9.3 淬火应力、变形及开裂

淬火应力、变形及开裂第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火淬火应力、变形及开裂一、淬火应力淬火应力是指在淬火过程中，由于工件不同部位的温度差异及组织转变不同时所引起的内应力。淬火应力受钢的成分、工件的尺寸大小和结构形状、热处理工艺条件等多种因素的影响，难以测量。目前人们仅能测定淬火后工件表面的残余应力，并借助剥层法经校正来估算其残余应力分布与大小。

近年来，运用传热学和弹塑性力学原理，采用有限元法对工件内淬火应力进行数值分析得到了进一步的发展。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力1.热应力热应力是工件在加热（或冷却）时，由于不同部位的温度差异，导致热胀（或冷缩）的不一致所引起的应力。工件冷却时热应力的变化

淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力：

表面为压应力，心部为拉应力材料的热导率越大，热膨胀系数越小，热应力越小。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力1.热应力含碳量0.3%的钢棒（ϕ44mm）在700℃水冷时的残余热应力如果考虑热应力在工件三个方向上的分布情况：沿直径方向（径向应力），心部为拉应力，表面应力为零，一般可不予考虑；沿心轴方向（纵向或轴向应力）及切线方向（切向应力），表面均为压应力，心部为拉应力，特别是轴向拉应力相当大。常见的大型轴类零件如轧辐等，因冷却后轴向残余应力很大，再加上心部往往存在气孔、夹杂、锻造裂纹等缺陷，容易造成横向开裂。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力2.组织应力工件在热处理过程中各部位冷速不同，其各部位组织转变具有不同时性，由此引起的应力称为组织应力，也叫相变应力。组织应力引起的残余应力与热应力正好相反：

表面为拉应力，心部为压应力组织应力大小与钢的化学成分、冶金质量、钢件结构尺寸、钢的导热性、钢在马氏体温度范围的冷速及钢的淬透性等因素有关。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力2.组织应力

Fe-Ni合金圆柱试样残余组织应力的分布如果考虑组织应力在工件三个方向上的分布情况：轴向、切向试样表面为拉应力，心部受压应力，且切向表面拉应力要大于轴向表面拉应力；所有方向试样心部都是受压应力，最大压应力在试样最中心。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力

实际工件在淬火冷却过程中，在组织转变发生之前只有热应力产生，到Ms以下则热应力与组织应力同时产生，且以组织应力为主。这两种应力综合的结果便决定了钢件中实际存在的内应力，但这种综合作用是十分复杂的。

由上述分析可知，热应力和组织应力二者的变化规律正好相反，如果恰当利用其彼此相反的特性，使热应力和组织应力相互抵消，可以显著减少淬火引起的变形和开裂。淬火应力、变形及开裂二、淬火变形1.淬火变形的基本规律

热应力引起的形状变形：工件沿最大尺寸方向收缩，沿最小尺寸方向增长，力图使工件的棱角变圆，平面凸起。即杆件趋于鼓形，扁平件趋于铁饼形，正方件趋于球形，套筒趋于瓮形。组织应力引起的变形：变形趋向与热应力相反，即沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向收缩，力图使工件的棱角突出，平面内凹。即正方件八角突出，杆件长度伸长、直径缩小至樽形，套筒趋于长鼓形，扁平件呈双凹透镜形状。淬火应力、变形及开裂二、淬火变形1.淬火变形的基本规律淬火应力、变形及开裂二、淬火变形2.影响淬火变形的因素（1）钢的淬透性。钢的淬透性较好，热应力相对较小，工件一般以组织应力造成的变形为主。（2）奥氏体的化学成分。奥氏体中碳含量越低，组织应力越小，热应力的作用越大；合金元素含量越高，淬火变形较小。（3）原始组织。原始组织是指淬火前的组织状况，比如钢的带状组织和成分偏析易使钢加热至奥氏体状态后存在成分的不均匀性，可能导致淬火后组织的不均匀性，造成工件不均匀的变形。（4）热处理工艺。淬火加热温度越高，冷却速率越大，淬火变形越大。（5）工件形状与尺寸。一般来讲，形状简单、截面对称的工件淬火变形小；工件尺寸越大，变形越大。淬火应力、变形及开裂三、淬火开裂1.淬火裂纹的种类纵向裂纹横向裂纹和弧形裂纹表面网状裂纹（不同裂纹深度）

淬火裂纹通常可以分为纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显微裂纹。淬火应力、变形及开裂三、淬火开裂2.影响淬火开裂的因素（1）原材料缺陷。原材料中的缩孔、白点、裂痕、非金属夹杂、偏析及带状组织等，都可能成为产生淬火裂纹的根源。（2）锻造与轧制后存在的缺陷。由于锻、轧工艺控制不当，零件毛坯可能形成裂纹或带状组织、过热、过烧及表面严重脱碳等缺陷，这些缺陷在淬火时会更加严重。（3）工件结构设计或选材不当。工件壁厚相差悬殊或具有尺寸突变（尖角、棱角、凹槽等