鍛造裂紋與熱處理裂紋及辨別方法
鍛造裂紋一般在高溫時形成,鍛造變形時由于裂紋擴大并接觸空氣,故在100倍或500倍的顯微鏡下觀察,可見到裂紋內(nèi)充有氧化皮,且兩側(cè)是脫碳的,組織為鐵素體,其形態(tài)特征是裂紋比較粗壯且一般經(jīng)多條形式存在,無明細(xì)尖端,無明細(xì)的方向性,除以上典型形態(tài)外,有時會出現(xiàn)有些鍛造裂紋比較細(xì)。裂紋周圍不是全脫碳而是半脫碳。
淬火加熱過程中產(chǎn)生的裂紋與鍛造加熱過程形成的裂紋在性質(zhì)和形態(tài)上有明顯的差別。對結(jié)構(gòu)鋼而言,熱處理溫度一般較鍛造溫度要低得多,即使是高速鋼、高合金鋼其加熱保溫時間則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鍛造溫度。 結(jié)構(gòu)鋼常見的缺陷: 01、鍛造缺陷 (1)過熱、過燒: 主要特征是晶粒粗大,有明顯的魏氏組織。出現(xiàn)過燒說明加熱溫度高、斷口晶粒粗大,凹凸不平,無金屬光澤,晶界周圍有氧化脫碳現(xiàn)象。 (2)鍛造裂紋: 常產(chǎn)生于組織粗大,應(yīng)力集中處或合金元素偏析處,裂紋內(nèi)部常充滿氧化皮。鍛造溫度高,或者終端溫度低,都容易產(chǎn)生裂紋。還有一種裂紋是鍛造后噴水冷卻后形成的。 (3)折疊:沖孔、切料、刀板磨損、鍛造粗糙等原因造成了表面缺陷,在后續(xù)鍛造時,將表面氧化皮等缺陷卷入鍛件本體內(nèi)而形成折縫。在顯微鏡上觀察時,可發(fā)現(xiàn)折疊周圍有明顯脫碳。 02、熱處理缺陷 (1)淬裂: 其特點是剛健挺直,呈穿晶分布,起始點較寬,尾部細(xì)長曲折。此種裂紋多產(chǎn)生于馬氏體轉(zhuǎn)變之后,故裂紋周圍的顯微組織與其它區(qū)域無明顯區(qū)別,也無脫碳現(xiàn)象。 (2)過熱:顯微組織粗大,如果是輕度過熱,可采用二次淬火來挽救。 (3)過燒:除晶粒粗大外,部分晶粒已趨于熔化,晶界極粗。 (4)軟點:顯微組織有塊狀或網(wǎng)狀屈氏體和未溶鐵素體等。加熱不足,保溫時間不夠,冷卻不均勻都會產(chǎn)生軟點。 02、鍛造裂紋與熱處理裂紋產(chǎn)生原因 鍛造裂紋:鋼在鍛造過程中,由于鋼材存在表面及內(nèi)部缺陷,如發(fā)紋、砂眼、裂紋、夾雜物、皮下氣泡、縮孔、白點和夾層等,都可能成為鍛打開裂的原因。另外,由于鍛打工藝不良或操作不當(dāng),如過熱、過燒或終鍛溫度太低,鍛后冷卻速度過快等,也會造成鍛件開裂。 熱處理裂紋:淬火裂紋是宏觀裂紋,主要由宏觀應(yīng)力引起。在實際生產(chǎn)過程中,鋼制工件常由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,鋼材選擇不當(dāng)、淬火溫度控制不正確、淬火冷速不合適等因素,一方面增大淬火內(nèi)應(yīng)力,會使已形成的淬火顯微裂紋擴展,形成宏觀的淬火裂紋,另一方面,由于增大了顯微裂紋的敏感度,增加了顯微裂紋的數(shù)量,降低了鋼材的脆斷抗力Sk,從而增大淬火裂紋的形成可能性。 影響淬裂的因素很多,這里僅將生產(chǎn)中常碰到的幾種情況作一介紹: 1、原材料已有缺陷而導(dǎo)致的淬裂:如果原材料表面和內(nèi)部有裂紋或夾雜物等缺陷,在淬火之前未發(fā)現(xiàn),有可能形成淬火裂紋。 2、夾雜物導(dǎo)致的開裂: 如果零件內(nèi)部夾雜物嚴(yán)重,或本身因夾雜物嚴(yán)重已經(jīng)隱藏有裂紋,淬火時將有可能產(chǎn)生裂紋。 3、因原始組織不良而導(dǎo)致的淬裂。 4、淬火溫度不當(dāng)造成的淬裂 ,淬火溫度不當(dāng)引起零件淬裂,一般有兩種情況: (1)儀表指示溫度低于爐子的實際溫度,使淬火溫度偏高,造成淬火過熱,導(dǎo)致工件發(fā)生開裂。凡是過熱淬火開裂的金相組織均存在晶粒粗大和粗大的馬氏體。 (2)鋼件實際含碳量高于鋼材牌號所規(guī)定的含量,若按原牌號的正常淬火工藝淬火時,等于提高了鋼的淬火溫度,容易造成零件過熱和晶粒長大,使淬火時應(yīng)力增大而引起淬裂。 5、淬火冷卻不當(dāng)造成的淬裂,淬火時由于冷卻不當(dāng),也會使零件產(chǎn)生淬裂事故。 6、機加工缺陷導(dǎo)致的淬裂,由于機加工不良,在零件表面留下了粗而深的刀痕,盡管是很簡單的零件或不是應(yīng)力集中的地方,也會在淬火時造成開裂 ,或在服役過程中發(fā)生早期損壞。 7、零件外形對淬火裂紋的影響,零件幾何形狀不合理,或截面過度區(qū)厚薄相差較大,在淬火時均易因應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。 8、不及時回火導(dǎo)致的開裂,淬火后不及時回火,將可能因淬火殘余應(yīng)力過大而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。 總之,應(yīng)用金相方法進(jìn)行缺陷分析是一項較為復(fù)雜的工作,由于零件失效有時是由多種因素所造成的,所以在實際工作中,應(yīng)做多方面調(diào)查,掌握實情,并從多方面進(jìn)行分析,以確保缺陷分析的準(zhǔn)確性。 03、熱處理裂紋產(chǎn)生機理與磨削裂紋產(chǎn)生機理 熱處理裂紋產(chǎn)生機理:工件淬火后出現(xiàn)開裂是由內(nèi)應(yīng)力引起的。內(nèi)應(yīng)力分為熱應(yīng)力與相變應(yīng)力。 (1)工件在加熱或冷卻時,由于不同部位存在著溫度差而導(dǎo)致熱脹或冷縮不一致所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。 (2)淬火工件在加熱時,鐵素體和滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,冷卻時又由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于不同組織的比容不同,故加熱冷卻過程中必然要發(fā)生體積變化。熱處理過程中由于工件表面與心部的溫差使各部位組織轉(zhuǎn)變不同時進(jìn)行而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。 淬火冷卻時,工件中的內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服點,就可能產(chǎn)生塑性變形,如內(nèi)應(yīng)力大于材料的抗拉強度,則工件將發(fā)生開裂。 磨削裂紋產(chǎn)生機理: 高的磨削溫度容易燒傷工件表面,使淬火鋼件表面退火,硬度降低。即使由于切削液的澆注,可能發(fā)生二次淬火,也會在工件表層產(chǎn)生張應(yīng)力及微裂紋,降低零件的表面質(zhì)量和使用壽命。 01、零件熱處理裂紋產(chǎn)生的原因 零件在熱處理過程中會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力(組織應(yīng)力和熱應(yīng)力),當(dāng)這些應(yīng)力超過鋼的屈服強度時,會引起零件的變形;當(dāng)應(yīng)力更大,超過鋼的抗拉強度時,則會造成零件的開裂。 作用在零件上的應(yīng)力有兩種:壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。淬火時形成的拉應(yīng)力是引起淬火裂紋的主要原因。但是當(dāng)鋼的塑性較高時,即使有較大的拉應(yīng)力也不會引起零件的開裂,比如沒有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的去應(yīng)力退火,獲得較多殘留奧氏體的等溫淬火等。只有在應(yīng)力較大,又具備了高硬度、脆性大的組織時,才容易造成零件的開裂。 故淬火裂紋的形成必須同時存在兩個條件:一是具有脆性組織;二是拉應(yīng)力超過了此時鋼的抗拉強度(當(dāng)然其他情況也能促使零件裂紋發(fā)生,比如原材料缺陷、設(shè)計及機械加工不當(dāng)造成的缺陷等)。 02、關(guān)于裂紋的類型 裂紋的分類方法各種各樣。按裂紋的方向分,有縱向裂紋、橫向裂紋、弧形裂紋和網(wǎng)狀裂紋(又稱龜裂)等;按裂紋發(fā)生的位置分,有表層裂紋(或稱表面裂紋)和內(nèi)部裂紋;按裂紋發(fā)生在不同的工序分,有鍛造裂紋、焊接裂紋、淬火裂紋、回火裂紋、冷處理裂紋、酸洗裂紋及磨削裂紋等。零件在熱處理過程中以淬火裂紋為最多。 03、裂紋的分辨方法 如何區(qū)分究竟是淬火裂紋、回火裂紋、鍛造裂紋還是磨削裂紋等是很重要的,這樣便于準(zhǔn)確查找裂紋發(fā)生在哪一工序,有利于分析裂紋產(chǎn)生的原因。 第一,注意淬火裂紋和磨削裂紋形態(tài)的不同。對于淬火時未發(fā)現(xiàn)而在磨削后才發(fā)現(xiàn)的裂紋,要區(qū)別是淬火裂紋還是磨削裂紋。在裂紋未附著污染物時比較容易,此時注意裂紋的形態(tài),特別是裂紋發(fā)展的方向,磨削裂紋是垂直于磨削方向的,呈平行線形態(tài),或呈龜甲狀裂紋。磨削裂紋的深度根淺,而淬火裂紋一般都比較深,比較大,與磨削方同無關(guān),多呈直線刀割狀開裂。 第二,注意裂紋發(fā)生的部位。尖銳的凹凸轉(zhuǎn)角處、孔的邊緣處、刻印處、打鋼印處及機械加工造成的表面缺陷等部位,在這些部位發(fā)生的裂紋多屬淬火裂紋。 第三,通過觀察零件的裂斷面來區(qū)分是淬火裂紋還是淬火前的鍛造裂紋或其他情況造成的裂紋。若裂紋斷面呈白色或暗白色或淺紅色(水淬時造成的水銹),均可斷定為淬火裂紋,若裂紋斷面呈深褐色,甚至有氧皮出現(xiàn),那就不是淬火裂紋,系淬火前就存在的裂紋,是零件經(jīng)過鍛造或壓延時形成的裂紋,這些裂紋都會因淬火而被擴大。因淬火裂紋基本上是在MS點以下時形成的,其斷面是不會被氧化的。 第四,在顯微組織中,淬火裂紋是沿晶界斷裂,若不是沿晶界斷裂,而是沿晶內(nèi)斷裂,則屬于疲勞裂紋。 第五,如果裂紋周圍有脫碳層存在,那就不是淬火裂紋,而是淬火前就存在的裂紋,因為淬火裂紋是淬火冷卻時產(chǎn)生的,絕不會發(fā)生脫碳現(xiàn)象。
由于熱處理加熱溫度偏高,保溫時間過長或快速加熱,均會在加熱過程中產(chǎn)生早期開裂。產(chǎn)生沿著較粗大晶粒邊界分布的裂紋;裂紋兩側(cè)略有脫碳組織,零件加熱速度過快,也會產(chǎn)生早期開裂,這種裂紋兩側(cè)無明顯脫碳,但裂紋內(nèi)及其尾部充有氧化皮。有時因高溫儀器失靈,溫度非常高,致使零件的組織極粗大,其裂紋沿粗大晶粒邊界分布。