《钢的热处理内应力、变形和裂纹》的探讨（7）

伯龙马

       如题
     《钢的热处理内应力、变形和裂纹》的探讨（7）
       如前所述，淬火是否产生裂纹主要取决于其内应力和其力学性能。然而，淬火内应力的大小和分布特征又与工件的几何形状、淬透性、导热性以及热处理工艺参数等有关；力学性能（脆断强度）又取决于其晶粒度、残余奥氏体数量、组织结构的均匀性等因素相关。因此，影响产生淬火裂纹的主要因素也是诸多方面的，如下所述。
       7. 产生淬火裂纹的影响因素之一
      （1）化学成分的影响
       1）碳含量（质量分数，%）的影响  化学成分中碳对其力学性能影响最大，即钢淬火后的脆断强度主要取决于其含碳量，如图1-19所示。随钢的淬火马氏体中ω（C）增加至0.8%，其脆断强度（S）不断下降。这是由于不同含碳量的马氏体发生晶格畸变的程度不同所致。大量碳原子排列不规则的歪扭晶格，阻碍原子滑移切变进行，就像为脆性断裂作好了准备一样。因此，对亚共析钢来说，随钢的淬火马氏体中含碳量愈增加，其晶格畸变得愈大，则其脆断强度（S）愈低。当含碳量达到共析钢和过共析钢时，含碳量愈多，淬火后组织应力愈大，表面处于危险的拉应力状态，其淬裂的倾向也愈大。但是，过共析钢在Ac1～Acm之间加热淬火后，脆断强度不会继续降低。因为马氏体中ω（C）不会高于0.8%，过高的碳量以碳化物形式存在，不增加马氏体中的含碳量，故也不会使比ω（C）=0.8%时的淬裂倾向大。

（略）

图1-19 含碳量对钢的脆断强度的影响

2）常存杂质含量（质量分数，%）的影响  钢中的常存杂质，如硅、锰、磷和硫等，虽然不直接影响裂纹的产生，但它们却能影响钢材的质量。如磷和硫形成的化合物不仅破坏钢的完整性使其力学性能降低，而且会导致其附近应力集中，淬火时诱发裂纹。如图1-20所示35钢制螺母，通常不易产生淬火裂纹，但由于硫化物偏析严重致使在其楞角处出现裂纹。

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                          图1-20  35钢制螺母淬火裂纹实例

       3）合金元素含量（质量分数，%）的影响  合金元素对淬火裂纹形成的影响表现在多方面且比较复杂。首先对于一些在钢中形成稳定碳化物的合金元素，如铬、钨、钼、钒、铌等， 在正常的淬火加热温度下，它们能够阻止晶粒长大。如此减少了钢在加热时的过热倾向，不仅确保力学性能不恶化，而且也不增加其淬火内应力。另外，一些在加热时溶入奥氏体中的其它合金元素，如硅、锰等，有效的提高过冷奥氏体稳定性，即增加钢的淬透性。从而，可以减小淬火临界冷却速度，大大降低淬火内应力，使形成淬火裂纹倾向减弱。同时，合金元素除钴和铝以外，大多数都能降低钢的马氏体转变开始温度（Ms点），如此增加淬火后的残余奥氏体数量，从而可使内应力得到松弛、缓解淬火开裂倾向。但是，当需要残余奥氏体彻底转变成马氏体时，必须冷却到钢的马氏体转变终止温度（Mf点）以下，则淬裂敏感性并不能降低，甚至增加。
       综上所述，合金元素对淬火裂纹形成的影响，主要是对钢淬透性影响的结果。此外，随钢的淬透性增加，钢件形成裂纹的临界尺寸也相应增大。然而，钢件形成裂纹的临界尺寸愈大，则形成裂纹的倾向愈小。如图4-21所示为T8A钢和Cr钢在水中淬火冷却裂纹形成倾向的比较。从图中看出，T8A钢试样随着截面尺寸增加形成裂纹的倾向逐渐增加，直至截面尺寸20mmX20mm时最大。此时，极可能因加热温度过高而产生纵向裂纹或弧形裂纹。所以，工件截面20mm×20mm是T8A钢在水中淬火形成裂纹的临界尺寸。铬钢试样形成裂纹的临界尺寸为30mm×30mm。显然，这是因钢中加入合金元素使淬透性增加所致。
       钢中加入合金元素会使其导热性降低。尽管加热时会产生较大的热应力，但是，由于高温状态下钢的塑性好，内应力可以得到及时部分消失，对于含合金总量（质量分数）不超过10%的中、低合金结构钢和合金工具钢来说，不致对产生裂纹构成威胁。正因如此，高温快速加热在这些钢中得到广泛应用。但在合金元素含量较高（质量分数）超过10%时，其导热性更差的情况下，加热过程，采用阶梯预热或缓慢升温也是必要的。特别是合金钢制作的大型及特大型的以及形状极复杂的工件，加热时限制升温速度十分必要。一方面旨在减少内应力；另方面为了组织转变更加均匀。