[科普中國]-內(nèi)裂

簡介

通常人們把未延伸至表面的內(nèi)部斷裂統(tǒng)稱為“內(nèi)裂”。內(nèi)裂大多發(fā)生在鋼錠開坯鍛造及鋼材軋制過程中以及澆注鋼錠冷凝時應(yīng)力產(chǎn)生的過程中。內(nèi)裂一般都產(chǎn)生在低倍組織不理想的中心部位，因為鋼材中心是碳化物偏析、疏松、夾雜等最容易集中的地方，致密程度差，機(jī)械強(qiáng)度低，截面越大越嚴(yán)重。所以在鍛造或軋制時容易產(chǎn)生內(nèi)裂（右圖圖a），有時，大截面的鋼材由于加熱不透，中心塑性很低，在隨后的鍛軋過程中也會造成內(nèi)裂（右圖圖b）。

有內(nèi)裂的鋼材，在加熱及鍛造時由于應(yīng)力集中，會使中心裂紋擴(kuò)大。圖c為W18Cr4V鋼材因存在內(nèi)裂（左），經(jīng)鍛造后中心嚴(yán)重開裂（右）。

具有內(nèi)裂的鋼材，不僅造成鍛造廢品，往往也因檢查不嚴(yán)制成產(chǎn)品后使產(chǎn)品報廢。

W18Cr4V鋼制成的多鍵拉刀，熱處理后發(fā)現(xiàn)縱向裂紋，斷口檢查，原材料存在內(nèi)裂，裂紋在熱處理時向表面擴(kuò)展。下圖1為多鍵拉刀橫斷面，下圖2為多鍵拉刀縱斷面。所以，在生產(chǎn)中對材料要嚴(yán)格檢查，發(fā)現(xiàn)有內(nèi)裂的鋼材不能投入生產(chǎn)。1

內(nèi)裂的產(chǎn)生原因熱處理應(yīng)力型大型工件的內(nèi)裂主要是由熱處理應(yīng)力引起的，我們稱它為“熱應(yīng)力型內(nèi)裂”。由于無損探傷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對于內(nèi)裂等嚴(yán)重缺陷的檢測有了一定的手段，但內(nèi)裂還是時常漏檢，由此造成的突然斷裂也時有發(fā)生。因此，研究熱應(yīng)力型內(nèi)裂的成因，尋求預(yù)防熱應(yīng)力型內(nèi)裂產(chǎn)生的措施，是十分必要的。

熱應(yīng)力型內(nèi)裂多出現(xiàn)在熱處理過的大型軸類鍛件中，在大型鑄鋼件中，在方形截面的零件以及大型齒圈中也有時出現(xiàn)。在軸類鍛件中有縱向內(nèi)裂和橫向內(nèi)裂之分，其裂紋特點是彎彎曲曲，一般不延伸至工件表面。其剖面形態(tài)如下圖所示。

工件之所以產(chǎn)生內(nèi)裂及斷裂，是由于材料所承受的應(yīng)力超過了材料本身的破斷抗力。因此，我們的分析也必須從熱處理淬火和加熱時的應(yīng)力及材料的強(qiáng)度和塑性兩方面考慮。

大型工件熱處理淬火過程中的應(yīng)力，主要由三種應(yīng)力組成，即熱應(yīng)力、組織應(yīng)力以及由于截面上轉(zhuǎn)變組織的比體積不同引起的應(yīng)力。下面我們分別加以討論。

熱應(yīng)力是熱處理過程中，工件表面和中心或薄和厚之間，由于加熱或冷卻速度不一，導(dǎo)致體積膨脹或收縮不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

一個尺寸一定的圓形工件，從高溫快速冷卻，表面冷卻快，心部冷卻慢，內(nèi)外之間存在較大的溫差。由于表面先冷卻要收縮，仍然處于較高溫度的心部將阻止它的收縮，所以心部使表面受拉，相反表面使心部受壓，這種應(yīng)力隨著工件內(nèi)外溫差的加大而增加。但是鋼在高溫塑性階段屈服點低，塑性變形后應(yīng)力將得到松弛，這時的熱應(yīng)力不可能很大。當(dāng)外部先進(jìn)入彈性階段形成冷硬外殼后，將不允許按照心部需要收縮的要求改變?nèi)莘e和形狀，對心部的收縮將起阻礙作用。這時工件中的熱應(yīng)力分布將發(fā)生改變，表面由原來的受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌海牟縿t由受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，而且隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行而不斷增大。這就形成了殘余熱應(yīng)力。

組織應(yīng)力是鋼在淬火冷卻時，由于表面冷卻得快先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（膨脹），中心或冷卻較慢的部分后發(fā)生轉(zhuǎn)變（亦膨脹），從而造成體積轉(zhuǎn)變的不等時性所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。仍以圓形工件為例，當(dāng)淬火時，它從高溫急冷，表面先發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（膨脹），未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的心部將阻礙其膨脹，因而表面受壓，心部受拉。由于這時心部溫度較高而且處于奧氏體狀態(tài)，塑性較好，將發(fā)生不均勻的塑性變形使應(yīng)力松弛。

繼續(xù)冷卻，當(dāng)心部也開始轉(zhuǎn)變并體積膨脹時，由于表面已形成彈性的外殼，將阻礙它的膨脹，應(yīng)力反轉(zhuǎn)為心部受壓，表面受拉形成殘余組織應(yīng)力。

由于組織轉(zhuǎn)變的比體積不同，以及在隨后冷卻過程中殘留奧氏體的分解，便形成了表面馬氏體層受壓，心部受拉的殘余應(yīng)力。

大型工件淬火后的殘余應(yīng)力主要是三種應(yīng)力的疊加。它的淬火應(yīng)力屬熱應(yīng)力型的，其最大拉應(yīng)力峰值位于圓形截面的中心區(qū)或壁厚的處。

下圖是文獻(xiàn)介紹的聲150mm碳鋼在未淬透情況下的殘余應(yīng)力曲線。從圖中看出，內(nèi)應(yīng)力的分布是熱應(yīng)力型的，中心拉應(yīng)力達(dá)到最大值，并且軸向拉應(yīng)力大于切向與徑向拉應(yīng)力。這就是大型工件在淬火內(nèi)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生橫向內(nèi)裂的原因。

由于大型上件在淬火后的特殊應(yīng)力分布，加之表面的淬硬層有較高的強(qiáng)度，所以從心部拉應(yīng)力峰值區(qū)開始的斷裂，若延伸至表面比較困難，從而形成內(nèi)裂。2

鍛造方法型內(nèi)裂這種缺陷容易產(chǎn)生在加工溫度過低，一次變形量過大，以及加工過程中工件截面形狀不當(dāng)?shù)惹闆r下。下圖表示加工過程中截面形狀不當(dāng)時，內(nèi)裂的形成機(jī)理。由方料自由鍛造成圓棒時，如果采用（a）那樣的方法鍛造，不會引起內(nèi)裂，但若用（b）所示的方法鍛造，就會在鋼材內(nèi)部引起剪切應(yīng)力而導(dǎo)致內(nèi)裂。

由于這個原因，內(nèi)裂大多出現(xiàn)在自由鍛材中，在軋材中幾乎不會產(chǎn)生這種缺陷。3

熱處理應(yīng)力型內(nèi)裂的預(yù)防熱應(yīng)力型內(nèi)裂產(chǎn)生的主要原因是工件淬火時的殘余應(yīng)力，材料中的缺陷是引起開裂的輔助原因。為了預(yù)防內(nèi)裂及斷裂的發(fā)生，主要應(yīng)從降低心部拉應(yīng)力和提高材料破斷抗力兩方面加以考慮。

1.適當(dāng)降低淬火溫度，可以減少熱應(yīng)力，對防止內(nèi)裂有利。因為淬火溫度越高，熱應(yīng)力越大，同時，加熱溫度過高也會使奧氏體晶粒粗化，使材料強(qiáng)度降低。工件出爐后淬火前適當(dāng)預(yù)冷，也對減小熱應(yīng)力預(yù)防內(nèi)裂有利。

2.淬火時，注意工件的均勻冷卻。

3.及時回火是預(yù)防內(nèi)裂的有效措施。淬火后不及時回火導(dǎo)致殘余應(yīng)力加劇，并且隨著時間的延長，表層的殘留奧氏體繼續(xù)分解，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部的拉應(yīng)力。因此，大鍛件特別是合金鋼大鍛件，淬火后必須及時回火。

4.控制加熱升溫速度十分重要，快速加熱會導(dǎo)致內(nèi)外溫差加劇，熱應(yīng)力增大。特別是含碳與合金元素高的大型鍛件，低溫階段的升溫速度要嚴(yán)加控制。一般說來，大鍛件在低溫階段的升溫速度要控制在30~70℃/h?；鼗鸺訜釙r，因工件有很大的殘余應(yīng)力，升溫時更要注意。

5.減少材料中的缺陷，提高材料本身的強(qiáng)度對防止淬裂也很重要。為了提高材料本身的強(qiáng)度，對于晶粒粗大的工件，可先進(jìn)行一次正火，以便細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。

6.帶有內(nèi)孔的大型工件淬火時，內(nèi)孔同時冷卻對防止淬裂有利。在調(diào)質(zhì)熱處理聲640mm×1100mm（帶有Φ380mm盲孔）40Cr鋼叉頭時，由于吊裝時盲孔朝下，盲孔內(nèi)壁得不到充分冷卻，致使4個工件全部在盲孔底部產(chǎn)生裂紋。后來改用盲孔朝上吊裝，孔內(nèi)冷卻條件改善，本批處理的6件全部合格。2