热处理裂纹分析——典型淬火裂纹.pdf

《东方电机}2009年第1期

热处理裂纹分析

—一典型淬火裂纹

刘进益

摘要热处理裂纹多种多样，在各类热处理裂纹中，以淬火裂纹的产生几率和
频次最高。通过几种典型淬火裂纹形成条件、裂纹特征、开裂力学模型的介绍，
阐述了利用“残余应力决定论”和“最大拉应力起裂论”的观点，结合金相分析、
情况调查等手段，在现有条件下进行淬火裂纹的失效分析技术。

关键词金属零件热处理热处理裂纹淬火裂纹残余应力最大拉应
力

1热处理裂纹分析理金属零件内部导致不同部位金属间的体
积及形状的变化有较大差异，引起相互间
1．1热处理裂纹拘束作用，从而在零件各部位产生不同的
金属零件在热处理时形成的裂纹称为应力场，这就是热处理应力。热处理应力
热处理裂纹，它是由于热处理引起的热应力主要有组织应力和热应力。
和(或)组织应力大于金属零件材料的破断(1)组织应力
强度所致。金属零件内部存在的夹杂、缩孔组织应力是热处理过程中普遍存在的

残余、白点等缺陷极易在热处理时造成应力一种应力。典型的组织应力是产生在金属
集中而促使热处理裂纹产生。金属零件外形零件淬火冷却过程中，因表层和心部的马
存在有尖锐棱角或前序残留的疵病(如折迭、氏体相变不同时进行，金属零件冷却后期，
深刀痕等)，也易应力集中而导致热处理裂心部温度降至Ms点要发生马氏体相变而
纹。若金属零件过热，晶粒粗大，淬火后应力体积膨胀时，受到表层已转变为高强度的
很大，也易形成热处理裂纹。热处理裂纹多马氏体的阻碍，这样在心部产生压应力，表
种多样，在各类热处理裂纹中，以淬火裂纹的层产生拉应力。组织应力的大小与材料在
产生几率和频次最高，本文着重阐述几种典马氏体相变温度范围的温差有关，截面温
型淬火裂纹。差越大，组织应力明显增加。此外，相变时
1．2热处理应力体积膨胀量及膨胀速率愈大，组织应力也
热处理应力多变而又复杂，它是导致越大。
热处理金属零件变形和开裂的主要原因。(2)热应力
在热处理过程中，由于加热、冷却和相变等热应力是热处理过程中普遍存在的另
过程进行的不均匀性和不等时性，在热处外一种应力，它是由于表层和心部温差引

来稿时间：2008年6月
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起金属零件的体积收缩不均匀而产生的内·或稍后因淬火应力发生局部分离而导致零
应力。在不考虑相变的情况下，金属零件件的破裂。
冷却后期，表面已降至室温，心部要继续降2．1淬火裂纹分类
温和体积收缩，而表层则阻碍心部收缩，这通常在实际淬火中形成且受尺寸效应
样在心部产生拉应力，表层产生压应力。制约的、独立形式的淬火应力(合成且残余的
冷却速度越快热应力越大，淬火加热温度应力)类型有三种，见图1。其中I型是以
越高、金属零件截面尺寸越大、钢的导热性组织应力为主的合成应力，称为组织应力型
越差，截面温差越大，越易增大热应力。的淬火残余应力；Ⅱ型应力是由热应力、组
组织应力和热应力又称为基本应力。织应力共同合成的，称为过渡型淬火残余应
每种基本应力都有其独特的致裂特点，而力；III型是以热应力为主的合成应力，称为
且是由最大拉应力(合成后的瞬时应力)热应力型淬火残余应力。根据淬火残余应力
的存在部位所决定的。合成应力的产生和的类型和作用特点的不同可将淬火裂纹分为
发展比较复杂，由于热应力和组织应力在纵裂、纵劈一横断、弧裂、边廓一表面裂纹，见
淬火金属零件截面的存在部位相同，但作图2。本文主要介绍纵裂、纵劈一横断、弧裂
用方向相反，它们相互作用合成后，应力降三种类型的淬火裂纹。
低(残余)或消失，也就是说它们同时作用2．2淬火裂纹的分析方法、
有致裂和抑制裂纹形成双重性。组织应力通常分析淬火裂纹的基本逻辑或出发
的切向应力明显大于轴向应力，而热应力点是：把淬火裂纹的产生看为某些影响因
则恰好相反，即轴向应力大于切向应力。素超常作用的结果，于是借助金相分析和
情况调查来收集那些能证明某个或某几个
2淬火裂纹影响因素确实超常发挥的证据，实际上很
淬火裂纹是指金属材料于淬火过程中

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图1淬火残余应力的类型

难找到确凿的证据。经实践证明大多数淬取决于零件的淬火工艺条件、自身的几何
火裂纹的产生与淬火残余应力的形成规律因素以及材料质量，因此分析中应把这些
和作用特点密切相关(也即残余应力决定具体因素转化为引起淬火残余应力的因
是否发生淬火开裂)，而淬火残余应力又素，然后根据淬火零件截面上的内应力只
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存在拉应力和压应力，而只有拉应力才能致裂的观点(也即最大拉应力决定起裂部

图2淬火裂纹分类图

位)，最后与金相分析和情况调查相结合，对直的单条深裂纹的同时，又沿垂直表面的
淬火裂纹形成规律进行探求，分析淬裂形成方向朝截面内部扩展，因此深度较大，最后
原因。也就是利用残余应力决定论和