断裂机理及淬火裂纹

断裂失效简介3/28/20241（1）按断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力相对位置分类a.正断：当外加作用力引起构件的正应力分量超过材料的正断抗力时发生的断裂。断面垂直于正应力或最大的拉伸应变方向。b.切断：当外加作用力引起构件的切应力超过材料在滑移面上的切断抗力时发生的断裂。断裂面平行于最大切应力或最大切应变方向，与最大正应力约成45度角。正断可能是脆性也可能是韧性的，切断一般是韧性的。断裂分类3/28/20242（2）按断裂过程中裂纹扩展的途径分类a.沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展至断裂。当晶界上存在脆性相、焊接裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等一般是沿晶断裂。沿晶断裂多属脆性断裂。b.穿晶断裂：裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂。穿晶断裂可以是脆性断裂，也可以是韧性的。c.混晶断裂：在多晶体金属材料的断裂过程中，多数是既有穿晶型也有晶间的混晶断裂。断裂分类3/28/20243（3）按负荷的性质及应力的产生的原因分类a.疲劳断裂：材料在交变负荷下发生的断裂。b.环境断裂：材料在环境作用下引起的低应力断裂。包括应力腐蚀和氢脆断裂。断裂分类3/28/20244（4）按微观断裂机制分类a.解理断裂：在正应力（拉力）作用下，裂纹沿特定的结晶学平面扩展而导致的穿晶脆断，但有时也可沿滑移面或孪晶界分离。b.韧窝断裂：在外力作用下因微孔聚集相互连通而造成的断裂。断裂分类3/28/20245断裂分类c.疲劳断裂：在交变应力作用下以疲劳辉纹为标志的断裂。d.蠕变断裂：材料在一定温度下，恒载一定时间产生累进式形变而导致的断裂。e.结合力弱化断裂：裂纹沿着由于各种原因而引起的结合力弱化所造成的脆弱区域扩展而形成的断裂。3/28/20246脆性断裂和韧性断裂3/28/20247韧性断裂的断口形貌1）宏观断口三个区域：凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区、放射线纹理的灰色有光放射区和平滑丝光的亮灰色剪切唇区。3/28/20248纤维区：位于杯底和锥顶的中心部位，宏观断面与主应力相垂直，断面粗糙不平，由无数纤维状“小峰”组成，“小峰”的小斜面和拉伸轴线大约成45度角。纤维区是材料内部处在平面应变三向应力作用下启裂，在试样中心形成很多小裂纹缓慢扩展而形成的。放射区：显示出平行于裂纹扩展的放射线状的纹理，由于中心裂纹向周围放射状快速扩展的结果。剪切唇：裂纹扩展到试样的表面附近时，由于剩余厚度很小（平面应力状态），外围部分剪切断裂，断裂面沿最大切应力面与拉伸轴成45度角。3/28/20249根据纤维区、放射区和剪切唇的比例可以初步评价材料的性能。如纤维区比较大，材料的塑性和韧性比较好，放射区比较大则材料的塑性降低，脆性增大。2）微观断口：正断和切断，其微观形貌相应为微孔聚集型的韧窝花样和纯剪切的蛇行花样1、韧窝韧性断裂断口的微观形貌呈韧窝状，窝的中心有夹杂物或第二相质点。韧窝的形成实际上是第二相质子周围产生的显微空穴，随材料塑变扩大后，使各空穴连结，最后形成韧窝状。3/28/202410韧窝的分类：等轴韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝。3/28/202411A等轴韧窝在正应力的均匀作用下，显微孔洞沿三个方向上的长大速度相同。出现在杯锥底部和锥形顶部。B剪切韧窝在切应力的作用下，塑性变形使显微孔洞沿切应力方向的长大速度达到最大，同时，显微孔被拉长，形成抛物线状或半椭圆状的韧窝，两个匹配面上的韧窝朝相反方向，常在拉伸断口的剪切唇区观察到。3/28/202412C撕裂韧窝撕裂应力作用下出现伸长的或抛物线状的韧窝，两个匹配面朝者相同方向。韧窝的方向指向裂纹源，与剪切韧窝在形貌上没有区别，只是凸向不同，剪切凸向相反，，撕裂韧窝凸向相同。3/28/202413蛇行花样某些金属材料（杂质少）在较大的塑性变形后，沿滑移面剪切分离，因位向不同的晶粒之间的相互约束和牵制，不可能仅仅沿某一个滑移面滑移，而是沿着许多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏弯曲的条纹形貌。3/28/202414产生韧性断裂的影响因素及防止措施原因：材料强度不足，如构件受到较大的载荷或过载、局部应力集中等。预防的措施：1）充分考虑构件的承载能力，在可能的情况下设计变形限位装置或增加变形保护系统，尽可能使塑性变形不要发展为断裂。2）操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况。3）严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速。4）随时注意有无异常变形。5）定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起的壁厚减薄的工况。3/28/202415脆性断裂1脆性断裂的特征工作应力不高，低于材料的屈服点，甚至低于设计的许用应力。“低应力脆性断裂”中低强度钢的脆性断裂往往发生在比较低的温度条件下。“低温脆性断裂”从金属构件的内部存在的裂纹作为裂纹源，裂纹一旦产生常造成灾难性的总崩溃。无明显先兆，难以察觉。脆性断裂通常在体心立方和密排六方金属材料中出现，而面心立方金属材料只有在特定的条件下才会出现脆性断裂。3/28/202416脆性断口的形貌A.宏观形貌：大多数是穿晶解理型，具有两个明显特征：小刻面：多晶体金属材料的解理断口，由于每个晶体的取向不同，所以其解理面与断裂面所取的位向也就不相同。若把断口放在手中旋转时，将闪闪发光，向存在许多镜面似的。人字条纹或山行条纹：人字或山形条纹由细变粗的方向为裂纹扩展的方向。相反方向为裂纹起点。3/28/202417断口的微观形貌一般为解理特征，不同的解理断口具有不同的形貌：铁素体的解理断口呈河流条纹、舌状花样；珠光体的解理断口呈不连续片层状；马氏体的解理断口由许多细小的解理面组成，可观察到针状刻面。几乎所有的解理断口上均有二次裂纹。河流条纹：脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。3/28/2024183/28/202419脆性断裂的影响因素A、应力状态与缺口效应：应力状态指构件内应力的类型、分布、大小和方向。最大切应力促进塑性滑移的发展，是位错移动的推动力，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；最大拉伸应力则只促进脆性裂纹的扩展。B、温度许多脆断事故多发生在低温条件下，脆性断裂源是产生于缺陷附近区域。低温下造成脆断是由于温度改变引起材料本身的性能变化。3/28/202420C、尺寸效应随钢板厚度增加，脆性转变温度升高，钢材缺口脆性增加。D、焊接质量焊接构件的脆断主要决定于工作温度、缺陷尺寸、应力状态、材料本身韧性及焊接影响因素等。焊接缺陷的存在对焊接构件的脆断起着重要作用。3/28/202421E、工作介质金属构件在腐蚀介质中，受应力（尤其拉应力）作用同时又有电化学腐蚀时，极易导致早期脆性断裂。F、材料和组织因素脆性材料、缺口敏感性大的材料、劣等冶金质量以及不良热处理等均能促进脆性断裂的发生。3/28/202422预防脆性断裂的途径合理的选材、设计与制造：材料的断裂韧性水平、构件的最低的工作温度和应力状态，承受的载荷类型以及环境腐蚀介质。3/28/2024231、淬火目的：强化钢件，获得M。2、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3/28/202424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。3/28/202425淬火产生的淬火裂纹疲劳裂纹起源于淬火裂纹3/28/202426宏观形态1、纵向裂纹多半产生在淬透的钢件上，表层的切向拉应力大于轴向拉应力时才能出现。这种裂纹沿轴向分布，由表面裂向心部2、横向裂纹它是在工件未淬透的情况下，产生于淬透层与未淬透的心部之间的过渡区。内应力特征是表面受压，距离表面一定距离处压应力变为拉应力，轴向拉应力最大，产生的是横向裂纹3、应力集中裂纹零件上具有夹角、切口、凹槽的部位易产生应力集中。再加上淬火冷却时的不均匀，常易在这些部位引起裂纹。这种裂纹没有固定的形态特征。4、网状裂纹它是一种表面裂纹，其深度较浅，一般在0.01-2mm范围内，裂纹呈任意方向，形成网状。高碳钢工件表面脱碳后，其马氏体比容较小，从而在表面形成拉应力，导致网状裂纹5、剥离裂纹产生在应力急剧过渡的极薄区域内，潜伏在平行于表面的内部裂纹严重扩展时造成表面剥落3/28/2024273/28/202428三、淬火裂纹原因A、冶金因素：（1）材料质量：冶金缺陷扩展成淬火裂纹。（2）、化学成分：①、碳量超高，倾向越大。②、合金元素：双向作用。（3）、原始组织：粗大组织或魏氏组织倾向大。球状组织倾向小。

3/28/202429B、零件尺寸和结构：（1）、截面尺寸过大或过小不易淬裂。（2）、截面突变处：淬裂倾向大。C、工艺因素：（1）、加热：加热温度升高，淬裂倾向大；保温时间长，倾向大；加热炉（选用真空或电炉）。（2）、冷却：Ms点以上冷却时不易淬裂，在Ms点以下时易淬裂（但若缓慢冷却，也不易淬裂）。防止淬裂措施：M等温淬火、分级淬火、水-油淬火、水－空气双液淬火。3/28/202430预防淬火裂纹的方法A、正确设计产品。（1）技术性和经济性。（2）结构设计：

①截面尺寸均匀；

②圆角过渡；

③形状：球形冷却快于板料。（3）热处理条件3/28/202431B、合理安排工艺路线（1）、形状复杂精度高的零件，粗精加工之间的淬火前应安排去应力退火。（2）、大截面零件（直径或厚度＞50）的高碳钢：淬火前正火。小截面高碳钢件淬火前应球化退火。（3）、淬火前应消除亚共析钢的魏氏组织。（4）、高铬钢、轴承钢和高速钢：避免偏析，严重时应降低淬火温度。3/28/202432C、加热参数合理：（1）、介质：真空、保护气氛、电阻、盐浴、火焰炉淬裂倾向逐渐增大。（2）、加热速度：对碳素钢、低合金钢和中合金钢可较快速度加热；对高碳高合金钢要合适；对大、复杂的高锰钢、不锈钢、高速钢和高碳合金钢采用限制加热速度或预热法。3/28/202433（3）淬火加热温度：一般合金钢为Ac1或Ac3+(30-50)℃，亚共析钢为Ac3+(30-50)℃，过共析钢为Ac1+(30-50)℃。（亚温或高温）加热时间按：t=a*d（加热系数＊有效厚度）计算（4）保温时间：经验公式为

t=α＊K＊D（有效厚度）

对于高合金钢等加热保温时间要延长。3/28/202434D、淬火方法合适：

应选择增加热应力、减少相变应力的淬火方式。（1）预冷淬火（降温淬火或延迟淬火）。（2）多介质淬火：

①双介质淬火：先强冷后弱冷，如水－油、水－空、盐水－油、油－空气、碱－空气。②三介质淬火：适用于形状复杂、变形要求严格的零件如碳素钢零件。

3/28/202435（3）分级淬火：快冷至Ms点上保温后空冷。如截面大、易变形开裂的高碳、高速钢等，应采用2次或3次的逐级分级淬火。（4）马氏体等温淬火：冷却至Ms点下50－100度等温保持。一般用油淬。（5）薄壳淬火：即表层淬火。（6）间断淬火：水－空－水－空－水冷至室温。此外还有浅冷淬火和局部淬火。3/28/202436E、淬火介质合适：水：简单碳钢件或低淬透性零件。盐水：冷速比水快，但开裂倾向小于水。碱水：与油相似，用于淬透性较差的碳钢件，变形小、开裂小。油：有普通、快速、等温油。聚合物溶液：有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。F、其它措施：及时回火。局部包扎。3/28/202437模具钢热处理常见淬火裂纹列举3/28/2024381、纵向裂纹裂纹呈轴向，形状细而长。当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力，模具钢的含碳量愈高，产生的切向拉应力愈大，当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1)钢中含有较多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内(碳工具钢淬裂危险尺寸为8-15mm，中低合金钢危险尺寸25-40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹。3/28/2024392、横向裂纹

裂纹特征是垂直于轴向。未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力，导致产生横向裂纹。锻造模块中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。3/28/2024403、弧状裂纹常发生在模具棱角、凸台、刀纹、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接线飞边等形状突变处。这是因为，淬火时棱角处产生的应力是平滑表面平均应力的10倍。另外:(1)钢中含碳(C)量和合金元素含量愈高，钢Ms点愈低，Ms点降低2℃，则淬裂纹倾向增加1.2倍，Ms点降低8℃，淬裂倾向则增加8倍；(2)钢中不同组织转变和相同组织转变不同时性，由于不同组织比容差，造成巨大组织应力，导致组织交界处形成弧状裂纹；(3)淬火后未及时回火，或回火不充分，钢中残余奥氏体未充分转变，保留在使用状态中，促使应力重新分布，或模具服役时残余奥氏体发生马氏体相变产生新的内应力，当综合应力大于该钢强度极限时便形成弧状裂纹；(4)具有第二类回火脆性钢，淬火后高温回火缓冷，导致钢中P、S等有害杂质化合物沿晶界析出，大大降低晶界结合力和强韧性，增加脆性，服役时在外力作用下形成弧状裂纹。。3/28/2024414、网状裂纹

裂纹深度较浅，一般深约0.01～1.5mm，呈辐射状，别名龟裂。原因主要有：(1)原材料有较深脱碳层，冷却削加工未去除，或成品模具在氧化气氛炉中加热造成氧化脱碳；(2)模具脱碳表层金属组织与钢基体马氏体含碳量不同，比容不同，钢脱碳表层淬火时产生大的拉应力，因此，表层金属往往沿晶界被拉裂成网状；(3)原材料是粗晶粒钢，原始组织粗大，存在大块状铁素体，常规淬火无法消除，保留在淬火组织中，或控温不准，仪表失灵，发生组织过热，甚至过烧，晶粒粗化，失去晶界结合力，模具淬火冷却时钢的碳化物沿奥氏体晶界析出，晶界强度大大降低，韧性差，脆性大，在拉应力作用下沿晶界呈网状裂开。3/28/2024425、冷处理裂纹模具钢多为中、高碳合金钢，淬火后还有部分过冷奥氏体未转变成马氏体，保留在使用状态中成为残余奥氏体，影响使用性能。若置于零度以下继续冷却，能促使残余奥氏体发生马氏体转变，因此，冷处理的实质是淬火继续。室温下淬火应力和零度下淬火应力叠加，当叠加应力超过该材料强度极限时便形成冷处理裂纹。3/28/2024436、磨削裂纹常发生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工过程中，多数形成的微细裂纹与磨削方向垂直，深约0.05-1.0mm。原因:(1)原材料预处理不当，未能充分消除原材料块状、网状、带状碳化物和发生严重脱碳；(2)最终淬火加热温度过高，发生过热，晶粒粗大，生成较多残余奥氏体；(3)在磨削时发生应力诱发相变，使残余奥氏体转变为马氏体，组织应力大，加上因回火不充分，留有较多残余拉应力，与磨削组织应力叠加，或因磨削速度、进刀量大