3.3　淬火裂纹及其他裂纹

3.3.1　淬火裂纹的特征

淬火裂纹是零件在加热和冷却过程中，受到热应力和组织相变时组织应力的双重作用，由宏观应力引起的宏观裂纹。零件的加热速度过快，导致零件各部分的温度存在差异，容易造成零件的淬裂、变形和软点等热处理质量缺陷，当热应力和组织应力之和超过钢的抗拉强度时，就会导致零件的开裂。因此零件产生淬火开裂不是单纯某一个原因造成的，了解其材料的机械加工流程和热处理状态，是热处理工作者分析和判断淬火开裂原因的重要依据。

淬火裂纹通常发生在淬火应力最大的区域，例如圆形零件两端的边缘圆周处、厚薄不均的结合处、尖角和棱角、键槽等位置。淬火裂纹的特征分为宏观和微观两种，下面分别介绍。

（1）淬火裂纹的宏观特征

①淬火裂纹多起源于零件的棱角、空洞、凹槽、截面突变等应力集中处，有时因零件本身的几何形状、特殊的部位、具体的技术要求和受冷却速度的影响而产生于非应力集中的部位，这应当具体分析和判断。

②淬火裂纹一般始端粗大，尾部细小，方向和分布没有一定的规律性，在零件的纵、横方向上均能出现，如果加热温度高则局部位置会出现龟裂。

③裂纹的深度和宽度与零件的内部残余应力的大小有直接的关系，事实表明残余应力越大，则淬火裂纹愈深和愈宽，当淬火应力过大时，超过了材料的脆断强度，导致零件的开裂。

（2）淬火裂纹的微观特征

①淬火裂纹是沿着奥氏体的晶界而扩展，有时在裂纹的两侧还有细小的裂纹，故裂纹为曲折状，晶粒越大则裂纹扩展愈大，若零件的应力过大则造成穿晶断裂。

②裂纹两侧的金相组织没有变化，即无氧化、脱碳现象（见图3-3），假如进行高温回火则裂纹两侧可能出现轻微的氧化。

一般而言淬火裂纹多是由淬火工艺中的热处理工艺参数不当造成的。除此以外，零件的原材料中的化学成分偏析、淬透性过高、存在大量的非金属夹杂物、粗大的晶粒等，都能增大零件淬火开裂的趋势，因此对出现的淬火开裂问题应具体分析，不可妄下结论。

3.3.2　淬火开裂原因和形式

零件在实际的热处理生产过程中，零件的冷却速度快，造成其内外温度存在温差，形成了热应力，在M_s点以下形成的马氏体的比容和奥氏体比容不同，则形成了组织应力，当二者的内应力的合力超过钢材的抗拉强度（或破断强度），将造成零件的开裂。除原材料自身的缺陷外，零件出现淬火裂纹还同零件的结构设计不合理、形状不规则（壁厚、截面突变、尖角等）、钢材选用不当、淬火温度控制不准确、冷却速度不符合要求（在M_s点附近未从淬火介质中提出）、操作不当、淬火后未及时回火、零件的表面粗糙、锻后未退火而直接淬火等因素有直接的关系。最常见的淬火裂纹的基本类型见图3-4。由于裂纹的形成原因不同，它在钢件中分布的状态和形式也有差别。钢件一旦产生宏观的淬火裂纹，将直接做报废处理，因此应特别注意避免出现开裂。

纵向（轴向）裂纹主要是切向拉应力造成的［图3-4（a）］；横向（弧形）裂纹是拉应力引起的［图3-4（b）］；网状裂纹主要是表面在两向拉应力作用下形成的［图3-4（c）］；剥落裂纹产生在很薄的硬化层内，是径向拉应力过大造成的［图3-4（d）］。

①纵向（轴向）裂纹是沿轴向分布，从表面向内部扩展，其走向与轴向平行，在淬透零件表层切向拉应力比轴向应力大时才能出现，原因为：工件被完全淬透，心部转变为马氏体导致表面切向拉应力过大。钢的含碳量越高则越容易形成纵向裂纹，如果零件的尺寸在淬裂的敏感尺寸范围内或原材料存在严重的带状偏析，也将导致裂纹的出现。W18Cr4V钢制作的大直径的管螺纹机用丝锥，如果冷却过于激烈，容易出现该类裂纹。影响纵向裂纹的因素有钢的含碳量高，淬火温度提高，零件的尺寸大，空心圆柱或套筒，以及非金属夹杂物、碳化物、带状组织等将造成钢的横向强度和韧性的降低，在淬火冷却过程中，出现裂纹的概率增加。判断轴向裂纹原因的金相组织分析示意图见图3-5，从图中可以对裂纹是热处理前裂纹还是淬火裂纹进行正确识别，它们具有不同的特征。

防止出现纵向（轴向）裂纹的解决方案为：采用等温、分级淬火等冷却方法，使工件不被完全淬透，减少拉应力的产生；避开淬裂敏感尺寸区。

②淬火裂纹中的横向裂纹和弧形裂纹的特征为断口与轴线垂直，其裂纹源于内部，呈放射状向外扩展，其发生的原因一般为：a．工件未淬透，在零件的硬化层和非硬化层之间的过渡区存在有一个最大的轴向拉应力峰，引起横向裂纹的出现，该类裂纹多出现在直径大、材料的淬透性差的零件上；b．零件表面淬火后在硬化与非硬化区域间存在较大的切应力或轴向拉应力，造成自过渡区形成裂纹，逐渐扩展到表面形成弧形裂纹，以及零件的表面上出现棱角（尖角）、截面变化悬殊、凹槽、中心孔、销孔、螺纹时，将造成应力集中，也形成弧形裂纹。大型锻件产生横向裂纹在于其未淬透，而冶金缺陷如白点、气泡以及夹杂物等易作为裂纹源，当应力大于裂纹扩展的临界应力时，就出现该类裂纹。

防止出现横向裂纹和弧形裂纹的措施为：选择合适的硬化层分布；采用减少内应力的淬火方式（例如预热等）；进行合理的工件设计，减少应力集中；采用预热、预冷等减小应力的措施等。

弧形裂纹产生的原因与横向裂纹相类似，裂纹从内部开始出现，而有时在零件的棱角、截面突变处、尖角或凹槽等区域，常发生在未淬透或渗碳淬火的零件中。另外在销孔、槽、中心孔等处由于冷却慢，硬化层薄，因此在硬化层的过渡区内拉应力的作用下，出现弧形裂纹。高碳钢的弧形裂纹见图3-6，这是在冷却速度最快的尖角附近所形成的裂纹，另外淬火钢件上存在软点也易形成裂纹，其特征是细小的裂纹围着软点，但范围很小。

③网状裂纹（龟裂）的形成与零件表层受轴向拉应力和切向拉应力有关，当具有的二向拉应力较大，而表层硬度高、脆性大、断裂强度低时容易出现这类裂纹。其外部特征见图3-7。从图中可以看出，网状裂纹深度较浅，通常在0.01～1.5mm，裂纹的走向无规律性，与零件的外形无关。一般而言表面脱碳的高碳钢和渗碳零件淬火后极易形成该类裂纹，其原因在于脱碳后表面、外部形成的马氏体的含碳量低于内部的含碳量，故形成的内外马氏体的体积差大，从而造成表面产生很大拉应力的作用，造成表面形成网状裂纹；另外工件因过热或过烧，使晶界处强度降低，沿晶界开裂也会使表面产生网状裂纹。

采取的措施为：采用无氧化、脱碳加热设备和介质；采用充分脱氧的盐浴炉加热工件；渗碳后避免空冷；严格执行淬火工艺，防止出现工件的过热或过烧。

影响网状裂纹形成的因素较多，但都同表面的两个拉应力有关，因此下列情况是容易出现此类裂纹的：

a．零件表面出现脱碳，形成了特殊的应力分布，将表面的应力变成拉应力，如高碳钢脱碳后淬火出现网状裂纹；

b．机械加工未将原材料的脱碳层去掉，高频或火焰加热淬火则出现网状裂纹；

c．表面脱碳层的碳含量高于0.4%，易于开裂，而小于0.4%则不会出现网状裂纹；

d．高碳钢淬火后未及时回火或回火不良等，内部残余应力过大，在随后的磨削过程中，冷却不良会造成表层产生大的磨削应力，它与残余拉应力相互叠加，造成表面出现磨削龟裂。

④剥落裂纹常发生在零件的高频淬火、火焰淬火或其他的表面淬火过程中，如果零件的表面温度高，出现过热现象，沿淬硬层组织分布不均匀，容易形成剥落裂纹。

剥离裂纹与零件的表面平行，表面淬火件则沿圆形开裂。剥离裂纹产生于零件表层十分薄的区域内，在内部存在两向均匀的压应力，径向应力为拉应力，见图3-8。

应力与硬化层内组织的不均匀有关，在过渡区的极薄的区域内，裂纹扩展严重时造成表层的剥落。产生裂纹的原因为表层和心部组织的比容不同，在表层形成轴向、切向压应力，而径向为拉应力，并向内部突变，裂纹产生于急剧变化的过程中。

采取的解决方案为：加快或减慢高频淬火、火焰淬火和渗碳等零件的冷却速度；使渗层或表面组织与基体组织过渡区均匀。

需要注意的是剥离裂纹具有很大的危害，因此在实际热处理过程中应尽可能地加以避免。对渗碳零件而言，加快或减慢冷却速度，可得到均匀一致的马氏体或托氏体组织，防止出现剥离裂纹。

除上述四种淬火裂纹基本形态外，还存在没有固定形态特征的应力集中裂纹。应力集中裂纹是零件在热处理过程中需要高度重视的问题，影响该类裂纹的因素较多，首先它同零件的几何形状、截面尺寸的突变、设计要求、材料的特性有关，图3-9为40钢的拉臂在尺寸最薄弱的位置出现开裂；其次与加热和冷却的工艺流程以及有无采取必要的措施有关；另外同加工的零件表面上的加工刀痕、打印的标记等存在直接的联系，图3-10为应力集中产生的裂纹。在零件的热处理过程中，造成应力集中的因素归纳为以下几条：

①从零件的形状上看，零件壁厚发生突然变化，以及出现尖锐凹角、切口、凹槽、尺寸不均或急剧变化、凸缘、切削刀痕等形状外观缺陷；

②材料内部出现带状、条状、网状非金属夹杂物；

③碳化物以及其他冶金缺陷等。

这些因素将造成钢材的脆化，造成淬火应力集中。

热变形开裂由于零件差异而形成原因不同，一种情况是零件成形前加热温度过高或保温时间过长，造成晶粒的晶界面和富碳的偏析区熔化，表面层和晶界面被氧化。

另一种情况是零件变形前加热速度太快，锻件中部存在横向裂纹，在半径方向由拉应力引起开裂，其原因为毛坯加热不足，心部的温度低，此时材料的延展性差。

淬火裂纹是指零件在马氏体相变温度区淬火时，由于应力的重新分布而产生的裂纹，一般在冷却的5～7s或10～60min开裂，是零件冷至M_s点时未及时把零件从冷却介质中提出，任其冷却到底造成的。淬火裂纹通常是在一段时间内发生，有时在未回火前或回火后从表面开裂，这多发生在淬透或淬硬深度大的工具等零件上，纵向裂纹始于表面终止于内部。对于低淬透性工具钢而言，当在水中急冷表面产生马氏体时与心部的温度高达140～500℃，将会产生弧形裂纹。该类裂纹始于应力集中区（锐角、直角或孔的边缘），有时可能扩展到零件的表面。

从上面的分析可知，热处理裂纹就是在拉应力作用下产生的，其实质为零件内部热应力和组织应力下的脆性断裂，内应力大于材料的破断抗力时即发生开裂现象。当内应力大于破断抗力时，在淬火过程中开裂；当二者基本相近时，淬火后零件立即开裂；当内应力小于破断抗力，但接近破断抗力时，如淬火后不及时回火，放置一段时间将发生开裂现象。图3-11表示形成淬火裂纹的条件。

3.3.3　淬火裂纹的一般特点

零件在加热保温结束后，进行快速冷却以完成组织的转变，获得要求的组织和力学性能等，满足零件的工作需要。理想的冷却方式为在C曲线“鼻尖”处快速冷却，而在M_s点以下缓慢冷却（如分级、等温、空冷等），避开危险区域，使零件的内外温度均匀一致，在冷却过程中同时发生组织的转变，减小热应力和组织应力的作用，可实现零件的无开裂和变形，符合零件的热处理技术要求。

如果零件淬火冷却过程中出现开裂，则应具有以下特点：

①断面裂纹处有少许红色锈迹、梨黄色油迹或发现新的裂纹，则是冷却过程中发生的；

②如断面出现黑色的氧化层，则是锻造过程中造成的；

③裂纹处晶粒粗大，发白亮光，是过热和温度过高引起的；

④磨削面呈现龟裂，为磨削后加工不良所致；

⑤凸起或粗细不均匀部分，发现裂纹，说明加热与冷却不均匀，或是设计上的原因造成的；

⑥尖角、槽部、刻印部分出现裂纹，则为应力集中造成的。

淬火裂纹与其他的裂纹是有区别的，淬火裂纹的断口是暗无光泽或略带有白色，稍微带有红色的铁锈（水冷时）或渗出油（油冷时），裂纹的部位在截面形状突变处、尖角、缺口、孔穴、模型接线飞边、机械加工刀痕等。从显微镜上看，裂纹沿奥氏体或马氏体晶界出现，可穿过或绕过“马氏体针”，具有瘦直而刚健的曲线、棱角性较强，在单条主裂纹两侧，沿晶界分布着细小裂纹等。

热处理后的工件是否有裂纹，常采用下列方法来辨别。

①敲击听音法：将工件挂起轻轻敲击一端发出响声，如果声音不清脆而呈破哑的浊音，则表明工件内有裂纹。

②油浸法：将工件浸入油（机械油等）中一定时间，取出后用棉纱擦干，再涂以白粉（粉笔末），如果工件表面有油渍线纹渗出，表示该处有裂纹存在。

③磁力探伤法：将工件放在磁力探伤机上，表面撒以铁粉通电，如有吸附铁粉处则存在裂纹。

淬火温度高出现的裂纹由粗变细，尾部细尖，周围呈现过热特征（晶粒粗大或粗大马氏体）；冷却速度快引起的裂纹是穿晶分布，比较直没有分支小裂纹。在热处理过程中产生的裂纹是多种多样的，其形成的机理也不相同，因此裂纹有淬火裂纹和非淬火裂纹两种，为便于区分现将二者的差异列于表3-8中，供参考。

3.3.4　影响零件开裂的因素和解决方案

（1）零件的表面形状和状态的影响　零件的材质和尺寸大小是确定零件热处理工艺的基础，而截面的变化则直接对零件的热处理技术要求产生重要的影响。如设计的零件横截面突然发生变化，形状复杂，厚薄悬殊，出现直角、缺口或倒角半径过小，倒角尖锐，开孔位置不当等造成应力集中，这些因素将对冷却过程中产生的热应力和组织转变产生的组织应力起到不利的影响，造成内应力的增大，若超过材料的破断抗力，将引起零件的纵向和横向的开裂。因此对存在小孔、薄壁或凹槽部位等的形状复杂的零件，要防止出现过热或冷却过急，一般采用铁皮或石棉绳等进行包扎，或填充耐火土或石棉绳等，使该部位的加热和冷却均匀，防止出现淬火裂纹。

零件在机械加工过程中，产生在零件上的刀痕（伤）、划痕、毛刺，表面粗糙度差，矫直不当，以及打印的标记等，在热处理的过程中因为此处的内应力增大，同样可能会造成零件的开裂。另外零件的冷热加工质量，也有一定的影响。

所谓应力集中部位（stress raiser）就是淬火应力容易集中的位置，一般为零件上的切槽、刀纹、尖锐凸凹部位、打印标记痕迹和截面突变处等，因此要避免零件出现上述缺陷。棱角的棱是指内侧的圆角（fillet），而角（corner）为外侧的边缘，对于棱角处应做成半径至少3mm的圆弧，实践表明当半径为15mm时，可完全消除掉棱角效应。图3-12为常见的应力集中部位发生淬火裂纹零件。

引起淬火裂纹的零件的尺寸称为危险截面，一般零件直径20mm、板厚为15mm最容易出现淬火裂纹，这一点应引起热处理工作者的高度重视。

零件的形状是影响淬火裂纹的主要因素，容易发生淬火裂纹的部位，大致是一定的：零件横截面形状突变、尖角、缺口、孔穴、模型接线飞边等，也充分说明零件的形状和结构不合理是造成淬火裂纹的主要原因。图3-13为几种存在上述情况时出现开裂的具体位置。从图中可以看出，设计人员对零件的形状的设计必须既要考虑零件的具体工作条件和使用目的，又要降低零件热处理过程中出现变形和开裂的概率，因此应消除和改进有可能出现淬火裂纹的问题。如果出现易于发生淬火裂纹的形状，不管热处理技术水平多高，也难以避免淬火裂纹的产生，因此零件形状的设计应本着均热均冷、均缩均胀的原则，即断面要均匀、没有缺口效应等。

零件的热处理对其形状有两点最基本的要求：一是尺寸的截面变化要尽可能地小，即使确实需要变化也应有过渡，零件的形状应规则；二是没有产生缺口效应的部位。若能满足以上要求，则零件的淬火裂纹就可以避免。截面积出现不均匀变化，零件的薄部位在淬火冷却时，先进行马氏体的转变而得到硬化，而厚截面部分发生马氏体的膨胀，给薄的部分产生拉应力的作用，在厚薄的相连处产生应力集中，出现淬火裂纹。另外在零件的槽口、盲孔、粗糙的加工刀痕、凹凸不平处、打印标记等，在淬火时将有利于产生热应力和组织应力的集中。因此为避免在截面的尺寸上等方面出现问题，可从以下几个方面采取措施。

①壁厚和壁薄部位不要连成一体，如果确实有必要，要作成组合式结构。

②适当开调整壁厚的工艺孔，使零件的冷却均匀。

③将盲孔改为通孔，便于冷却介质的流动。

④把实心的粗大圆柱状零件改为筒状。

⑤使截面的变化均匀，壁薄处加筋，或作成斜坡。

⑥壁厚不均匀处，尽可能改为均匀对称。

具体截面改进图例见图3-14。

棱角产生淬火裂纹的主要原因是缺口效应作用的结果，因此在实际的零件设计中应将尖角、棱边处加工成圆弧形，圆角半径如为15mm，则棱角效应可全部消除，半径为5mm时，可使尖角的影响减半，即使仅加工到半径为1mm，也比尖角强。这样可有效避免裂纹的发生。图3-15是表示对有棱角的零件的改进思路或解决方案。

从以上分析可知，有效防止淬火裂纹出现的措施有以下三点：改正零件不合理的形状；使零件的内外部分同时冷却生成马氏体组织；马氏体化的速度尽可能地慢，确保内外组织转变的一致性。零件的断面均匀、圆角过渡可有效避免产生应力集中，因此良好的设计要求截面厚度均匀，形状对称，平滑过渡和加开工艺孔等，对形状复杂、尺寸大、大型凹模等建议进行分级淬火、等温淬火等，可避免应力集中。

零件的形状对零件的淬火裂纹有直接的影响，具体见图3-16。对圆套或空心厚壁管等而言，淬火裂纹发生在内孔壁上。

（2）零件的材料和初始组织　正确选择零件用钢是十分重要的一步，其应满足零件的服役条件要求，具有较好的加工工艺性能、较好的经济性等，另外可确保热处理后容易达到设计性能要求，可防止开裂的倾向和减小零件的热处理变形。因此零件的材料是热处理过程中一切技术要求的根本，其质量的好坏直接决定了零件的使用寿命和工作状态，同时也会对零件的热处理工艺参数的确定带来很大的难度，原材料的质量决定了零件的热处理质量，因此原材料的入厂质量检验是十分重要的工作，不合格的原材料原则上不允许投产和使用，但如果在机械加工或其他工序中能够去掉或加以改善其质量缺陷，不影响零件的热处理和零件的具体使用等，也是可以使用的，但必须进行认真检查。下面将导致淬火裂纹的因素列于表3-9中。

钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。亚共析钢、共析钢的原始组织通常为粒状珠光体或马氏体组织，加热后形成更加饱和的奥氏体，而过共析钢为莱氏体组织，加热后内部的碳化物分布将十分均匀。原始组织中晶粒度细小、网状碳化物和共晶碳化物以及偏析符合材料的要求，则在加热和冷却过程中造成零件开裂的概率小。

对于钢中原始组织，如果存在碳化物不均匀（偏析）、化学成分不合格、组织不合格、原材料内部存在裂纹等，将会有可能在加热时造成过热或开裂，为此应当降低加热温度，尽可能地采用下限温度加热，必要时通过金相检查来确定合理的温度。另外需要特别注意的是需要重新淬火的零件，尤其是形状比较复杂、厚薄悬殊、合金元素多的零件，必须进行中间退火或正火处理，方可进行正常的热处理，否则将引起零件产生淬火裂纹，因此应引起热处理操作者的高度重视。另外零件表面严重粗化，形状复杂的大型锻件锻后不进行退火而直接进行淬火也容易产生淬火裂纹。需要注意的是含碳量在0.40%以上的碳钢是淬火危险的钢种，尤其是淬火时在330℃以下最容易发生淬火开裂，这一点应当引起热处理工作者的高度重视。

（3）淬火温度和加热时间等技术条件　为了使零件热处理后获得要求的硬度和组织，尤其片面追求高硬度，有时采用提高淬火加热温度或在淬火温度下长时间加热，零件加热不均造成奥氏体晶粒长大和变粗，使冷却后的组织强度降低，马氏体粗化，脆性增大，断裂强度降低，因此增大了零件开裂的概率。同时钢材的成分和淬火介质对淬火开裂的影响也不容忽视，因此从某种意义上讲出现淬火裂纹是各方面因素和质量缺陷综合作用的结果。另外淬火开裂与零件的淬火温度过高、加热不均匀等有一定的关系，因此严格控制加热温度、确保炉温的均匀性、合理放置零件等是热处理过程中应特别引起注意的几点，同时应遵循加热温度和时间的相互关系，必要时进行金相检验，以合理确定理想的热处理工艺参数。

因此尽量减少淬火硬化层的部位和程度，采用对零件进行局部硬化或调整局部的硬度，既能完成零件的热处理，又能避免零件的变形和开裂。如图3-17和图3-18所示。

热处理工艺的设计质量和现场的操作质量对零件的淬火开裂有十分重要的影响，因此应正确安排和实施冷热加工工艺，实现规范操作，确保加热和冷却质量。

零件截面尺寸较大，合金元素的含量较高，如高合金钢、高速钢、高铬合金钢等，由于本身具有较多的碳化物，因此导热性差，另外如果形状复杂，加热过度等，没有进行必要的预热措施或加热速度过快等，使加热过程中热应力增大势必造成零件的开裂，这一点务必注意。对于热处理后没有达到要求的返修件，如果未进行退火或正火处理而直接加热淬火，将会造成零件的二次淬火，增大了淬火开裂的倾向。

零件的加热没有根据零件材料的特点来进行合理的加热，加热温度高或加热速度快等，假如钢材的组织不良，造成零件表面和内部温差的增大，当淬火后内应力超过正断抗拉强度，零件将会出现开裂。

过热是一种常见的加热缺陷，通常表现为组织粗大、材料的性能降低，并成为淬火开裂的根源之一，低碳钢和低碳合金钢淬火后正常组织为呈有序排列的条状低碳马氏体，而过热后马氏体排列方向性明显，同时马氏体条粗大；中碳钢和中碳合金钢的正常淬火组织是条状马氏体＋少量片状马氏体，出现过热时则马氏体粗化，同时呈条束状分布。表3-10为45钢马氏体针长度与淬火加热温度的对应关系。

淬火温度过高，形成的裂纹会沿晶界分布，在显微组织中有过热的特征，此时粗大晶粒形成的马氏体呈针状，热应力和组织应力增大，当其超过钢的抗拉强度，就会引起零件开裂，这种情况多出现在高碳钢和高速钢的淬火中。一般认为，淬火温度高容易发生淬火裂纹，这主要跟钢的淬透性，即钢的淬透深度有关，通常淬火温度和淬火裂纹之间有一定的关系，一类为温度越高，产生淬火裂纹的概率增加（指小零件）；另一类为温度越高，产生裂纹概率降低（指大型零件）；最后一类为随钢淬火温度的升高而变化。需要注意的是零件的过热容易发生在薄壁处、尖端处以及锐角处等。过热淬火开裂的一个重要原因是晶粒长大，晶界强度降低，裂纹沿晶界分布。过热从温度上讲比正常淬火温度高100℃以上，过热容易发生在炉壁附近以及加热火焰的接触处，因此热处理现场出现工件的开裂，多是炉内温度分布不均匀造成的。发现过热应立即停止淬火，将工件取出炉外空冷，在火色消失后（约550℃左右）再加热至正常的淬火温度加热，此时应注意工件的尖端、锐角以及截面突变处，否则容易在该位置出现淬火裂纹。图3-19为45钢过热淬火后的显微组织，裂纹明显沿晶界分布，马氏体针比较粗大。

零件的加热过程中，在重视奥氏体化温度的同时，更要关注冷却方法，均匀的急冷可有效防止零件的开裂和弯曲，因此均匀搅拌冷却介质是实现零件获得要求的技术指标的重要条件之一。需要注意的是对于采用输送带型的冷却槽，其零件热处理后随着滑道送入淬火介质中后散落在输送带上，与输送带接触的下面部位冷却慢，而上面冷却快，因此造成冷却不均匀，容易引起淬裂或变形。针对此类问题可使冷却介质有足够的深度，使零件落在输送带前的温度已经低于M_s点，这样在输送带上不会出现高温的零件。关于冷却介质的搅拌有两种方式，一种是自槽底向上喷液，另一种是以螺旋桨自侧面搅拌。理想的状态是在热处理冷却槽内，当零件落入冷却介质的上面时，冷却介质自侧面横向流动为宜（自上而下则形成紊流，无法均匀冷却）。

（4）表面脱碳　零件在加热过程中，因为加热介质中存在氧化性气体，造成其表面发生氧化和脱碳，这将严重影响表面质量，如果脱碳层深在1.5～2mm，淬火后因内外组织成分的差异表面产生拉应力的作用，这是由于脱碳后表面形成的低碳马氏体的比容比心部金属小，将会产生表面裂纹。

高碳钢（指含碳量>0.5%以上）发生表面脱碳是最危险的，该类钢内部发生马氏体相变，有相当大的体积变化，造成零件的表面产生拉应力作用，更容易产生淬火裂纹。

一般而言，如果零件表面存在脱碳，就有发生淬火裂纹的可能，其原因在于脱碳层的马氏体的膨胀量小于母体的膨胀量，二者存在差异。事实上表面脱碳未必就会出现淬火裂纹，应根据表面脱碳层残余碳量的多少来确定，当残余碳量小于0.3%，则不会发生淬火裂纹。而当残余碳量高于0.4%，则容易出现淬火裂纹。渗碳可以防止开裂，其原因在于过共析钢（含碳量在0.85%～0.90%）使马氏体的膨胀量变大，在表面产生了压缩残余应力。

关于脱碳的问题要进行正确认识和分析，如果裂纹两侧的脱碳层中铁素体呈大晶粒并与裂纹近似垂直时，为热处理加热裂纹；如果铁素体作无规则的排列，则为锻造缺陷；如果没有进行锻造，则为原材料本身具有裂纹。40Cr制造的转子轴，经过锻造和淬火后发现裂纹，金相检查裂纹的两侧存在脱碳层，铁素体呈较大的柱状晶粒，晶界与裂纹基本垂直。由此可知此裂纹是在锻造过程中形成的，淬火加热中引起裂纹两侧的氧化脱碳，造成铁素体晶粒的形核。因此随着加热时间的延长，裂纹两侧的碳浓度降低，裂纹的开口向内部扩展，为铁素体的长大提供了便利条件。在实际热处理过程中，应对出现的裂纹进行正确分析和判断，才能指导零件的热处理工作。

（5）冷却介质、冷却速度和介质的温度　为了实现零件的热处理，根据材料和技术要求要合理选择冷却介质使钢材与淬火介质的冷却强度相适应。一般而言，淬火方法的选择是防止淬火开裂的基础，水冷比油冷危险，盐水比油冷危险，盐浴（包括碱浴、硝盐浴等）的开裂倾向较小。对必须采用冷却强烈的介质，如能淬火前在空气中预冷，则会收到较好的效果。因此理想的手段和措施是降低钢在马氏体相变区的冷却速度，在相变点区域以上快速冷却，在马氏体相变区缓慢冷却，确保零件内外温度的一致性，避免产生组织转变的不同时性。冷却介质应作到均匀冷却，必要时加搅拌器，目的是确保零件在淬火过程中介质温度的一致，淬火内应力的大小、类型和分布将直接影响淬火钢的组织形态。零件在获得50%M时，即在120～150℃会发生淬火裂纹，这可从钢的理想冷却曲线中找到原因，根据零件的材质选用盐浴淬火、等温淬火等。材料的相变点M_s=561-474×% C-33×%Mn-17×% Ni-21×%Mo（℃），在M_s点附近进行冷却则可避免零件的开裂。M_f=M_s-215±15℃，M_s点越低，则易于引起淬火开裂，而在M_s点以下快冷即水淬时间过长或分级淬火取出后立即进行清洗等，会直接造成零件的开裂。若M_s点下降8℃，淬火裂纹则为原来的6倍。因此对零件进行分级、等温淬火就是减少开裂的方式之一，通常的淬火介质有硝盐浴、碱浴、硝盐和碱的混合液，常见的盐浴分级或等温淬火的介质成分见表3-11。

需要注意的是上述介质配比不同则其温度的使用范围有较大差异。在实际热处理过程中，应根据工件的材质、技术要求、几何形状以及具体的组织和性能等合理选择淬火介质和冷却方法。从冷却设备的选择，到淬火工艺装备的应用，都应认真做好工艺验证工作，目的是确保工件淬火后的产品质量合格，降低或消除产品的变形和开裂，发挥出该材质的特性，满足零件的使用要求。

利用选择冷却介质来调整淬火应力的大小，零件自高温急冷下来产生较大的热应力，表层形成残余压应力，有利于防止淬裂；而在危险区产生相变应力，在零件的表面形成残余拉应力，则有利于淬火裂纹形成，因此是否发生淬火开裂取决于热应力和相变应力之和的大小和分布情况。

调整残余奥氏体的数量，有助于减少淬火裂纹的发生，如果工件淬火后存在5%～7%的残余奥氏体，它不会受外力而轻易改变，因而有缓冲作用，对于齿轮可使齿面间接触良好，用于轴承则有助于延长滚动寿命。由于残余奥氏体为软韧性相，在冷却过程中可很好地吸收马氏体形成时产生的畸变能，具有缓和相变应力的作用，因此，采用分级淬火、等温淬火或进行贝氏体淬火，可有效防止淬火裂纹的出现，也为零件的正确热处理提供了思路和方向。

碱浴和硝盐浴具有较大的冷却能力，淬火后的工件表面呈银灰色，洁净，如果加入水则可显著降低其熔点，提高冷却速度，水的具体加入量见表3-12。加水后冷却介质的冷却速度提高1倍以上，工件的硬度可提高1～2HRC，多用于进行贝氏体或马氏体的淬火或等温淬火。应当注意碱浴的缺点为有较强的腐蚀性，对皮肤有损伤，因此现场要加通风装置，炽热的工件浸入后，碱液会剧烈沸腾、飞溅。碱浴主要用于碳钢的淬火。

盐与碱、硝盐的混合液用于进行工件的淬火发蓝处理，可省去一道发黑或表面处理工序。其特点为处理后零件具有变形小、表面粗糙度好和有一定的抗锈蚀能力，多用于形状复杂、要求变形小的碳素工具钢、渗碳钢、工具钢和合金钢等淬火。

应当了解淬火的冷却速度与淬火裂纹的关系，对零件的快速冷却导致产生热应力，零件的外层为压应力，而内层为张应力（或拉应力），可以有效防止淬火裂纹的产生。但在组织转变的过程中（M_s～M_f），相变的应力增大，在该温度范围内，冷却速度越大，相变应力明显增加，也就容易出现淬火裂纹。

事实上任何零件的热处理过程都存在热应力和组织应力共同作用，其力的总和的正负决定了淬火零件是否发生淬火裂纹，具体见图3-20。从图中可知应力合成的结果为：在A或B区域内冷却速度过慢和过快应力均为负，而介于二者之间的应力为正，是淬火裂纹的发生区域。油冷不会产生裂纹，因此充分利用热应力来减少相变应力，是实现零件无淬火裂纹的重要方法。

另外，为防止出现淬火裂纹，在零件冷却到接近M_s以上取出进行缓冷，即一般淬火到230℃左右提出空冷，是十分适宜的。此断续淬火将淬火裂纹发生的概率降为零，但应注意合理控制冷却速度，改变冷却速度的温度是在稍高于M_s点，否则反而会诱发淬火裂纹的产生。

水是常见的淬火介质，水的温度、零件的直径与淬火裂纹有一定的关系，直径越大和水温越低则愈难发生淬火裂纹，其原因在于水的温度升高，热应力减小，相变应力增加；直径增加则为有芯淬火，表面呈现压应力的作用，故不会造成淬火裂纹的出现。图3-21为水温、零件直径与淬火裂纹的关系，以及裂纹的形状。

淬火裂纹发生的时间并不是在淬火的瞬间发生的，是在其M_s点以下冷透时出现的。低温开裂的原因为自奥氏体化温度快速冷却而收缩的过冷奥氏体，在M_s点得到马氏体组织后体积膨胀，这种过分激烈的转变，最终造成淬火的开裂。图3-22表示钢的加热、淬火引起长度的变化曲线。

零件的冷却方法除上述外，根据零件的形状和技术要求，还可采用浸渍淬火、喷射淬火、压缩空气淬火等，但应注意的是要考虑尽可能地消除对零件的开裂和变形的影响，从而确保零件的热处理质量。

（6）残余奥氏体和回火的影响　残余奥氏体是零件冷却结束后存在的一种不稳定的组织，其余量随在M_s点区域的冷却速度的不同存在差异，因此在此温度缓慢冷却，则过冷奥氏体得到稳定化，含量增加。由于过冷奥氏体是一种软而韧的组织，其含量多则能吸收M_s造成的急剧膨胀等，缓和了相变应力，因此防止了淬火裂纹的发生。

零件的回火是确保尺寸稳定，获得要求的组织、硬度和力学性能的重要热处理工艺，在回火过程中要发生一系列的组织结构的变化，它消除了内部的热应力和组织应力的作用，零件微观内应力和宏观内应力会随之消除，淬火显微裂纹也会焊合等，减少了四方马氏体的晶格。另外碳化物的形成和残余奥氏体的转变，将会产生新的内应力，零件内应力可能会发生重新分布。如果回火不充分（温度过低、时间短、淬火后未及时回火等）、回火加热速度快或冷却速度过快等，组织的转变没有完成，不仅尺寸难以保障，更有可能造成零件的变形和开裂。高速钢制造的大型刀具，如回火不及时或不充分，极易发生开裂现象，造成零件的报废。

分析淬火开裂的零件，开裂绝大部分是在从冷却介质中取出空冷过程中出现的，在放置过程中一部分尚未转变的残余奥氏体继续向马氏体转变，也是淬火过程的继续。因此零件的内部组织转变应力增加，造成零件的淬火开裂。同时也应看到淬火内应力在放置过程中也会减小、重新分布，有可能在应力集中的部位出现开裂。因此及时回火既可降低淬火过程中产生的内应力，又能提高零件的破断强度，可有效避免零件的开裂。淬火后如来不及回火，最基本的原则是要将零件放在100℃的热水中保温，也可防止零件的开裂。

关于回火加热速度的问题，需要注意淬火马氏体组织在100℃和300℃有两次收缩现象，而在以后的加热过程中则不会再次收缩，如图3-23所示，即缓慢加热到300℃，不会有裂纹的产生。另外从工艺上来讲，采取断续淬火（余热200℃左右）和分级淬火，以及立即回火同样可起到降低裂纹出现的概率的作用。

（7）零件淬火前各工序对淬火裂纹的影响　对大型零件进行正确的锻造，有利于消除冶金缺陷（如偏析、疏松、夹杂物和发纹等），降低裂纹发生的概率。高速钢的碳化物不均匀性差，采用重新改锻，在1100～1150℃加热、镦粗、拔长反复成形；均匀加热，采取轻锤快打，逐渐加大加压量。高碳钢锻造后冷却不良，将出现网状碳化物。

零件的预先热处理是为最终的热处理做好组织上的准备，一般有正火、退火、调质处理和球化退火等，对于要求十分严格的零件应在粗加工和精加工之间加上除应力退火处理，要根据零件的具体要求来选用热处理设备、加热速度和加热温度等，要充分考虑到零件的过热对性能的影响等。对中碳钢、高碳钢等的预备热处理时要特别注意，制作的高速钢冲模采用亚温淬火，保持一定的韧性和硬度，明显提高了冲头的使用寿命。同时缩短保温时间也是防止淬火裂纹发生的一种措施。

3.3.5　导致淬火零件裂纹的淬后加工

淬火零件在淬火后要进行表面的加工处理，才能满足零件的实际工作需要。按处理的性质分为热加工、机械加工和化学加工等，零件淬火后的加工不当将导致裂纹的形成，表3-13列出了淬火后加工因素对淬火裂纹的具体影响。