影响淬火显微开裂的因素及优化方案

影响显微裂纹形成的因素有很多，如淬火冷却介质的温度、马氏体片尺寸、原始奥氏体晶粒大小、马氏体的转变分数、含碳量、残留奥氏体量及马氏体片长度与厚度之比等。

1.淬火冷却介质温度的影响

一般用单位马氏体体积内出现显微裂纹的面积来表示显微裂纹形成的敏感度。图14-8所示为w_C＝1.39％的钢在1200℃加热1h淬火后，显微裂纹形成的敏感度S_V与淬火介质温度之间的关系^[11]。当淬火冷却介质温度由40℃降到－50℃以下时，微裂纹增多。在此温度范围内马氏体的数量也增加，残留奥氏体量很快减少。

图14-8 淬火微裂纹形成的敏感度与冷却温度的关系

图14-9 w_C＝1.86钢淬火后的微裂纹敏感度（S_V）、马氏体平均体积（V）、单位体积中马氏体片数（N_V）与马氏体转变分数（f）之间的关系

2.马氏体转变分数的影响

当转变分数f＜0.25时，裂纹面积S_V随f的增加而急剧变大；当f＞0.27时，S_V不仅不再变大而且还降低，如图14-9所示。可见，曲线S_V的变化过程与马氏体片的平均体积（V）和单位体积中的马氏体片数目（N_V）及马氏体转变分数（f）的关系是大体上适应的。当f值较小时，也就是马氏体转变早期，单个马氏体片的体积较大，但随f的增加而降低，而N_V随f的增加而增多。单位体积中马氏体片越多，也即马氏体片越细小，越不容易开裂，所以S_V随f的增加而有所降低^[3]。

3.马氏体中固溶含碳量的影响

微裂纹形成敏感度随固溶含碳量的增加而增加，但此规律只适用碳的质量分数小于1.4％的范围内；当碳的质量分数大于1.4％时，S_V却随之减小，如图14-10所示^[3]。

w_C＜1.4％的马氏体随着含碳量的增加，形成显微裂纹的倾向增大。当固溶w_C＞1.4％时，形成｛259｝_γ马氏体，马氏体片的长度减小，Ms点所起的作用退居次要地位，因此形成微裂纹的倾向变小。

图14-10 Fe-C合金固溶含碳量对马氏体显微裂纹敏感度的影响

合金钢的含碳量对显微裂纹形成的影响较为复杂。镍钢中在w_C＜0.9％的｛259｝_γ马氏体中很少出现显微裂纹，镍降低了微裂纹的形成倾向。当镍钢中加入锰时，镍锰钢的｛225｝_γ和｛259｝_γ整合型马氏体w_C＝0.57％时出现显微裂纹^[1]。

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图14-11 含碳量对显微裂纹和残留奥氏体量的影响

马氏体中固溶含碳量增加，正方度加大。为了估计Fe-C马氏体的正方度对显微裂纹敏感度的影响，采用不同碳的质量分数（1.0％C，1.22％C，1.39％C）的试样在液氮中淬火，并检查显微裂纹面积，实验结果如图14-11^[11]所示。可见，残留奥氏体量随含碳量的增加变化不大，而显微裂纹敏感度仍随含碳量的增加而变大，看来这与固溶碳的化学作用和引起马氏体晶格的静畸变及应力场有关。研究表明，含碳量越高，马氏体晶体中的不均匀应力及畸变量越大。这与马氏体正方度随着含碳量的增加而增大有关。

实验表明，马氏体中固溶含碳量越高，其脆性越大，越容易形成显微裂纹。在Fe-Ni合金的板条状马氏体中都没有发现显微裂纹；中碳马氏体中虽然发现存在显微裂纹，但其量甚少，而高碳马氏体中的显微裂纹则是大量的。看来，形成显微裂纹可能存在一个临界含碳量，大致相当于Fe-0.75％C合金^[3]。

4.马氏体片长度的影响

试验发现，显微裂纹形成的敏感度随马氏体片长度的增加而升高，如图14-12所示^[1，3]。马氏体片越长，“撞击”能量越高，显微裂纹的密度越大。另一方面，较长的马氏体片遭受其他马氏体片碰撞和冲击的机会也多，因此，微裂纹较多。

理论计算说明，马氏体的显微裂纹面积S与马氏体片的长度L之间存在下列关系

S＝kL³ （14-1）

式中，k是与马氏体本身有关的常数。显然，当马氏体片的长度增加时，裂纹面积将急剧增加^[3，12]。

如果充分加热奥氏体化，使碳化物完全溶解，奥氏体晶粒内的成分趋向均匀，这种情况下，在马氏体转变初期形成的马氏体片将横贯奥氏体晶粒，其长度将与奥氏体晶粒直径相适应，显微裂纹也一般发生在这些大尺寸马氏体片中。因此，显微裂纹面积也与奥氏体晶粒直径d有类似的关系

图14-12 形成微裂纹的敏感度与马氏体片长度的关系（图中数字指马氏体含量）

S＝k′d³ （14-2）

式中，k′为常数。实验已经证实，原始奥氏体晶粒较大时，显微裂纹面积也随之增大。

然而，应该指出的是，奥氏体晶粒大小是通过影响马氏体片长度来起作用的。研究发现，显微裂纹主要产生在粗大的马氏体片中。只要马氏体组织非常细小，则难以产生显微裂纹。