斷裂機(jī)理及淬火裂紋

斷裂失效簡介10/10/20231（1）按斷裂的應(yīng)力類型及斷面的宏觀取向與應(yīng)力相對位置分類a.正斷：當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的正應(yīng)力分量超出材料的正斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷面垂直于正應(yīng)力或最大的拉伸應(yīng)變方向。b.切斷：當(dāng)外加作用力引起構(gòu)件的切應(yīng)力超出材料在滑移面上的切斷抗力時發(fā)生的斷裂。斷裂面平行于最大切應(yīng)力或最大切應(yīng)變方向，與最大正應(yīng)力約成45度角。正斷可能是脆性也可能是韌性的，切斷一般是韌性的。斷裂分類10/10/20232（2）按斷裂過程中裂紋擴(kuò)展的途徑分類a.沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴(kuò)展至斷裂。當(dāng)晶界上存在脆性相、焊接裂紋、蠕變斷裂、應(yīng)力腐蝕等一般是沿晶斷裂。沿晶斷裂多屬脆性斷裂。b.穿晶斷裂：裂紋的萌生和擴(kuò)展穿過晶粒內(nèi)部的斷裂。穿晶斷裂能夠是脆性斷裂，也能夠是韌性的。c.混晶斷裂：在多晶體金屬材料的斷裂過程中，多數(shù)是既有穿晶型也有晶間的混晶斷裂。斷裂分類10/10/20233（3）按負(fù)荷的性質(zhì)及應(yīng)力的產(chǎn)生的原因分類a.疲勞斷裂：材料在交變負(fù)荷下發(fā)生的斷裂。b.環(huán)境斷裂：材料在環(huán)境作用下引起的低應(yīng)力斷裂。涉及應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂。斷裂分類10/10/20234（4）按微觀斷裂機(jī)制分類a.解理斷裂：在正應(yīng)力（拉力）作用下，裂紋沿特定的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展而造成的穿晶脆斷，但有時也可沿滑移面或?qū)\晶界分離。b.韌窩斷裂：在外力作用下因微孔匯集相互連通而造成的斷裂。斷裂分類10/10/20235斷裂分類c.疲勞斷裂：在交變應(yīng)力作用下以疲勞輝紋為標(biāo)志的斷裂。d.蠕變斷裂：材料在一定溫度下，恒載一定時間產(chǎn)生累進(jìn)式形變而造成的斷裂。e.結(jié)合力弱化斷裂：裂紋沿著因為多種原因而引起的結(jié)合力弱化所造成的脆弱區(qū)域擴(kuò)展而形成的斷裂。10/10/20236脆性斷裂和韌性斷裂10/10/20237韌性斷裂的斷口形貌1）宏觀斷口三個區(qū)域：凹凸不平暗灰色且無光澤的纖維區(qū)、放射線紋理的灰色有光放射區(qū)和平滑絲光的亮灰色剪切唇區(qū)。10/10/20238纖維區(qū)：位于杯底和錐頂?shù)闹行牟课?，宏觀斷面與主應(yīng)力相垂直，斷面粗糙不平，由無數(shù)纖維狀“小峰”構(gòu)成，“小峰”的小斜面和拉伸軸線大約成45度角。纖維區(qū)是材料內(nèi)部處于平面應(yīng)變?nèi)驊?yīng)力作用下啟裂，在試樣中心形成諸多小裂紋緩慢擴(kuò)展而形成的。放射區(qū)：顯示出平行于裂紋擴(kuò)展的放射線狀的紋理，因為中心裂紋向周圍放射狀迅速擴(kuò)展的成果。剪切唇：裂紋擴(kuò)展到試樣的表面附近時，因為剩余厚度很小（平面應(yīng)力狀態(tài)），外圍部分剪切斷裂，斷裂面沿最大切應(yīng)力面與拉伸軸成45度角。10/10/20239根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇的百分比能夠初步評價材料的性能。如纖維區(qū)比較大，材料的塑性和韌性比很好，放射區(qū)比較大則材料的塑性降低，脆性增大。2）微觀斷口：正斷和切斷，其微觀形貌相應(yīng)為微孔匯集型的韌窩把戲和純剪切的蛇行把戲1、韌窩韌性斷裂斷口的微觀形貌呈韌窩狀，窩的中心有夾雜物或第二相質(zhì)點。韌窩的形成實際上是第二相質(zhì)子周圍產(chǎn)生的顯微空穴，隨材料塑變擴(kuò)大后，使各空穴連結(jié)，最后形成韌窩狀。10/10/202310韌窩的分類：等軸韌窩、剪切韌窩、撕裂韌窩。10/10/202311A等軸韌窩在正應(yīng)力的均勻作用下，顯微孔洞沿三個方向上的長大速度相同。出目前杯錐底部和錐形頂部。B剪切韌窩在切應(yīng)力的作用下，塑性變形使顯微孔洞沿切應(yīng)力方向的長大速度達(dá)成最大，同步，顯微孔被拉長，形成拋物線狀或半橢圓狀的韌窩，兩個匹配面上的韌窩朝相反方向，常在拉伸斷口的剪切唇區(qū)觀察到。10/10/202312C撕裂韌窩撕裂應(yīng)力作用下出現(xiàn)伸長的或拋物線狀的韌窩，兩個匹配面朝者相同方向。韌窩的方向指向裂紋源，與剪切韌窩在形貌上沒有區(qū)別，只是凸向不同，剪切凸向相反，，撕裂韌窩凸向相同。10/10/202313蛇行把戲某些金屬材料（雜質(zhì)少）在較大的塑性變形后，沿滑移面剪切分離，因位向不同的晶粒之間的相互約束和牽制，不可能僅僅沿某一種滑移面滑移，而是沿著許多相互交叉的滑移面滑移，形成起伏彎曲的條紋形貌。10/10/202314產(chǎn)生韌性斷裂的影響原因及預(yù)防措施原因：材料強(qiáng)度不足，如構(gòu)件受到較大的載荷或過載、局部應(yīng)力集中檔。預(yù)防的措施：1）充分考慮構(gòu)件的承載能力，在可能的情況下設(shè)計變形限位裝置或增長變形保護(hù)系統(tǒng)，盡量使塑性變形不要發(fā)展為斷裂。2）操作時保持儀表完好的狀態(tài)，精確顯示操作工況。3）嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，禁止超載、超溫、超速。4）隨時注意有無異常變形。5）定時測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起的壁厚減薄的工況。10/10/202315脆性斷裂1脆性斷裂的特征工作應(yīng)力不高，低于材料的屈服點，甚至低于設(shè)計的許用應(yīng)力。“低應(yīng)力脆性斷裂”中低強(qiáng)度鋼的脆性斷裂往往發(fā)生在比較低的溫度條件下。“低溫脆性斷裂”從金屬構(gòu)件的內(nèi)部存在的裂紋作為裂紋源，裂紋一旦產(chǎn)生常造成劫難性的總崩潰。無明顯先兆，難以覺察。脆性斷裂一般在體心立方和密排六方金屬材料中出現(xiàn)，而面心立方金屬材料只有在特定的條件下才會出現(xiàn)脆性斷裂。10/10/202316脆性斷口的形貌A.宏觀形貌：大多數(shù)是穿晶解理型，具有兩個明顯特征：小刻面：多晶體金屬材料的解理斷口，因為每個晶體的取向不同，所以其解理面與斷裂面所取的位向也就不相同。若把斷口放在手中旋轉(zhuǎn)時，將閃閃發(fā)光，向存在許多鏡面似的。人字條紋或山行條紋：人字或山形條紋由細(xì)變粗的方向為裂紋擴(kuò)展的方向。相反方向為裂紋起點。10/10/202317斷口的微觀形貌一般為解理特征，不同的解理斷口具有不同的形貌：鐵素體的解理斷口呈河流條紋、舌狀把戲；珠光體的解理斷口呈不連續(xù)片層狀；馬氏體的解理斷口由許多細(xì)小的解理面構(gòu)成，可觀察到針狀刻面。幾乎全部的解理斷口上都有二次裂紋。河流條紋：脆性解理斷裂的電子顯微斷口形態(tài)的一種特征是呈現(xiàn)河流把戲。10/10/20231810/10/202319脆性斷裂的影響原因A、應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng)：應(yīng)力狀態(tài)指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。最大切應(yīng)力增進(jìn)塑性滑移的發(fā)展，是位錯移動的推動力，它對形變和斷裂的發(fā)生及發(fā)展過程都產(chǎn)生影響；最大拉伸應(yīng)力則只增進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展。B、溫度許多脆斷事故多發(fā)生在低溫條件下，脆性斷裂源是產(chǎn)生于缺陷附近區(qū)域。低溫下造成脆斷是因為溫度變化引起材料本身的性能變化。10/10/202320C、尺寸效應(yīng)隨鋼板厚度增長，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，鋼材缺口脆性增長。D、焊接質(zhì)量焊接構(gòu)件的脆斷主要決定于工作溫度、缺陷尺寸、應(yīng)力狀態(tài)、材料本身韌性及焊接影響原因等。焊接缺陷的存在對焊接構(gòu)件的脆斷起著主要作用。10/10/202321E、工作介質(zhì)金屬構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)中，受應(yīng)力（尤其拉應(yīng)力）作用同步又有電化學(xué)腐蝕時，極易造成早期脆性斷裂。F、材料和組織原因脆性材料、缺口敏感性大的材料、劣等冶金質(zhì)量以及不良熱處理等均能增進(jìn)脆性斷裂的發(fā)生。10/10/202322預(yù)防脆性斷裂的途徑合理的選材、設(shè)計與制造：材料的斷裂韌性水平、構(gòu)件的最低的工作溫度和應(yīng)力狀態(tài)，承受的載荷類型以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)。10/10/2023231、淬火目的：強(qiáng)化鋼件，取得M。2、淬火裂紋：在淬火過程中或在淬火后的室溫放置過程中產(chǎn)生的裂紋。后者又叫時效裂紋。造成淬火開裂的原因諸多，在分析淬火裂紋時，應(yīng)根據(jù)裂紋特征加以辨別。淬火裂紋10/10/202324淬火裂紋的特征在淬火過程中，當(dāng)淬火產(chǎn)生的巨大應(yīng)力不小于材料本身的強(qiáng)度并超出塑性變形極限時，便會造成裂紋產(chǎn)生。淬火裂紋往往是在馬氏體轉(zhuǎn)變開始進(jìn)行后不久產(chǎn)生的，裂紋的分布則沒有一定的規(guī)律，但一般輕易在工件的尖角、截面突變處形成。在顯微鏡下觀察到的淬火開裂，可能是沿晶開裂，也可能是穿晶開裂；有的呈放射狀，也有的呈單獨(dú)線條狀或呈網(wǎng)狀。因在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷卻過快而引起的淬火裂紋，往往是穿晶分布，而且裂紋較直，周圍沒有分枝的小裂紋。因淬火加熱溫度過高而引起的淬火裂紋，都是沿晶分布，裂紋尾端尖細(xì)，并呈現(xiàn)過熱特征：構(gòu)造鋼中可觀察到粗針狀馬氏體；工具鋼中可觀察到共晶或角狀碳化物。表面脫碳的高碳鋼工件，淬火后輕易形成網(wǎng)狀裂紋。這是因為，表面脫碳層在淬火冷卻時的體積脹比未脫碳的心部小，表面材料受心部膨脹的作用而被拉裂呈網(wǎng)狀。10/10/202325淬火產(chǎn)生的淬火裂紋疲勞裂紋起源于淬火裂紋10/10/202326宏觀形態(tài)1、縱向裂紋多半產(chǎn)生在淬透的鋼件上，表層的切向拉應(yīng)力不小于軸向拉應(yīng)力時才干出現(xiàn)。這種裂紋沿軸向分布，由表面裂向心部2、橫向裂紋它是在工件未淬透的情況下，產(chǎn)生于淬透層與未淬透的心部之間的過渡區(qū)。內(nèi)應(yīng)力特征是表面受壓，距離表面一定距離處壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，軸向拉應(yīng)力最大，產(chǎn)生的是橫向裂紋3、應(yīng)力集中裂紋零件上具有夾角、切口、凹槽的部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中。再加上淬火冷卻時的不均勻，常易在這些部位引起裂紋。這種裂紋沒有固定的形態(tài)特征。4、網(wǎng)狀裂紋它是一種表面裂紋，其深度較淺，一般在0.01-2mm范圍內(nèi)，裂紋呈任意方向，形成網(wǎng)狀。高碳鋼工件表面脫碳后，其馬氏體比容較小，從而在表面形成拉應(yīng)力，造成網(wǎng)狀裂紋5、剝離裂紋產(chǎn)生在應(yīng)力急劇過渡的極薄區(qū)域內(nèi)，潛伏在平行于表面的內(nèi)部裂紋嚴(yán)重擴(kuò)展時造成表面剝落10/10/20232710/10/202328三、淬火裂紋原因A、冶金原因：（1）材料質(zhì)量：冶金缺陷擴(kuò)展成淬火裂紋。（2）、化學(xué)成份：①、碳量超高，傾向越大。②、合金元素：雙向作用。（3）、原始組織：粗大組織或魏氏組織傾向大。球狀組織傾向小。10/10/202329B、零件尺寸和構(gòu)造：（1）、截面尺寸過大或過小不易淬裂。（2）、截面突變處：淬裂傾向大。C、工藝原因：（1）、加熱：加熱溫度升高，淬裂傾向大；保溫時間長，傾向大；加熱爐（選用真空或電爐）。（2）、冷卻：Ms點以上冷卻時不易淬裂，在Ms點如下時易淬裂（但若緩慢冷卻，也不易淬裂）。預(yù)防淬裂措施：M等溫淬火、分級淬火、水-油淬火、水－空氣雙液淬火。10/10/202330預(yù)防淬火裂紋的措施A、正確設(shè)計產(chǎn)品。（1）技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。（2）構(gòu)造設(shè)計：①截面尺寸均勻；②圓角過渡；③形狀：球形冷卻快于板料。（3）熱處理條件10/10/202331B、合理安排工藝路線（1）、形狀復(fù)雜精度高的零件，粗精加工之間的淬火前應(yīng)安排去應(yīng)力退火。（2）、大截面零件（直徑或厚度＞50）的高碳鋼：淬火前正火。小截面高碳鋼件淬火前應(yīng)球化退火。（3）、淬火前應(yīng)消除亞共析鋼的魏氏組織。（4）、高鉻鋼、軸承鋼和高速鋼：防止偏析，嚴(yán)重時應(yīng)降低淬火溫度。10/10/202332C、加熱參數(shù)合理：（1）、介質(zhì)：真空、保護(hù)氣氛、電阻、鹽浴、火焰爐淬裂傾向逐漸增大。（2）、加熱速度：對碳素鋼、低合金鋼和中合金鋼可較迅速度加熱；對高碳高合金鋼要合適；對大、復(fù)雜的高錳鋼、不銹鋼、高速鋼和高碳合金鋼采用限制加熱速度或預(yù)熱法。10/10/202333（3）淬火加熱溫度：一般合金鋼為Ac1或Ac3+(30-50)℃，亞共析鋼為Ac3+(30-50)℃，過共析鋼為Ac1+(30-50)℃。（亞溫或高溫）加熱時間按：t=a*d（加熱系數(shù)＊有效厚度）計算（4）保溫時間：經(jīng)驗公式為

t=α＊K＊D（有效厚度）

對于高合金鋼等加熱保溫時間要延長。10/10/202334D、淬火措施合適：

應(yīng)選擇增長熱應(yīng)力、降低相變應(yīng)力的淬火方式。（1）預(yù)冷淬火（降溫淬火或延遲淬火）。（2）多介質(zhì)淬火：

①雙介質(zhì)淬火：先強(qiáng)冷后弱冷，如水－油、水－空、鹽水－油、油－空氣、堿－空氣。②三介質(zhì)淬火：合用于形狀復(fù)雜、變形要求嚴(yán)格的零件如碳素鋼零件。10/10/202335（3）分級淬火：快冷至Ms點上保溫后空冷。如截面大、易變形開裂的高碳、高速鋼等，應(yīng)采用2次或3次的逐層分級淬火。（4）馬氏體等溫淬火：冷卻至Ms點下50－100度等溫保持。一般用油淬。（5）薄殼淬火：即表層淬火。（6）間斷淬火：水－空－水－空－水冷至室溫。另外還有淺冷淬火和局部淬火。10/10/202336E、淬火介質(zhì)合適：水：簡樸碳鋼件或低淬透性零件。鹽水：冷速比水快，但開裂傾向不不小于水。堿水：與油相同，用于淬透性較差的碳鋼件，變形小、開裂小。油：有一般、迅速、等溫油。聚合物溶液：有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。F、其他措施：及時回火。局部包扎。10/10/202337模具鋼熱處理常見淬火裂紋列舉10/10/2023381、縱向裂紋裂紋呈軸向，形狀細(xì)而長。當(dāng)模具完全淬透即無心淬火時，心部轉(zhuǎn)變?yōu)楸热葑畲蟮拇慊瘃R氏體，產(chǎn)生切向拉應(yīng)力，模具鋼的含碳量愈高，產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力愈大，當(dāng)拉應(yīng)力不小于該鋼強(qiáng)度極限時造成縱向裂紋形成。如下原因又加劇了縱向裂紋的產(chǎn)生：(1)鋼中具有較多S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì)，鋼錠軋制時沿軋制方向呈縱向嚴(yán)重偏析分布，易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成縱向淬火裂紋或原材料軋制后快冷形成的縱向裂紋未加工掉保存在產(chǎn)品中造成最終淬火裂紋擴(kuò)大形成縱向裂紋；(2)模具尺寸在鋼的淬裂敏感尺寸范圍內(nèi)(碳工具鋼淬裂危險尺寸為8-15mm，中低合金鋼危險尺寸25-40mm)或選擇的淬火冷卻介質(zhì)大大超出該鋼的臨界淬火冷卻速度時均易形成縱向裂紋。10/10/2023392、橫向裂紋

裂紋特征是垂直于軸向。未淬透模具，在淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)過渡部分存在大的拉應(yīng)力峰值，大型模具迅速冷卻時易形成大的拉應(yīng)力峰值，因形成的軸向應(yīng)力不小于切向應(yīng)力，造成產(chǎn)生橫向裂紋。鑄造模塊中S、P、Sb、Bi、Pb、Sn、As等低熔點有害雜質(zhì)的橫向偏析或模塊存在橫向顯微裂紋，淬火后經(jīng)擴(kuò)展形成橫向裂紋。10/10/2023403、弧狀裂紋常發(fā)生在模具棱角、凸臺、刀紋、尖角、直角、缺口、孔穴、凹模接線飛邊等形狀突變處。這是因為，淬火時棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力是平滑表面平均應(yīng)力的10倍。另外:(1)鋼中含碳(C)量和合金元素含量愈高，鋼Ms點愈低，Ms點降低2℃，則淬裂紋傾向增長1.2倍，Ms點降低8℃，淬裂傾向則增長8倍；(2)鋼中不同組織轉(zhuǎn)變和相同組織轉(zhuǎn)變不同步性，因為不同組織比容差，造成巨大組織應(yīng)力，造成組織交界處形成弧狀裂紋；(3)淬火后未及時回火，或回火不充分，鋼中殘余奧氏體未充分轉(zhuǎn)變，保存在使用狀態(tài)中，促使應(yīng)力重新分布，或模具服役時殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相變產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)綜合應(yīng)力不小于該鋼強(qiáng)度極限時便形成弧狀裂紋；(4)具有第二類回火脆性鋼，淬火后高溫回火緩冷，造成鋼中P、S等有害雜質(zhì)化合物沿晶界析出，大大降低晶界結(jié)合力和強(qiáng)韌性，增長脆性，服役時在外力作用下形成弧狀裂紋。。10/10/2023414、網(wǎng)狀裂紋

裂紋深度較淺，一般深約0.01～1.5mm，呈輻射狀，別名龜裂。原因主要有：(1)原材料有較深脫碳層，冷卻削加工未清除，或成品模具在氧化氣氛爐中加熱造成氧化脫碳；(2)模具脫碳表層金屬組織與鋼基體馬氏體含碳量不同，比容不同，鋼脫碳表層淬火時產(chǎn)生大的拉應(yīng)力，所以，表層金屬往往沿晶界被拉裂成網(wǎng)狀；(3)原材料是粗晶粒鋼，原始組織粗大，存在大塊狀鐵素體，常規(guī)淬火無法消除，保存在淬火組織中，或控溫不準(zhǔn)，儀表失靈，發(fā)生組織過熱，甚至過燒，晶粒粗化，失去晶界結(jié)合力，模具淬火冷卻時鋼的碳化物沿奧氏體晶界析出，晶界強(qiáng)度大大降低，韌性差，脆性大，在拉應(yīng)力作用下沿晶界呈網(wǎng)狀裂開。10/10/2023425、冷處理裂紋模具鋼多為中、高碳合金鋼，淬火后還有部分過冷奧氏體未轉(zhuǎn)變成馬氏體，保存在使用狀態(tài)中成為殘余奧氏體，影響使用性能。若置于零度如下繼續(xù)冷卻，能促使殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以，冷處理的實質(zhì)是淬火繼續(xù)。室溫下淬火應(yīng)力和零度下淬火應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加應(yīng)力超出該材料強(qiáng)度極限時便形成冷處理裂紋。10/10/2023436、磨削裂紋常發(fā)生在模具成品淬火、回火后磨削冷加工過程中，多數(shù)形成的微細(xì)裂紋與磨削方向垂直，深約0.05-1.0mm。原因:(1)原材料預(yù)處理不當(dāng)，未能充分消除原材料塊狀、網(wǎng)狀、帶狀碳化物和發(fā)生嚴(yán)重脫碳；(2)最終淬火加熱溫度過高，發(fā)生過熱，晶粒粗大，生成較多殘余奧氏體；(3)在磨削時發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)相變，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，組織應(yīng)力大，加上因回火不充分，留有較多殘余拉應(yīng)力，與磨削組織應(yīng)力疊加，或因磨削速度、進(jìn)刀量大及冷卻不當(dāng)