变形与裂纹敏感性分析

1.变形敏感性

变形敏感性，即钢件在热处理过程中容易产生变形的程度。其中，零部件结构的不合理容易导致热处理变形敏感性增强。例如，零部件结构尺寸薄厚相差悬殊、长径比过大、零件结构应力过大、刚度过小以及形状复杂等均容易使其在热处理时产生变形。同时，材料的品种对热处理变形敏感性的影响也很大，其规律是：水淬钢的变形敏感性>油淬钢的变形敏感性>空淬（风冷）钢的变形敏感性。此外，材料本身的抵抗变形的阻力越大，则越不易变形。例如，由于中、高合金钢比碳素钢和低合金钢的抵抗变形阻力大（强度高），因此淬火时变形比碳素钢与低合金钢小。

对淬火变形的试验研究表明，除外部机械应力作用外，淬火变形的实质是在内应力作用下的微量塑性变形。因此，淬火变形的敏感性要以淬火应力大小和钢的微量变形抗力来评定。

实践表明，钢淬火冷却初期因急冷造成的热应力较大，加之高温下钢的塑性变形抗力小，所以热应力对钢翘曲变形的影响比组织应力严重；然而，在Ms点以下冷却时，组织应力却是产生翘曲变形的主要原因。体积变形是钢在其Ms点以下冷却过程中比体积变化的结果。时效变形，则是时间因素及组织结构和内应力的稳定性在起主导作用。因此，评定不同类型的变形敏感性的依据也不同。

关于钢的微量塑性变形抗力，一般认为，淬火冷却到500～600℃以上温度，即在塑性尚好的情况下，以其该温度下的屈服点作为衡量指标较合适。但在钢的Ms点较低，即弹—塑性变形能力较差情况下，钢的微量塑性变形抗力已相当于淬火后常温下的抗拉强度。因此，凡是能影响钢的屈服点的种种因素，如钢的化学成分、晶粒度、组织状态和淬火工艺参数等均会影响淬火变形敏感性。

2.裂纹敏感性

裂纹敏感性，即零件在淬火过程中产生裂纹的可能程度。其中，零件结构对淬火裂纹敏感性的影响非常强。例如，零件相邻截面尺寸突变，则淬火时会导致冷却不均；零件结构的拐角呈急剧过渡状态（清根或圆角R<6～8mm或角度<90°）容易导致应力集中等，淬火时极易产生裂纹。图1⁃4和图1⁃5所示分别为不均匀截面零件结构和有尖角零件结构设计的正误对比。另外，不同原材料的品种其淬火裂纹敏感性也各有不同，其规律也是：水淬钢的敏感性>油淬钢的敏感性>空淬（风冷）钢的敏感性；钢的破断强度越低，杂质含量越多，淬火时越易于产生裂纹。

试验研究表明，淬火裂纹的实质是在淬火拉应力作用下的脆性断裂。因此，淬火裂纹的敏感性要以淬火过程产生的拉应力大小和淬火时钢的破断抗力大小两方面来评定。然而，淬火过程产生的拉应力大小是由淬火时马氏体转变的不等时性及相应的组织应力造成的。因此，所有减少淬火组织应力的因素均有助于减小淬火裂纹敏感性。(www.xing528.com)

另一方面，淬火钢的破断抗力主要取决于其化学成分。试验数据表明，亚共析

图1-4 不均匀截面零件结构设计的正误对比

钢淬火后的破断抗力，随其含碳量递增不断降低；过共析钢正常加热温度淬火后，如果马氏体中含碳量不断增加，则破断抗力没有明显变化。相反，提高加热温度（高于A_cm点温度）淬火时，含碳量增加将导致马氏体晶格畸变严重，破断抗力将持续降低。

图1-5 有尖角零件结构设计的正误对比

另外，内应力的作用时间对形成裂纹有重要影响。例如，淬火的3Cr13钢在瞬间载荷作用下，需1450～2000MPa的应力才能破断，而在长时间（100h）作用下，仅需200～400MPa的应力就足以使其破断。可见，钢中内应力作用的时间较长时，其破断抗力将显著降低。因此，钢淬火后及时回火消除内应力，对避免淬火裂纹有重要的实际意义。