钢件淬火开裂机理分析
零件淬火时经常因淬裂而报废，造成经济损失。一般认为，淬火开裂是由于钢件淬火冷却时产生的内应力超过了钢的断裂强度而引起的，属于脆性断裂。实际上，导致钢件淬裂的原因相当复杂，包括内部因素和外部条件。内部因素包括马氏体本质脆性和内应力的类型、大小、分布，原始组织、冶金质量，以及钢的淬透性、淬透深度、脱碳等因素对钢的脆性和应力状态的影响。外部条件主要包括热处理炉及工艺规范、淬火冷却介质、零件尺寸和形状等对内应力、组织结构的影响以及附加外力的作用等。 钢的本质脆性是淬裂的根源，内应力及附加外力中的拉应力的大小、分布是淬火裂纹产生的条件。抓住这两条线索，掌握各种因素作用的本质、途径、规律性.并对具体零件的淬火裂纹进行具体分析、检测，就能弄清主要因素及次要因素，并确定防止措施，提高成品率。
马氏体一般来说韧性较差，随含碳量的增加韧性急剧下降。ωc<0.4% 的马氏体尚具有较好的韧性；ωc>0.6% 的马氏体韧性变差，即使进行低温回火，其冲击韧度依然很低，这主要是由中、高碳钢马氏体的固有脆性决定的。马氏体的固有脆性取决于固溶含碳量、组织形态和亚结构、显微局部应力及显微裂纹等因素。 随着固溶含碳量的增加，不仅改变了马氏体的正方度，而且影响了马氏体的组织结构，使马氏体变脆。马氏体中的碳原子间隙固溶使铁原子移离其平衡位置，产生晶格静畸变，形成畸变应力场，即第三类内应力，它使晶格原子间的结合力降低。从位错运动的角度来看，当碳的质量分数高于 0.25% 时，碳原子在晶格中集群化，形成不对称的畸变偶极，它严重阻碍位错运动，是使马氏体韧性降低的最敏感因素。 板条状马氏体的韧性较好， 而孪晶型片状马氏体较脆。马氏体板条越细小， 断裂韧度值越高。隐晶马氏体比粗大的片状马氏体韧性好。位错马氏体的含碳量低，较接近体心立方结构， 对韧性损害小。另外，位错亚结构较孪晶的可动性大， 能缓和局部应力集中，延迟裂纹形核，故韧性好。孪晶亚结构使有效滑移系统减少到1/4。孪晶马氏体的含碳量高,正方度大，其变形方式容易以孪生方式进行， 这种变形方式易于诱发裂纹，故脆性大。在淬火马氏体组织中易形成显微裂纹， 这是由奥氏体晶粒范围内的第二类应力造成的。即使不形成显微裂纹， 也会有部分第二类应力残留下来， 使马氏体更趋于脆化， 并可能成为宏观淬裂源。因此， 淬火显微开裂和显微局部应力的存在是钢件宏观淬裂的根源。
工件在加热和冷却过程中会发生热胀冷缩的体积变化，以及因A→M 转变时比体积的突然增大而产生的体积膨胀。马氏体形成时的体积变化与马氏体中的含碳量有关，钢中含碳量越多，则形成马氏体时的比体积变化越大（即膨胀量越大）。
由于热传导过程中工件表面比心部先加热或先冷却，在截面上各部分之间产生温差，导致钢件表面和心部不能在同一时刻发生上述体积变化，各部分体积变化的相互牵制便形成内应力。工件截面上的温差越大，组织转变的不等时性越大，内应力也就越大。在淬火过程中内应力是不断变化着的瞬时应力，即随温度变化和组织转变的进程而不断地改变其大小、方向及分布状态。淬火冷却后，尚未松弛而残留下来的应力即为残余内应力。 马氏体中的第二类、第三类内应力只是产生局部性的显微开裂和显微应力场，并不直接造成宏观开裂，只有在第一类内应力作用下才能发展为宏观裂纹。工件各部位间残存的内应力包括四种基本应力，即急冷热应力、急冷相变应力、急热热应力以及表面硬化层与心部组织不同而产生的内应力。其中，急冷热应力最终使表面受压、心部受拉，它难以引起工件开裂；急冷相变应力最终使表面受拉、心部受压，这种拉应力易导致工件淬火开裂。 当工件心部已淬透时，不同含碳量的铬钢棒水淬时的内应力分布如图所示。从图中可见，心部受压应力， 表面也受压应力， 而中心与表面之间的中间地带拉应力有极大值。此极大值随C％增加而趋近于表面，即高碳钢淬火后在距表面不远的地方出现强烈的相变应力型分布。这时若工件表面附有蒸汽泡或被工夹具接触，妨碍了冷却， 则热应力型影响变小， 在该局部区出现较大拉应力， 并容易以此为起点导致开裂。
纵向（轴向）裂纹主要是由较大的切向拉应力造成的，它由工件表面裂向心部，深度不等， 很少裂透。裂纹平行于轴向， 或沿工件长度方向分布。
横向裂纹和弧形裂纹都是内裂，产生于心部， 当条件成熟时才逐步扩展到表面。形成这类裂纹的内应力特征是工件表面受压应力，离表面一定距离处变为拉应力，且峰值是轴向应力大，多发生在未淬透的工件上。在淬硬和未淬硬的交界处形成应力峰值，裂纹起源于此， 是横向内裂。弧形裂纹则多产生在棱角、凹槽及截面突变等部位。
网状裂纹（龟裂）与表面层受两向拉应力状态有关。高碳钢工件脱碳时，其脱碳层会出现轴向拉应力、切向拉应力的极大值，则易形成网状裂纹。
剥离裂纹与工件表面平行，它是在硬化表层出现了径向拉应力的极大值，有时可达600MPa，而内部突然变为压应力。在应力急剧过渡区形成裂纹，严重扩展时会使表面剥落。
应力集中裂纹没有固定的形态，它是由于零件截面尺寸急剧变化引起应力集中而淬裂的，如凹槽、切口、薄厚不均、截面突变的凸缘等处。
常见的淬火断口有瓷状断口、萘状断口、石状断口等。常用钢在正常淬火温度下的断口为瓷状断口，当过热时发展为石状断口。瓷状断口以穿晶准解理断裂为主，过热淬火断口以沿晶断裂为主。但沿晶断裂和穿晶断裂常常并存。
正常加热温度下淬火裂纹以穿晶断裂为主、沿晶断裂为辅，其根本诱因仍为马氏体相变的不均匀应力及应变。奥氏体向马氏体转变时以奥氏体晶粒为体积膨胀单元。马氏体片（或板条）在奥氏体晶粒中形成时，在各晶向上胀缩不均等，如Fe-1. 0％C 合金的奥氏体向马氏体转变时，在［111］γ方向收缩0. 96％，在［01 1］γ方向收缩3. 1％，而在［211］γ方向膨胀4. 6％，这将在该奥氏体晶粒内产生巨大的不均匀应变。虽然一个奥氏体晶粒中可生成不同位向的马氏体片（或板条晶），减少各向胀缩的不均等性，自行调整应变和应变能，但是， 马氏体片或板条束在一个奥氏体晶粒中的数目虽多，其位向却只有有限的几个。因此，不均匀应变可因奥氏体的协作变形而部分松弛，但奥氏体协作变形使位错密度增加，也被加工硬化。
不均匀应变伴生着巨大的不均匀应力，这种应力在晶内及晶界处存在，在局部区域产生应力集中，如马氏体片交角相遇处、马氏体片领域间、马氏体板条束间。当应力足够大时，可能形成显微裂纹。这些微裂纹或显微应力集中的区域均可能成为穿晶断裂源。 在正常淬火温度下，奥氏体晶粒较细小，成分也不很均匀，还可能存在未溶解的碳化物，尤其是高碳钢在Acm 加热以下淬火时得到隐晶马氏体，限制了马氏体片的生长。马氏体片细小且位向混乱程度大， 因而奥氏体晶粒范围内的胀缩不均匀性变小，不均匀应变应力也较小。这种不均匀应力既存在于晶内，又存在于晶界处，削弱了结合。由于晶粒细小，晶界变形抗力大起了主导作用，限制了沿晶断裂的发生，这时转向以穿晶断裂为主。 这些不均匀应力的拉应力集中的微区或存在显微裂纹的区域，在淬火宏观内应力或外加应力的作用下，与显微不均匀拉应力相叠加，就会导致钢件淬火的宏观开裂。
