Page 37 - 理化检验-物理分册2018第四期

王 荣: 机械装备的失效分析( 续前)第 ８ 讲 失效诊断与预防技术( ３ )

见图 ３６c ).如因表面脱碳, 或者采用高频淬火或火 础.工件在热处理淬火后的应力往往不是单一的热
焰淬火时, 加热温度未达到奥氏体化温度就快速冷 应力或组织应力, 是否产生淬火开裂取决于这两种
却或加热至临界温度以上而冷却迟缓, 工件表面会 应力叠加的结果.如果工件的形状结构比较合理,
产生细小的热龟裂纹. 采用正确的热处理工艺淬火时, 热应力和组织应力
( ４ )剥离裂纹 会相互抵消一部分, 工件不会发生淬火开裂, 只有热
表面淬火的工件, 表面淬硬层剥落以及化学热 处理工艺不当时才有可能发生淬火开裂.
处理后沿扩散层出现的裂纹为剥离裂纹, 一般情况 ３．３．５．３ 热处理裂纹的特征
下, 裂纹潜伏在平行于工件表面的皮下, 严重时造成 热处理裂纹具有以下几个主要特征: ①在热处理
表面剥落, 见图 ３６d ).剥离裂纹的特征是平行于工 后立即出现; ② 裂纹较细, 刚劲笔直, 很少分叉, 一般
件表面, 其深度往往仅限于硬化层内. 为穿晶扩展, 少数为沿晶扩展; ③ 沿零件上应力集中
３．３．５．３ 热处理淬火时的应力分布 的区域起裂; ④ 裂纹两侧无明显氧化、 脱碳; ⑤ 过热、
( １ )热应力 过烧( 如高速钢、 铝合金等) 开裂一般为沿晶开裂.
零件表面开始冷却时, 热收缩较大, 但受到温度 ３．３．５．４ 热处理裂纹的诊断举例
较高的心部影响, 表层受拉应力, 心部受压应力; 冷 ( １ )案例 １ : 车轮开裂( 穿晶型开裂)
却后期, 试样心部比表层冷却幅度大, 心部的热收缩 开裂失效的车轮材料为 ４２CrMo 钢, 其宏观形
又受到表层的约束, 发生热应力反向, 即表层受压应 貌见图 ３７a ).该车轮经过锻造后进行粗加工, 然后
力, 心部受拉应力.故热应力的分布特点是: 表层为 进行热处理, 在热处理淬火时发生了开裂.经事故
压应力, 心部为拉应力. 调查, 同 批 热 处 理 的 车 轮 有 ５００ 个, 加 热 温 度 为
直径较大或者淬透性较差的工件, 淬火后基本未 ８６０ ℃ , 淬火时 采 用 水 冷 工 艺, 出 现 开 裂 的 零 件 有
淬透, 中心受拉应力, 表面受压应力.这种应力状态 ２０ 个.加热淬火时车轮中间部位采用了夹具保护.
的工件若淬火后回火不及时, 或者回火温度过低, 往 经现场测量, 开裂的车轮外径为 ９６０mm , 轮缘厚度
往会产生内裂, 裂纹经常起源于材料内部的缺陷, 如 为 ２３０mm .

疏松、 气孔、 尺寸较大的夹渣或聚集分布的夹杂物等. 肉眼观察可见, 开裂的车轮外表面存在多处聚
( ２ )组织应力 集的砖红色或黄色锈蚀, 局部存在淡青色氧化皮, 裂
工件表面初期发生马氏体转变, 体积增大, 受到 纹靠近车轮边缘, 根据裂纹的宽度变化和主裂纹上
心部的约束, 表面受压, 心部受拉; 转变后期, 表面又 较小的分叉判断裂纹起源于靠近轮缘的减重孔侧
对心部的马氏体转变产生约束, 故而表面受拉, 心部 面, 见图 ３７a ).将裂纹面打开, 可见明显的放射纹,
受压.故组织应力的分布特点是: 表面受拉应力, 心 其收敛于减重孔侧面的尖角处, 此为开裂源区, 如

部受压应力. 图 ３７b ) 中椭圆形标识, 同时可见开裂面上存在大量
直径较小或者淬透性好的工件, 在淬透的情况 砖红色氧化物, 经 X 射线衍射( XRD ) 分析, 其主要
下, 中心受压 应力, 表面受拉应力.在缓冷 的条件 成分为 Fe ２O ３ 为较低温度形成的氧化产物.裂纹
,
下, 只要试样能被淬透, 则残余应力一律为 组织应 面 SEM 形貌为准解理 ＋ 韧窝, 可见裂纹为穿晶扩
力, 而且最大拉应力都位于零件表面.这种应力状 展, 见图 ３７c ).金相分析结果显示, 未加工表面存
态往往会导致工件在淬火过程中发生开裂, 且以纵 在明显的脱碳现象, 见图 ３７d ); 开裂源区的开裂面
向开裂形式居多. 和端面均未见脱碳, 其显微组织与基体的相同, 见
在较快冷却速度的条件下, 虽然都能被淬透, 却 图 ３７e ); 基体显微组织为回火索氏体, 见图 ３７f ).
只有很小直径的试样才能得到单一的组织型残余应 ４２CrMo属于合金结构钢, 其碳、 铬元素含量均
力; 而直径较大的试样, 由于热应力的显著增加, 会 较高, 淬透性较好, 淬火后以组织型残余应力为主,
与组织应力叠加, 便产生了类似过渡型的合成残余 即表面受拉应力, 心部受压应力, 一般采用油冷却.
应力, 并使零件表面的拉应力变为压应力.实际操 如果采用水冷却, 冷却速度较快, 表面和心部的温差
作时, 加快高温阶段的冷却速度, 增加热应力, 抵消 增大, 热应力增加, 表面受到的拉应力会大幅度提
组织应力, 降低零件表面的拉应力, 从而达到减小表 高, 容易引起淬火裂纹.该车轮的形状、 尺寸变化较
面开裂的危险, 这就是水 Ｇ 油双液淬火工艺的理论基 大, 如果在车轮中间又增加热处理夹具, 会增加车轮

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