却时马氏体转变的不一致性和不同时性, 使内应力增加而引起淬火裂纹。
5. 3 裂纹与锻造工艺之间的联系
有些材料经用户加热后组织出现异常情况, 如晶粒粗大、脆性相多(如魏氏组织、碳化物等), 特别是一些高碳高合金钢, 易形成网状共晶碳化物, 在晶界上形成一层硬壳使钢产生了很大的脆性, 阻碍了钢的塑性变形。在锻造过程中即使没有形成裂纹, 但加重了形变应力。在随后的热处理过程中, 应力叠加(组织应力、热应力、形变应力等) 易形成裂纹。
此外, 工件在一定的加热时间里被加热到高出工
艺规定的某一淬火加热温度时, 便会造成工件的淬火过热。过热温度会因钢种的不同而造成不同程度的影响。工件一旦过热, 则奥氏体晶粒粗化, 生成的马氏体针也粗大, 容易产生马氏体微裂纹。这种马氏体的微裂纹是淬火裂纹的激发源, 并发展成为淬火裂纹。过热使钢的性能变坏, 强度与塑性大大降低。
另外, 过大的锻造应力也能影响裂纹的形成, 在随后的热处理过程中或形成裂纹, 或进一步扩大裂纹。
6 锻造裂纹与热处理裂纹的分辨方法
1) 注意裂纹发生的部位。尖锐的凹凸转角处、孔的边缘处、刻印处、打钢印处及机械加工造成的表面缺陷等部位, 在这些部位发生的裂纹多属淬火裂纹。
2) 观察工件的裂断面。若裂纹断面呈白色或暗白色或浅红色(水淬时造成的水锈), 均可断定为淬火裂纹。若裂纹断面呈深褐色, 甚至有氧化铁皮出现, 那就不是淬火裂纹, 系淬火前就存在的裂纹, 是工件在锻造或压延过程中形成的, 淬火时则被扩大。因淬火裂纹基本是在M S 点以下形成的, 其断面是不会被氧化的。
3) 在显微组织中, 锻造裂纹和淬火裂纹都是沿晶界断裂或穿晶界断裂, 锻造裂纹较圆顿, 淬火裂纹较细长。
4) 如果裂纹周围有脱碳层存在, 就不是淬火裂纹, 而是淬火前就存在的裂纹。因为淬火裂纹是淬火冷却时产生的, 绝不会发生脱碳现象。