第二节热处理裂纹
一热处理应力
前面我们讲到铸造应力分为热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。

材料的热处理应力主要有热应力和组织应力两种，它们在材料中的状态和起的作用有所不同。

由于加热或冷却不均匀即热胀冷缩在时间上的不一致所造成的内应力为热应力；由于组织转变的不等时性所造成的内应力为组织应力。

热处理后的最终应力状态取决于它们之和，称为热处理残余应力。

为了讨论方便，下面主要以钢的热处理进行分析。

1热应力
热应力是在热处理过程中钢件的表面和中心或薄的地方和厚的地方之间由于加热或冷却速度不一致（形成温度差）导致体积胀缩不均而产生的。

下面讨论钢件在热处理水冷或油却时应力的变化情况。

将园柱形试样加热到低于相变点的温度后分别在水中和油中冷却，，如图2－1所示，从图中看出：无论是水中或油中冷却，其表面的冷却速度都比中心的快得多。

a 为缓慢冷却
b 为快速冷却
图2－2是钢件快速冷却时热应力的变化情况。

冷却初期，由于表面冷却较快温度较低，而心部冷却较慢温度尚高，表面的激烈收缩受到心部的阻碍，从而表面受到拉应力的作用，心部受到压应力的作用。

如果这时工件的心部处于塑性状态，在应力的作用下它将产生塑性变形，使应力得到一定的松驰，所以这一阶段的应力数值不会很大。

随着心部温度的逐步降低和内外温差的逐步减小，心部收缩加剧，这时外表已进入弹性状态，内部的收缩将受到外表的阻碍，这时应力状态将变为表面呈压应力，而心转变为拉应力。

后一个过程是在弹性状态进行的，因此存在较大的应力。

冷却速度对热应力的影响极大，冷却愈快则热应力愈大。

图2－2 热应力形成过程
2组织应力
由于马氏体（体心正方结构）的比容大于奥氏体（面心立方结构）的比容，因而在淬火冷却时，奥氏体向马氏体转变的结果必然引起体积的膨胀。

组织应力就是钢在淬火冷却时由于表面冷却得快先发生奥氏体向马氏体转变（膨胀），心部或冷却较慢部分后发生这种转变（也膨胀），从而造成体积变化的不等时性所产生的内应力，也就是说由于相变引起的比容变化的不等时性所产生的内应力称为组织应力。

仍以园柱形钢件为例，整个穿透淬火的组织应力形成过程（图2－3）。

由于表面先冷却到MS点（马氏体转变始点）以下，表面先形成马氏体并伴随体积膨胀。

此时表面的膨胀却受到未转变的中心部分的限制，此时表面受到压应力，中心受到拉应力。

由于这一阶段心部塑性较好，可以发生塑性变形，故应力数值较小。

当继续冷却时，中心部分发生马氏体转变（此时表面已转变结束，处于弹性状态，形成坚固的马氏体外壳）伴随体积膨胀，使表面受到一种扩张力的作用，使表层形成拉应力，中心受到压应力，因此组织应力最终导致钢件表层处于拉应力状态。

图2－3 钢淬火时组织应力形成过程
除以上两种主要的应力外，对于钢材，还有由于表面与心部组织结构的不均匀性所形成的内应力。

例如钢件表面层的脱碳与增碳；表层局部强化，快速加热以及大型工件不能淬透引起组织不同都能产生内应力。

局部淬火或表面淬火时，仅在被淬火的部分形成马氏体组织，未被淬火的部分仍是原始组织，从而造成整个工件上比容差别，在这种情况下由于表层马氏体比容较大引起的膨胀受到中心部分的限制，使表面受到压应力，中心受到拉应力。

渗碳淬火时，由于表层含碳量较高，内部含碳量较低，则表层和心部的相变温度（MS点）不同，即表层相变温度较低，因此内部先发生组织转变而膨胀，此时表层仍是奥氏体状态，处于塑性状态，所以初期表层受拉应力作用，心部受到压应力的作用，由于表层的极好塑性，在拉应力作用下，易发生塑性变形使应力松驰，应力值有所减小。

随着高碳的表层也发生马氏体组织转变（膨胀）时，表面与中心的应力将发生相反，即表层呈现压应力，心部呈现拉应力。

3 残余应力
热处理只要伴随有相变发生，热应力和组织应力将同时发生，最终的应力状态取决于各种应力作用的合成。

热处理后最终保留下来的内应力叫做合应力或残余应力。

合应力的符号为“+”时为残余拉应力，合应力的符号为“－”时为残余压应力。

图2－4示出大截面钢件在水中冷却时整个截面未淬透时所呈现的应力情况。

a 为热应力b为组织应力
c由于组织转变不均匀引起的应力d为合应力（残余应力）
图2－4 残余应力总和示意图
（1）小试样或淬透性好的中型细长工件完全淬透时，由于相变应力的作用，在试样的表面产生拉应力，心部产生压应力，又因为这种工件淬火后残余拉伸应力的切向应力较大，因此常常会引起图2－5所示的纵向开裂。

图2－5 细长工件的纵向开裂
（2）表面淬火时表面部分因膨胀产生压应力，所以小型工件表面淬火后一般不易发生淬火
裂纹。

（3）大型工件非淬透性淬火时则热应力占优势，中心产生残余拉应力，并且纵向拉应力
最大，就易产生内部开裂现象（图2－6）。

图2－6 大型工件横向开裂图2－7 内孔面的纵向淬裂
（4）园筒工件或带有内孔的细长轴类工件进行淬火时易从内孔表面淬裂，特别是在内孔面冷却效果较差或内孔直径较小使冷却不充分时容易产生这种裂纹（图2－7）。

淬火所引起的残余应力一般在整个工件冷却到室温时为最大，因而在淬火过程中就开裂的情况较少，多数是从整个工件得到相当的冷却或完全冷却时才发生。

有时淬火后第二天或更长的时间才发生开裂。

这一事实告诉我们：“不使工件完全冷却”或“及时进行回火”是防止淬裂的有效措施。

二热处理淬火裂纹的类型和特征 1 纵向裂纹
由工件表面裂向内部，其分布是沿着工件的纵向（或者随着工件的形状而改变的方向）的裂纹为纵向裂纹。

生产实践告诉我们：当工件的长度大于它的直径或厚度时，以及形状复杂的工件很容易产生纵向裂纹。

纵向裂纹往往发生在完全淬透的工件上。

工件的淬火残余应力有纵向的、切向的和径向的三种。

对于园柱形工件淬火后其纵向残余应力最大，径向残余应力最小。

一般情况下小型细长工件产生横向裂纹的情况较少。

但大型工件就有可能产生横向内裂，对于这点可以用轧材的性能具有方向性来解释（纵向的强度和塑性远大于横向）。

纵向裂纹一般呈现深而长的特征，裂纹边缘整齐，尤如快刀切豆腐的痕迹，它在工件的分布是沿纵向一条或几条。

2 横向裂纹和弧形裂纹
横向裂纹往往是大型工件热处理时常见的断裂形式之一。

从应力看，横向内裂属于热应力所引起的，其裂源在中心，中心区域具有放射状裂痕，外园呈环状（图2－8）。

弧形裂纹容易产生于工件的内部或在尖角及孔洞附近，也就是应力集中处，裂纹以弧形分布在棱角附近。

往往发生在未淬透的或经过渗碳淬火的工件上。

图2－8 轧辊的内横裂。