材料学-第七讲 热处理缺陷及防治

热处理缺陷及防治脱碳脱碳脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下；

2Fe3C+O2＝6Fe+2CO

Fe3C+2H2＝3Fe+CH4

Fe3C+H2O＝3Fe+CO+H2

Fe3C+CO2＝3Fe+2CO

这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。对大多数钢来说，脱碳会使其性能变坏，故均视为缺陷。特别是高碳工具钢、轴承钢、高速钢及弹簧钢，脱碳更是一种严重的缺陷。脱碳高速钢的脱碳组织脱碳脱碳对钢性能的影响

1.对锻造和热处理等工艺性能的影响

1）2Cr13不锈钢加热温度过高，保温时间过长时，能促使高温δ铁素体在表面过早的形成，使锻件表面的塑性大大降低，模锻时容易开裂。

2）奥氏体锰钢脱碳后，表层将得不到均匀的奥氏体组织。这不仅使冷变形时的强化达不到要求，而且影响耐磨性，还可能由于变形不均匀产生裂纹。

3）钢的表面脱碳以后，由于表层与心部的组织不同和线膨胀系数不同，因此淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力，同时表层经脱碳后强度下降，甚至在淬火过程中有时使零件表面产生裂纹。脱碳脱碳对钢性能的影响

2.对零件性能的影响对于需要淬火的钢，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后不能发生马氏体转变，或转变不完全，结果得不到所要求的硬度。轴承钢表面脱碳后会造成淬火软点，使用时易发生接触疲劳损坏；高速工具钢表面脱碳会使红硬性下降。由于脱碳使钢的疲劳强度降低，导致零件在使用中过早地发生疲劳损坏。零件上不加工的部分（黑皮部分）脱碳层全部保留在零件上，这将使性能下降。而零件的加工面上脱碳层的深度如在机械加工余量范围内，可以在加工时切削掉；但如超过加工余量范围，脱碳层将部分保留下来，使性能下降。有时因为锻造工艺不当，脱碳层局部堆积，机械加工时将不能完全去掉而保留在零件上，引起性能不均，严重时造成零件报废。45调质4%硝酸酒精腐蚀×200表面脱碳现象表面组织：铁素体（白）+珠光体（黑）心部：回火索氏体几种常见的热处理缺陷防止脱碳的对策防止脱碳的对策主要有以下几方面：

1）工件加热时，尽可能地降低加热温度及在高温下的停留时间；合理地选择加热速度以缩短加热的总时间；

2）造成及控制适当的加热气氛，使呈现中性或采用保护性气体加热，为此可采用特殊发计的加热炉（在脱氧良好的盐浴炉中加热，要比普通箱式炉中加热的脱碳倾向为小）；

3）热压力加工过程中，如果因为一些偶然因素使生产中断，应降低炉温以待生产恢复，如停顿时间很长，则应将坯料从炉内取出或随炉降温；

4）进行冷变形时尽可能地减少中间退火的次数及降低中间退火的温度，或者用软化回火代替高温退火。进行中间退火或软化回火时，加热应在保护介质中进行；

5）高温加热时，钢的表面利用覆盖物及涂料保护以防止氧化和脱碳；

6）正确的操作及增大工件的加工余量，以使脱碳层在加工时能完全去掉。淬火裂纹材料：Cr12（搓齿板）工艺情况：980℃淬火图1：未浸蚀搓齿根部转角处裂纹形貌；图2：4%硝酸酒精溶液浸蚀淬火马氏体及残余奥氏体、共晶碳化物及小粒状二次碳化物裂纹在齿根尖角处启动，沿碳化物边界向内延伸淬火裂纹裂纹产生原因试样基体呈淬火马氏体且未充分回火，内应力、脆性较大，同时，齿根部应力集中，易造成开裂、崩齿。淬火裂纹淬火裂纹：在淬火过程中或在淬火后的室温放置过程中产生的裂纹。后者又叫时效裂纹。造成淬火开裂的原因很多，在分析淬火裂纹时，应根据裂纹特征加以区分。淬火裂纹的特征在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。

在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。非淬火裂纹的特征淬火后发生的裂纹，不一定都是淬火所造成的，可根据下面特征来区分：淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250℃以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。45钢840℃淬火（水冷）+裂纹4%硝酸酒精腐蚀×10060Si2Mn840℃淬火（水冷）+460℃回火4%硝酸酒精腐蚀×２00回火屈氏体+碳化物（白色小颗粒）＋少量马氏体+少量铁素体（白色块状）＋淬火裂纹淬火时将水看成油，误将样品放入水中冷却（本应油冷），导致淬火时由于应力过大出现淬火裂纹。实例探讨

1、轴，40Cr，经锻造、淬火后发现裂纹。裂纹两侧有氧化迹象，金相检验，裂纹两侧存在脱碳层，而且裂纹两侧的铁素体呈较大的柱状晶粒，其晶界与裂纹大致垂直。结论：裂纹是在锻造时形成的非淬火裂纹。当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。实例探讨

2、半轴套座，40Cr，淬火后出现开裂。金相检验，裂纹两侧有全脱碳层，其中的铁素体呈粗大柱状晶粒，并与裂纹垂直。全脱碳层内侧的组织为板条马氏体加少量托氏体，这种组织是正常淬火组织。

结论：在加工过程中未经锻造，因此属原材料带来的非淬火裂纹。实例探讨

3、齿轮铣刀，高速钢，淬火后在内孔壁上出现裂纹。金相检验，发现裂纹附近的碳化物呈不均匀的带状分布。结论：这是由于组织不均匀所造成的淬火裂纹。当钢的显微组织中存在碳化物聚集时，这些地方碳和合金元素的含量比较高，造成临界温度降低。因此，即使是在正常的温度下进行淬火加热，对于碳化物聚集处来讲，加热温度已显得过高了。其结果是这些地方出现过热组织，降低了钢的强度，淬火冷却时，在应力作用下产生开裂。高速钢的碳化物不均匀性是这种钢的重要质量指标之一。为减少或预防这类缺陷发生，冶金厂和使用厂都在不断采取措施，如使用厂用改锻工艺来均匀组织。当碳化物不均匀性的改善程度受到限制时，可在保证硬度的前提下采用较低淬火加热温度来避免过热组织产生。实例探讨

4、W18Cr4V钢制模具，高温盐浴中加热后油冷，发现开裂。从裂纹特征上看是冷却过快所致。因工件截面较大，冷却时内外温差也大，当表面转变为马氏体时，内部仍处于奥氏体状态，以后的冷却过程中才逐步转变为马氏体，致使表层受内部体积胀大的作用承受很大的拉应力而开裂。因此，可以判断为淬火裂纹。魏氏组织魏氏组织(widmanstattenstructure)

钢材进行热加工和热处理，如果加热温度控制不当，加热不均会使材料超温，导致材料机械性能恶化。根据超温的程度和时间长短，钢材会发生脱碳，过热和过烧现象。当高温加热后，在第一阶段加热，在此阶段加热后冷却，当冷至Ar3温度，A析出F，至Ar1，奥氏体发生共析反应转变为P。如在Ar3至Ar1冷却较快，会析出F的魏氏体组织。降低钢的冲击性能，会使钢的机械性能恶化。可采用中间退火或多次高温回火处理来消除这种组织。魏氏组织魏氏组织形成一般有两个原因:一是热处理温度较高，导致奥氏体晶粒粗大；二是冷却速度较快。如果奥氏体晶粒异常粗大，即使不大的冷速也可能形成魏氏组织，这种组织的塑性和韧性比较差；如果奥氏体晶粒不是特别粗大，冷速比较快的时候也可能形成魏氏组织，但这种魏氏组织不会有什么害处。消除的措施要从产生的原因上着手，一是控制热处理加热温度，二是控制冷速。对亚共析钢，魏氏组织指从晶界向晶内生长的一系列具有一定取向的片（或针）状铁素体，从单个形态来看虽呈片（或针）状，但从整体来看，由于许多片常常是相互平行的，形似羽毛状，但与无碳化物贝氏体相比，显得较粗大且末端较尖细。对于过共析钢来说，是指类似形态的渗碳体。45钢950℃正火针状铁素体（白）+珠光体（黑）4%硝酸酒精腐蚀×500过热组织也叫魏氏组织魏氏组织ZG270-500(铸态)的金相图魏氏组织铸钢由于凝固温度很高，并在1495℃附近产生包晶反应形成奥氏体，奥氏体形成温度高，晶粒十分粗大，在冷却通过GS线时，先析出铁素体，然后进一步冷却通过PS线时析出珠光体。由于奥氏体晶粒粗大，可供铁素体析出的晶界减少，所以铁素体除了在晶界上呈块状析出外，一部分呈针状向晶内析出而形成魏氏组织。铸钢由于晶粒粗大和存在魏氏组织，脆性很大，必须通过退火或正火来消除铸态组织。为了改善铸钢件的性能，可采用完全退火，将粗大的铸态魏氏组织转变为一般的铁素体和珠光体组织。完全退火是以降低硬度和改善韧性为目的的一种热处理方法，将铸钢加热到相变温度Ac3以上30～60℃，随后缓慢冷却，加热保温时间以壁厚每25mm加热保温1h计算。带状组织

（bandedstructure）带状组织：金属材料中两种组织组分呈条带状沿热变形方向大致平行交替排列的组织。例如钢材中的铁素体带、珠光体带、渗碳体带等。

钢材内部缺陷之一，出现在热轧低碳结构钢显微组织中，沿轧制方向平行排列、成层状分布、形同条带的铁素体晶粒与珠光体晶粒。这是由于钢材在热轧后的冷却过程中发生相变时铁素体优先在由枝晶偏析和非金属夹杂延伸而成的条带中形成，导致铁素体形成条带，铁素体条带之间为珠光体，两者相间成层分布。带状组织的存在使钢的组织不均匀，并影响钢材性能，形成各向异性，降低钢的塑性、冲击韧性和断面收缩率，造成冷弯不合、冲压废品率高、热处理时钢材容易变形等不良后果。产品标准中有带状组织评级图片，根据用途确定允许的级别。带状组织100倍率下钢板明显的带状组织

带状组织

1、带状组织形成的原因金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：

a．由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质，压延时，杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。

b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体。

一般情况下，带状组织可以通过多次正火或扩散退火得以消除和改善。

2、带状组织的危害带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。压力加工时易于从交界处开裂带状组织高速钢中带状碳化物组织渗碳缺陷及防治碳浓度过高⒈产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹。

⒉防止的方法

①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。②严格控制炉温均匀性，不能波动过大，在反射炉中固体渗碳时需特别注意。③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用4—7%的BaCO3，不使用Na2CO3作催渗剂。渗碳缺陷及防治碳浓度过低⒈产生的原因及危害：温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。最理想的碳浓度为0.9—1.0%之间，低于0.8%C，零件容易磨损。⒉防止的方法：①渗碳温度一般采用920—940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4%。渗碳缺陷及防治渗碳后表面局部贫碳：⒈产生的原因及危害：固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳。⒉防止的方法①固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。②装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。③却除表面的污物。渗碳缺陷及防治渗碳浓度加剧过渡⒈产生的原因及危害：渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少)，同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象。⒉防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。渗碳缺陷及防治磨加工时产生回火及裂纹⒈产生的原因：渗碳层经磨削加工后表面引起软化的现象，称之为磨加工产生的回火。这是由于磨削时加工进给量太快，砂轮硬度和粒度或转速选择不当，或磨削过程中冷却不充分，都易产生此类缺陷。这是因为磨削时的热量使表面软化的缘故。磨削时产生回火缺陷则零件耐磨性降低。表面产生六角形裂纹。这是因为用硬质砂轮表面受到过份磨削，而发热所致。也与热处理回火不足，残余内应力过大有关。用酸浸蚀后，凡是有缺陷部位呈黑色，可与没有缺陷处区别开来。这是磨削时产生热量回火。使马使体转变为屈氏体组织的缘故。其实，裂纹在磨削后肉眼即可看见。⒉防止的方法：①淬火后必须经过充分回火或多次回火，消除内应力。②采用40~60粒度的软质或中质氧化铝砂轮，磨削进给量不过大。③磨削时先开冷却液，并注意磨削过程中的充分冷却渗氮缺陷及防治表面硬度低产生原因：1．

升温速度快，氮化罐内温差大2．

第一阶段温度偏高或氨分解率过高、过低及中断供氨3．

第一阶段保温时间短，第二阶段保温时间太长4．

装炉量太多，炉气循环不好5．

零件预先未调质或调质后硬度太低6．

零件表面不清洁，有氧化皮7．

渗氮罐和夹具使用过久或新的未预渗氮对策：1．

经常校对测温仪表2．

缓慢升温，升温到300℃后，渗速小于50℃/h，在400~450℃保温1h3．

根据工艺试验确定各个阶段的氨分解率，确定各阶段保温时间4．

补救措施

只要不是长时间超温、超分解率、中断供氨，允许重新渗氮，不必将渗氮层脱掉

其工艺是：495~505℃、15~20h、分解率18%~21%，再用550℃±5℃退氮3h，分解率达到70%~80%渗氮缺陷及防治渗氮层深度浅产生原因：

1．

温度低，保温时间不足

2．

第一阶段氨分解率过高、过低，扩散温度过低

3．

装炉不当，工件之间距离太小

4．

基体未经调质处理

5．

新炉罐夹具未预渗或使用时间太久对策：

1．

严格工艺纪律，按规定的温度、时间生产

2．

补救在正常扩散温度下再渗氮数小时

3．

用搪瓷罐可以免去预渗氮和脱氮处理渗氮缺陷及防治表层脆性过大产生原因：

1．

液氨含水量高

2．

表面脱碳层未去除掉

3．

氨分解率过低

4．

退氮处理不当，时间不足

5．

零件外形有尖角、表面粗糙有斑

6．

第二阶段温度低，分解率低

7．

冷却速度太慢对策：

1．

更换氨干燥剂，或干燥剂再生

2．

加大调质件加工余量，表面不得有脱碳、贫碳

3．

按技术要求进行退氮处理，降低含氮量

4．

挽救方法：凡不因表面脱碳而引起的脆性可以退氮处理，允许表面有氧化色工件，可在空气中冷却。加工余量大时，可磨掉一些

渗氮缺陷及防治表面起泡剥