钢的热处理产生缺陷原因分析与研究

摘要：热处理是保证产品或零件使用性能的重要工序。如果热处理不当，就会产生各种各样的热处理缺陷，使产品或零件达不到预期的使用性能，产生不合格品或废品。热处理前由于设计不良、原材料或毛坯缺陷，热处理中因工艺不当、操作不当、设备和环境条件不合适，以及热处理后因后续加工工序不当或者使用不当，都可能产生与热处理有联系的缺陷。

关键词：热处理;工艺;缺陷;分析

热处理缺陷一般按缺陷性质分类，主要包括热处理裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷七大类。缺陷中最常见的是热处理变形，包括尺寸变化和形状畸变;最危险的是裂纹，包括淬火裂纹、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。

1.1、退火与正火常见缺陷：软化不充分、退火脆性、渗碳体石墨化、氧化、脱碳、过热、过烧、魏氏组织、网状碳化物等;

1.2、淬火常见缺陷：吹火裂纹、淬火表形、硬化不充分、软点、氧化、脱碳、过热、过烧、放置裂纹、放置变形等;

1.3、回火常见缺陷：回火裂纹、回火脆性、回火变形、残余应力过大等;

1.4、渗碳与碳氮共渗常见缺陷：渗碳过度、渗碳不均匀、反常组织、内氧化、剥落、表面硬度不足、表面碳化物不合格、心部组织不合格、渗碳层深度不足、心部硬度不合格、表面硬度不足、表面脱碳等;

1.5、渗氮与氮碳共渗常见缺陷：白层、剥落、渗层硬度低、渗层深度不足、渗层网状或脉冲组织、变形、心部硬度低、渗层脆性、耐蚀性差、表面氧化等;

1.6、渗金属常见缺陷：渗层过厚或不足、漏渗、渗层损伤、氧化、腐蚀、渗层分层、鼓包等;

2、主要热处理缺陷产生原因分析

2.1、产生热处理裂纹原因分析

热处理裂纹依据裂纹扩展的程度不同，分为阻断裂纹和可发展裂纹。阻断裂纹尺寸一般小于临界裂纹长度，因为应力场的变化及裂纹扩展阻力的变化等复杂因素的综合影响，使得裂纹难以继续扩展，裂纹存在在工件上，并未形成宏观的断裂;可发展裂纹尺寸大于临界裂纹长度，造成宏观的完整破坏，呈现脆性断裂。断裂可分为两种类型，脆性断裂和韧性断裂。绝大多数热处理裂纹的断口属于脆性断裂，断口具有灰亮色的金属光泽，且没有宏观塑性变形。

2.2、产生热处理变形原因分析

工件的热处理变形，主要是由于热处理应力造成的。其次，工件的结构形状、原材料质量、热处理前的加工状态、工件的自重以及工件在炉中加热和冷却时的支承或夹持不当等因素也能引起变形。热处理变形分为尺寸变化(体积变形)和形状畸变两种形式。

2.3、产生热处理残余应力原因分析

工件在加热和冷却过程中，由于热胀冷缩和相变时前后相比体积差异而发生体积变化，由于工件表层和心部存在温度差和相变时间差以及相变量的不同，致使工件表层和心部的体积变化不能同步进行，因而产生内应力。按照内应力的成因可将其分为热应力和组织应力。热应力是指由表层心部的温度差引起的热胀冷缩不均匀而产生的内应力，组织应力是由相变引起的比体积变化，又称相变应力。

残余应力的大小取决于工件的成分、淬透性、形状尺寸和热处理工艺。随着工件尺寸增大，残余应力向热应力型转化;形状复杂或尺寸突变时，在尺寸突变部位残余应力增大;淬透时冷却越快，热应力越大;未淬透时由组织应力和热应力综合作用。表面淬火件的残余应力表现为表层为压应力，心部为拉应力;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。

2.4、产生热处理力学性能不合格原因分析

热处理力学性能不合格分为硬度缺陷、拉伸性能和疲劳强度不合格、耐腐蚀性能不足及持久蠕变性能不合格等。其原意一般是因为材料的固有缺陷、热处理的工艺参数不合理、加热和冷却方式不当、热处理工艺执行不严等因素造成的。

硬度缺陷主要表现为硬度不足、硬度不均等;淬火工件硬度偏低一般是由于淬火加热不足、淬火冷却速度不够、表面脱碳、钢材淬透性不够、淬火后残余奥氏体过多或回火不足等因素造成的;硬度不均通常是由于淬火加热不均匀或淬火冷却不均匀所引起的。淬火和回火作为最后热处理工艺，对工件的性能影响很大，决定着工件的内在质量，淬火不充分或淬透层深度不足，会导致工件的拉伸性能和疲劳强度下降。

2.5、产生热处理脆性原因分析

工件断裂前不发生或只有少量宏观塑性变形，称为脆性断裂，与热处理有关的常见的材料脆性有回火脆性、低温脆性、氢脆性、渗氮层脆性等。

回火发生的脆性分为两类，第一类回火脆性发生在淬火马氏体于200-400℃回火区间，在碳钢和合金钢中都会出现，它与回火后的冷却速度无关，也叫低温回火脆性(不可逆回火脆性、回火马氏体脆性)。第二类回火脆性是发生在某些合金钢中，在高于600℃回火，在450-550℃间缓冷，或直接在450-550间回火发生的脆性(可逆回火脆性、高温回火脆性或回火脆性)。这类脆性可采取重新加热至600℃以上，随后快冷予以消除。

工件随着温度降低，在某一温度范围内，缺口冲击试样的断裂形式由韧性断裂转变为脆性断裂，通常用一个特定的转变温度来表示该转变，该转变温度在一定意义上表征了材料抵抗低温脆性断裂的能力。这种随温度降低材料由韧性向脆性转变的现象称为低温脆性或冷脆。随着温度的降低和工件的有效尺寸、加速速率及应力集中的增大，脆性断裂倾向增大。这些因素属于外部因素，与热处理无关。

结语：如今我国机械产品和世界先进水平之间存在的差距达20年，热处理装备与技术还十分落后，和美国的水平存在着很大的差距，显然，我国热处理技术赶超世界先进水平任重而道远。

参考文献：

[1] 《金属材料与热处理工艺关系的探讨》论文刘小军.

[2] 《中国机械工程学会热处理学会编，热处理手册(第四版)第1卷工艺基础，机械工业出版社，2008.