金属热处理缺陷 分析及案例

1. 金属热处理缺陷分析及案例 兵装集团2010年大规模专业培训

2. 授课内容： • 第一部分： • 　　常见热处理缺陷的特征、产生原因、危害性和预防措施。 • 第二部分： • 　　热处理质量全面控制体系。 • 第三部分： • 　　典型热处理缺陷案例分析。 • 第四部分： • 　　总结复习

3. 第一部分 • 热处理缺陷特征、原因及防止措施

4. 第一章、热处理缺陷概述： • （一）、含义： • 　　指在热处理生产过程中产生的使零件失去使用价值或不符合技术条件要求的各种不足，以及使热处理以后的后序工序工艺性能变坏或降低使用性能的热处理隐患。

5. （二）、分类： • 1、按缺陷的性质分类： • 　　有裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其他（如表1－1所示）。

6. 2、按照危害程度分类： • （1）、第一类热处理缺陷：最危险缺陷如裂纹，其中最主要是淬火裂纹，其次加热裂纹、延迟裂纹、冷处理裂纹、回火裂纹、时效裂纹、磨削裂纹和电镀裂纹等。

7. （2）、第二类热处理缺陷： • 热处理中最常见的缺陷是变形，其中淬火变形占多数。产生原因是：相变和热应力。 • (3)、第三类热处理缺陷： • 发生频率和严重性较低，如残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其它缺陷。

8. 3、热处理缺陷产生原因： • 概括为：热处理前、热处理中和热处理后。 • 热处理前：设计不良、原材料或毛坯缺陷。 • 热处理中：工艺不当、操作不当、设备和环境条件不合适。 • 热处理后：磨削裂纹、磨削烧伤、磨削淬火、电火花加工裂纹、电镀或酸洗脆性；应力集中过大裂纹、温度过高裂纹或变形等。

9. (二)、热处理缺陷分析方法： • 1、热处理缺陷的影响：直接影响产品质量、使用性能和安全，所以准确分析和判断十分重要。 • 2、分析方法：断口分析(裂源位置、扩展方向、断裂性质和方式)、化学分析(材料成分、沉积物、氧化物)、金相分析(晶粒、组织、晶界)、力学性能试验(硬度、拉伸、冲出、疲劳断裂韧度)、验证试验(原工艺和改进工艺对比)、综合分析(得出缺陷产生的几种主要原因，提出改进措施)。

10. 第二章、热处理裂纹： • (一)、产生原因：内应力作用下发生，最终断裂。条件是内应力＞脆断强度。 • (二)、断裂类别： • 1、裂纹按扩展程度：（失稳）可发展裂纹、阻断裂纹（不断裂）。 • 2、断裂：脆性断裂和韧性断裂。多数为脆性断裂（断口灰亮色）

11. （三）、加热不当形成的裂纹： • 升温速度过快（多出现于灰铸铁、合金铸铁、高锰钢、高合金钢铸件）、表面增碳或脱碳[合金钢、低碳马氏体钢20SiMn2MoV，高锰钢(Mn13)]、过热或过烧（高速钢、不锈钢）、氢致裂纹（条件：足够氢、对氢敏感的金相组织和三向应力。措施：脱氢、低温回火、自然时效、低氢淬火）

12. （四）、淬火裂纹： • 1、淬火目的：强化钢件，获得M。 • 2、类别：纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹和剥离裂纹，最常见的是纵向裂纹（轴向裂纹）且常出现于完全淬透的工件上。 • 3、纵向裂纹的原因： • 碳量增加、材质（夹杂物、碳化物）、尺寸、形状（管件内壁）和淬火加热温度高。

13. 4、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。

14. B、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。

15. 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。

16. 5、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

17. B、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。

18. C、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。

19. （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。

20. D、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。

21. （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。（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。①②③④

22. E、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）。

23. F、其它措施： • 及时回火。局部包扎。 • （六）、其它热处理裂纹： • 回火裂纹：多出现于高速钢或高合金工具钢。 • 冷处理裂纹：高速钢刀具、工模具冷至－80度以下的淬火处理时易出现裂纹。 • 时效裂纹：高温合金多。 • 磨削裂纹：出现于淬硬工具钢或经渗碳、碳氮共渗并淬火的零件。 • 电镀裂纹：由于内应力引起应力腐蚀裂纹。

24. 第三章　热处理变形 • 一、产生原因：热处理应力引起。 • 二、对质量影响最大：淬火变形。 • 三、类别：尺寸变化和形状畸变。 • 四、影响因素： • 1、成分(Mn、Cr、Si、Ni、Mo、B等降低Ms点，减小淬火变形)。 • 工业上应用：微变形钢（含较多的Si、W、V等合金元素）。

25. 2、组织和应力状态： • （1）、粒状组织变形小，片状较大，条状变形最大。组织愈均匀，变形越小。 • （2）、应力集中越严重，则变形倾向越大。 • （3）、形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后变形也愈明显。 • （4）、工艺参数：不均匀加热，加热温度（组织应力小、热应力大），冷却速度（越快→内应力越大→变形越大）。

26. （5）、时效与冷处理： • 冷处理目的：保持精度和尺寸稳定。 • 冷处理使体积膨胀； • 低温回火和时效一方面使体积缩小，另一方面引起形状畸变。

27. 3、化学热处理： • （1）、高温处理如渗碳，工件变形较大； • （2）、低温处理如渗氮,工件变形较小。

28. 五、热处理变形的矫正： • （一）、机械矫正法：冷压校正、热压校正、加压回火校正、锤击校正。 • （二）、热处理校正： • 1、在Ac1温度以下加热急冷：对胀大变形的工件进行收缩处理； • 2、淬火胀大法：对收缩变形的工件进行胀大处理。

29. 第四章　残余应力 • 一、概述： • 　　由于温度差和相变引起的工件内部残余应力。 • 　　形成原因：温度差、体积变化 • 　　种类：热应力和组织应力

30. 二、热处理内应力： • （一）、热应力： • 1、加热：表层为压应力、心部为拉应力。 • 2、冷却：表层为拉应力，心部为压应力。 • 3、残余热应力：表层为压应力、心部为拉应力。

31. （二）、组织应力（相变应力）： • 表层为拉应力，心部为压应力。 （三）、残余应力分布及影响因素： • 取决于成分、淬透性、工件形状、尺寸和热处理工艺等。

32. 规　　律： • 1、尺寸及形状：尺寸增大，向热应力转化；形状复杂或尺寸突变时在尺寸突变部位残余应力增大。 • 2、淬透时：冷却越快，热应力越大； • 3、未淬透时：由组织应力和热应力综合作用。

33. （四）、表面淬火件的残余应力： • 表层为压应力，心部为拉应力。 • （五）、化学热处理引起的残余应力： • 经渗碳、碳氮共渗的零件，表层产生很大的压应力、心部产生很大的拉应力。

34. 三、残余应力对力学性能的影响： • 1、残余拉应力导致硬度降低，压应力则提高硬度值。 • 2、残余应力增大，磨损增大。 • 3、疲劳失效： • （1）、失效过程：裂纹萌生→裂纹扩展。 • （2）、残余压应力提高工件的疲劳强度。 • 4、残余拉应力增大了应力腐蚀开裂的敏感性。

35. 四、残余应力的调整与消除： • 有热处理法（部分或全部，但引起组织变化）和机械作用法（部分消除）。 • 1、去应力退火： • 对铸件、锻件、焊接件和机加件退火。 • 　　加热至Ac1以下50－200℃，保温后空冷或炉冷至200－300 ℃后再空冷。 • 2、回火：回火对应力的消除与回火温度的高低有关系，温度超高→应力消除越彻底，但硬度降低也越厉害。

36. 第五章　组织不合格 • 一、氧化与脱碳： • 1、氧化： • 　　使表面粗糙度增加、精度降低，使钢件强度降低。往往也是淬火软点和淬火开裂的根源。 • 2、脱碳： • 　　即表面碳量降低。导致钢淬火硬度、耐磨性及疲劳强度降低，对高速钢舍去降低热硬性。

37. 3、防止和减轻氧化脱碳的措施： • 主要采用保护气氛炉或真空炉、盐浴炉加热，或采用感应加热、激光加热等。（如表5－4）

38. 二、过热与过烧： • （一）、区别: • 过热：温度高导致晶粒粗大，性能降低。 • 过烧：温度高导致晶界氧化并部分熔化。 • （二）、过热： • 特点是晶粒粗大、淬火马氏体粗大、有魏氏组织、网状碳化物、石墨化共晶组织等。预防措施如表5－9所示。

39. （三）、过烧： • 　　过烧使零件性能严重恶化，易产生热处理裂纹，因而过烧是不允许的热处理缺陷。

40. 三、低、中碳钢预备热处理球化体级别不合格：三、低、中碳钢预备热处理球化体级别不合格： • 补救措施： • 1、等温球化退火； • 2、缓冷球化退火； • 3、再结晶球化退火。

41. 四、感应加热淬火组织缺陷： • 1、常见缺陷:过热和加热不足。 • 2、措施： • 　　合理选择电流频率、优选比功率和加热时间、调整感应器与工件的间隙。

42. 五、渗碳组织缺陷： • 主要形式： • （1）表层碳化物过多、大块或网状分布； • （2）残留A过多； • （3）马氏体粗大； • （4）内氧化； • （5）黑色组织。

43. 六、渗氮组织缺陷： • 主要表现： • 1、渗前原始F过多、回火S组织粗大； • 2、化合物层疏松； • 3、针状组织； • 4、网状和脉状氮化物；

44. 第六章　力学性能不合格 • 原因：选材不当、固有缺陷、热处理工艺参数不合理、加热及冷却方式不当、热处理工艺执行不严等。 • 一、硬度缺陷： • 1、表现：硬度不足、软点、高频感应加热淬火和渗碳工件的硬化层不足。 • 2、原因：淬火加热不足、冷却速度不够、表面脱碳、淬透性不够、残留A过多、回火不足等。

45. 二、拉伸性能和疲劳强度不合格： 三、耐腐蚀性能不足： 1、常用材料：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、F－A不锈钢和沉淀硬化不锈钢。 2、耐蚀性降低原因：贫铬理论（即回火温度不当，使碳化铬Cr23C6沿晶界析出）

46. 3、奥氏体不锈钢的热处理： • （1）、固溶处理：使含铬的碳化物充分溶入A中，快冷抑制碳化物析出，形成单一A，保证良好的耐蚀性。 • （2）、稳定化退火处理：850－930的退火，使A中成分均匀，消除晶界贫铬区，使钢中C固定于TiC或NbC中。 • （3）、低温退火去机加应力：300－350度、

47. 4、热处理对晶间腐蚀和点蚀影响： • （1）、A型不锈钢在400－850度、F型不锈钢从高于900度冷却时易析出碳化铬，导致晶界腐蚀。 • （2）、A型不锈钢在800度X2小时的敏化处理后易点蚀。

48. 5、热处理对应力腐蚀开裂的影响： • （1）金属应力腐蚀开裂的原因是：冶金、力学和环境三方面影响。 • （2）、拉应力是应力腐蚀开裂的必要条件。 • （3）、对A型不锈钢进行650度敏化处理，其应力腐蚀开裂倾向大。

49. 6、高温合金热处理性能： • （1）、工作温度高的合金如镍基、铁基和钴基高温合金（少用）。 • （2）、强化手段：固溶强化、第二相强化、晶界强化、综合强化等。 • （3）、高温合金的热处理手段：固溶处理和时效。常采用中温固溶处理。 • 7、非铁金属（有色金属）常用的热处理：均匀化退火、再结晶退火、去应力退火、固溶处理和时效处理。

50. 第七章　脆性 • 一、概述： • 金属材料断裂形式：塑性断裂和脆性断裂。 • 特点：断裂前发生明显塑性变形为塑断；断裂前不发生或少量塑性变形的为脆断。 • 二、脆性断裂原因：热处理不当、显微组织不良等。 • 三、与热处理有关的脆性断裂：回火脆性、低温脆性、氢致脆性、σ脆性和电镀脆性。