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钢铁热处理缺陷的分析摘要:本文对钢铁进行热处理时常见缺陷进行了分析,也列举了若干个实例,以及避免缺陷出现的措施.关键词:过热淬火开裂热处理是很多机械零件在加工过程中要经历的一道工序.热处理一般分为三个阶段,即加热保温,冷却.在为了进行热处理而进行加热的初期,一般会出现如下一些问题:1.当零件加热过快时,尤其是大型零件,其表面温度快速升高,发生热膨胀,而内层温度升高缓慢,热膨胀与表层不同步,产生热应力;2.零件加热温度过高或者保温时间过长时,零件会发生显著的氧化,脱碳,甚至过烧3.用导热性差的纲制造的零件,当没有加热透就进行塑性加工,则零件的中心部位会产生裂纹;4.如果零件仅从一边或局部强烈地加热,会出现加热不均匀的现象;下面逐一进行分析:一.加热初期产生缺陷如果开始加热时,加热速度过快或者非整体加热,产生的缺陷会导致零件的损坏.例如,某传动装置中的小齿轮轴,材料是铬钼纲50crmo,在不大的弯曲应力作用下,仅仅使用了三个月,就破坏了.为了修理,在轴的中心加工了一个孔,发现在该轴内部还有第二个裂纹.破坏是从这第二个内部裂纹扩展到大部分断面的.以这个内部裂纹为起源.在使用载荷作用下,产生了两个疲劳裂纹.对该轴作纵断面的抛光检查,发现破坏的起始点是具有带状偏析的地方.这种带状偏析在大型锻件中经常出现,原因就是加热速度过快,原子没有来得及扩散均匀.在超载的情况下,偏析组织强度低,承受不住载荷的作用,产生了裂纹而使得齿轮轴破坏.某钢制厚壁容器,调质后在u型内侧的圆角处作为起点,产生了纵向裂纹.在容器的横断面的抛光面上进行鲍曼试验,证实容器的纯度很高.在裂纹及其附近可以明显地看到氧化皮,以及脱碳的现象.根据这个现象倒推,氧化皮和脱碳是在热处理(调质)时出现的.容器是在冷的状态下装进淬火炉的.加热过快,膨胀不一致导致产生了裂纹.对容器打孔是为了阻止薄弱区域的延伸,但是反而加剧了应力的集中.应该在热处理以后再打孔才是适宜的.用31CrMoV钢制的渗氮活塞杆,热处理后矫直时产生了破裂.根据裂纹的颜色,剖开后观察,活塞杆先是产生了纵向的弯曲裂纹,矫直时该弯曲裂纹进一步扩展,才最终造成了活塞杆的破坏.通过表面腐蚀可以看到,活塞杆的破坏处,有加热留下的小点状,这些小点状是调质组织发生了变化,析出了铁素体.由此可知,活塞杆矫直时的加热,温度超过了750度,氮化物聚集成球状,导致表面硬度有比较大的降低.总之,为了矫直活塞杆而对活塞杆进行快速加热的方法是不合适的.渗氮层回火到500度以下是稳定的.所以,矫直时,在低温下进行均匀的加热,是允许的.另外,一般对渗氮的零件,不需要矫正.原因是渗蛋温度比较低,渗氮后冷却也慢,所以残余应力小,能够防止零件产生变形.当然,在实际操作中,有些细节要加以注意,就是当零件装入渗氮炉时,要注意别使应力增加,要防止零件因自重而造成弯曲,最好在炉中吊装零件.尤其是高速钢,因为其导热型差,传热慢,在锻造和淬火时,必须进行整体缓慢而充分地加热.二.加热后出现氧化皮加热时零件表面通常都会产生氧化皮,如果只是在一定范围内,而且只是在加热时产生,一般不认为是损害事故,虽然零件表层因为氧化而失去了大量的金属.氧化皮的厚度随着时间以抛物线的规律增加.炉中的多种气体,不论是过剩的氧,还是二氧化碳,还是水蒸气,都可以发生氧化反应形成氧化皮,尤其是硫化氢会促进氧化皮的产生.氧化皮出现以后,可以通过酸洗去掉,也可以通过机械加工去除.但是也有特殊情况.就是,含铜的钢,用酸洗的方法很难除去氧化皮,而且还会使零件表面产生缺陷.城市煤气不含水蒸汽,氧很少,如果燃烧时温度高,工件表层容易形成鳞片层.原因是氧侵入奥氏体晶界,并与金属原子结合所致.宏观上,鳞片层呈桔皮状或者鳄鱼皮状,工件进行热锻或者冷塑性加工,表明附近很容易形成初期裂纹.如果钢中成分含有铜,会更严重.解决办法是,避免长时间加热及过热,把气体中氧的浓度控制在百分之一到百分之二,以及钢中含铜尽量低.如果加热温度过高或者时间过长,则会形成粗大的晶粒,并在晶界上析出微小氧化物,锻造时会造成开裂.这种现象称为过烧.过烧与过热不同,过烧不能通过热处理进行改善,只有通过热锻才可以消除.某钢丝直径5.8毫米,铅浴淬火后的组织发生了晶界氧化,拉拔时开裂.此钢含有0.16%的铜.最外面包围着条状奥氏体晶界,显微镜下呈褐色,是非金属夹杂物.开裂的原因正如上面的分析.某耐热钢15Mo3制成壁厚9毫米的无缝热拉锅炉水管,管子内填充沙子,进行热弯曲变形,拉拔生成的纤维组织处,产生了很多裂纹.分析其化学成分,碳0.13%,硅0.17%,锰0.53%,磷0.032%,硫0.022%,钼0.26%,以及无意添加的铜0.26%.管子的弯曲部分是含微量铁素体的粗大晶粒组织,管子的直线部分是铁素体加细晶粒的朱光体,所以导致弯曲时强烈过热了,并在表明附着了较多的鳞片组织,鳞片层下的铁中,有金属铜的析出,在母相附近的亚表面,有氧化物析出,也有细小的铜的析出,析出的氧化物沿着奥氏体晶界,深度达到3毫米.这种表层深处发生过烧并伴随铜的析出的缺陷被称为红热脆.三.加热后开裂某沸腾钢抗拉强度大于370兆帕,其使用无温控的锻造设备,钢棒发生过烧,把钢棒锻出刀刃时产生开裂.沿刀刃垂直剖开,晶粒很粗大,开裂发生在夹杂物覆盖的奥氏体晶界处.由此可以看出,刀刃在锻后淬火了,由于钢棒晶粒较粗,尽管含碳量不高,只有0.17%,锻后冷却时组织还是全部变成了马氏体.小结:钢铁产品进行热处理是非常普遍的,也非常重要,所以,在操作过程中,要特别注意预防各种缺陷,以免出现不必要的损失和浪费.。
热处理常见缺陷分析与对策时 间：2020.10.28 学习人：吴俊 部 门：试验检测中心基本知识点：1、热处理缺陷直接影响产品质量、使用性能和安全。
2、热处理缺陷中最危险的是：裂纹。
有：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。
其中生产中最常见的裂纹是纵火裂纹。
3、热处理缺陷中最常见的是：热处理变形，它有尺寸变化和形状畸变。
4、淬火获得马氏体组织，以保证硬度和耐磨性。
淬火后应进行回火，以消除残余应力，如W6Mo5Cr4V2应进行一次回火。
5、亚共析钢淬火加热温度： +（30-50）度。
6、高速钢应采用调质处理即淬火+高温回火。
7、回火工艺若控制不当则会产生回火裂纹。
8、热处理过热组织可通过多次正火或退火消除，严重过热组织则应采用高温变形和退火联合作用才能消除。
9、渗氮零件基本组织为回火索氏体。
其原始组织中若有大块F 或表面严重脱碳，则易出现针状组织。
10、有色金属最有效的强化手段是固溶处理和固溶处理+时效处理。
11、疲劳破坏有疲劳源区、裂纹疲劳扩展和瞬时断裂三个阶段。
12、高速钢的热组织为：共晶莱氏体，也有可能晶界会熔化。
13、应力腐蚀开裂的必要条件之一是：存在拉应力。
14、65Mn 钢第二类回火脆性温度区间为250-380。
钼能有效抑制第二类回火脆性。
15、热处理时发生的组织变化中，体积比容变化最大的是马氏体。
16、防止淬裂的工艺措施：等温淬火、分级淬火、水-油淬火和水-空气双液淬火。
17、高温合金热处理产生的特殊热处理缺陷有：晶间氧化、表面成分变化、腐蚀点、晶粒粗大及混合晶粒等。
18、感应加热淬火缺陷有：表层硬度低、硬化层深度不合格、变形大、残留应力大、尖角过热及软点与软带。
19、弹簧钢的组织状态一般为：T+M 。
20、氢脆条件：氢的存在、三项应力和对氢敏感的组织。
21、断裂有脆性断裂和韧性断裂。
绝大多数热处理裂纹属脆性断裂。
22、高碳钢淬火前应进行球化退火。
23、时效变形的主要影响因素有：化学成分、回火温度和时效温度。
铸造铝合金缺陷及分析一氧化夹渣缺陷特征：氧化夹渣多分布在铸件的上表面,在铸型不通气的转角部位;断口多呈灰白色或黄色,经x光透视或在机械加工时发现,也可在碱洗、酸洗或阳极化时发现产生原因：1．炉料不清洁,回炉料使用量过多2.浇注系统设计不良3．合金液中的熔渣未清除干净4．浇注操作不当,带入夹渣5.精炼变质处理后静置时间不够防止方法：1．炉料应经过吹砂,回炉料的使用量适当降低2．改进浇注系统设计,提高其挡渣能力3.采用适当的熔剂去渣4．浇注时应当平稳并应注意挡渣5．精炼后浇注前合金液应静置一定时间二气孔气泡缺陷特征：三铸件壁内气孔一般呈圆形或椭圆形,具有光滑的表面,一般是发亮的氧化皮,有时呈油黄色;表面气孔、气泡可通过喷砂发现,内部气孔气泡可通过X光透视或机械加工发现气孔气泡在X光底片上呈黑色产生原因：1．浇注合金不平稳,卷入气体2．型芯砂中混入有机杂质如煤屑、草根马粪等3．铸型和砂芯通气不良4．冷铁表面有缩孔5．浇注系统设计不良防止方法：1．正确掌握浇注速度,避免卷入气体;2．型芯砂中不得混入有机杂质以减少造型材料的发气量3．改善芯砂的排气能力4．正确选用及处理冷铁5．改进浇注系统设计三缩松缺陷特征：铝铸件缩松一般产生在内浇道附近飞冒口根部厚大部位、壁的厚薄转接处和具有大平面的薄壁处;在铸态时断口为灰色,浅黄色经热处理后为灰白浅黄或灰黑色在x光底片上呈云雾状严重的呈丝状缩松可通过X光、荧光低倍断口等检查方法发现<br>产生原因：1．冒口补缩作用差2．炉料含气量太多3．内浇道附近过热4．砂型水分过多,砂芯未烘干5．合金晶粒粗大6．铸件在铸型中的位置不当7．浇注温度过高,浇注速度太快防止方法：1．从冒口补浇金属液,改进冒口设计2．炉料应清洁无腐蚀3．铸件缩松处设置冒口,安放冷铁或冷铁与冒口联用4．控制型砂水分,和砂芯干燥5．采取细化品粒的措施6．改进铸件在铸型中的位置降低浇注温度和浇注速度四裂纹缺陷特征:1．铸造裂纹;沿晶界发展,常伴有偏析,是一种在较高温度下形成的裂纹在体积收缩较大的合金和形状较复杂的铸件容易出现2．热处理裂纹：由于热处理过烧或过热引起,常呈穿晶裂纹;常在产生应力和热膨张系数较大的合金冷却过剧;或存在其他冶金缺陷时产生产生原因：1．铸件结构设计不合理,有尖角,壁的厚薄变化过于悬殊2．砂型芯退让性不良3．铸型局部过热4．浇注温度过高5．自铸型中取出铸件过早6．热处理过热或过烧,冷却速度过激防止方法:1．改进铸件结构设计,避免尖角,壁厚力求均匀,圆滑过渡2．采取增大砂型芯退让性的措施3．保证铸件各部分同时凝固或顺序凝固,改进浇注系统设计4．适当降低浇注温度5．控制铸型冷却出型时间6．铸件变形时采用热校正法7．正确控制热处理温度,降低淬火冷却速度气孔分析压铸件缺陷中,出现最多的是气孔;气孔特征;有光滑的表面,形状是圆形或椭圆形;表现形式可以在铸件表面、或皮下针孔、也可能在铸件内部;1气体来源1 合金液析出气体—a与原材料有关b与熔炼工艺有关2 压铸过程中卷入气体¬—a与压铸工艺参数有关b与模具结构有关3 脱模剂分解产生气体¬—a与涂料本身特性有关b与喷涂工艺有关2原材料及熔炼过程产生气体分析铝液中的气体主要是氢,约占了气体总量的85%;熔炼温度越高,氢在铝液中溶解度越高,但在固态铝中溶解度非常低,因此在凝固过程中,氢析出形成气孔;氢的来源：1 大气中水蒸气,金属液从潮湿空气中吸氢;2 原材料本身含氢量,合金锭表面潮湿,回炉料脏,油污;3 工具、熔剂潮湿;3压铸过程产生气体分析由于压室、浇注系统、型腔均与大气相通,而金属液是以高压、高速充填,如果不能实现有序、平稳的流动状态,金属液产生涡流,会把气体卷进去;压铸工艺制定需考虑以下问题：1 金属液在浇注系统内能否干净、平稳地流动,不会产生分离和涡流;2 有没有尖角区或死亡区存在3 浇注系统是否有截面积的变化4 排气槽、溢流槽位置是否正确是否够大是否会被堵住气体能否有效、顺畅排出应用计算机模拟充填过程,就是为了分析以上现象,以作判断来选择合理的工艺参数;4涂料产生气体分析涂料性能：如发气量大对铸件气孔率有直接影响;喷涂工艺：使用量过多,造成气体挥发量大,冲头润滑剂太多,或被烧焦,都是气体的来源;5解决压铸件气孔的办法先分析出是什么原因导致的气孔,再来取相应的措施;1 干燥、干净的合金料;2 控制熔炼温度,避免过热,进行除气处理;3 合理选择压铸工艺参数,特别是压射速度;调整高速切换起点;4 顺序填充有利于型腔气体排出,直浇道和横浇道有足够的长度>50mm,以利于合金液平稳流动和气体有机会排出;可改变浇口厚度、浇口方向、在形成气孔的位置设置溢流槽、排气槽;溢流品截面积总和不能小于内浇口截面积总和的60%,否则排渣效果差;5 选择性能好的涂料及控制喷涂量;解决缺陷的思路由于每一种缺陷的产生原因来自多个不同的影响因素,因此在实际生产中要解决问题,面对众多原因到底是非功过先调机还是先换料或先修改模具建议按难易程度,先简后复杂去处理,其次序：1 清理分型面,清理型腔,清理顶杆；改善涂料、改善喷涂工艺；增大锁模力,增加浇注金属量;这些靠简单操作即可实施的措施;2 调整工艺参数、压射力、压射速度、充型时间、开模时间,浇注温度、模具温度等;3 换料,选择质优的铝合金锭,改变新料与回炉料的比例,改进熔炼工艺;4 修改模具,修改浇注系统,增加内浇口,增设溢流槽、排气槽等;例如压铸件产生飞边的原因有：1 压铸机问题：锁模力调整不对;2 工艺问题：压射速度过高,形成压力冲击峰过高;。
钢的热处理缺陷分析（2学时）一、实验目的：1、了解热处理各种热处理缺陷产生的原因及防止措施，2、用金相显微镜观察及分析各种热处理缺陷，3、学会用金相显微镜测定脱碳层的方法。
二、实验内容：在各种热处理工艺中淬火缺陷最为常见，如硬度不足、软点、变形甚至开裂等，但产生的原因很多，须丛各个方面进行检查及分析。
其中金相检验较为方便，而占有重要地位。
（一）、热处理缺陷分析的一般步骤：首先应了解零件的技术要求，使用材料、热处理工艺等。
1、零件的外观检查；有无裂纹、裂纹的情况、分布状况及大小，断口形貌。
2、硬度测量：判断热处理硬度是否达到技术要求，为金相检验提供数据。
3、必要时进行材料的化学成分分析；判断材料是否混料而误用成其它材料。
4、正确的取样；选取有代表性的部位，否则将得出错误结论。
5、金相检验：试样经磨制抛光后，必要时可在浸蚀之前检查裂纹形态和夹杂物的情况，来判断是否是形成裂纹的原因。
6、作出结论：通过多方面的检验后，找出缺陷形成及产生的证据及原因，可能的话提出改进的建议。
三、常见的热处理缺陷有如下几种；1，、中碳钢及中碳合金钢淬火后正常组织是细小及中等粗细的马氏体。
当这种马氏体组织中有部分铁素体，就会使淬火马氏体的硬度下降，当铁素体数量越多硬度就越低，产生这种现象的主要原因是加热温度低于A C3。
所致。
2、另外在中碳钢及中碳合金钢淬火后正常组织是细小及中等粗细的马氏体。
当这种马氏体组织中夹有贝氏体或屈氏体，有时还伴有少量铁素体，就会使淬火马氏体的硬度下降，后两者的数量越多则硬度越低，产生这种现象的主要原因是冷却速度不够迅速。
马氏体+铁素体组织马氏体+屈氏体组织当马氏体太细小，同时又出现白色块状铁素体，这是淬火加热温度偏低所制。
2、高碳钢及高碳合金钢再淬火后的正常淬火组织应该是针状或细针状马氏体及均匀分布的小颗粒炭化物。
当组织中炭化物颗粒较多，这说明炭化物溶入不足，马氏体的碳及合金化浓度不够，甚至有部分未溶入奥氏体的珠光体小区域存在，这时还表现为硬度低或硬度不均匀。
案例一：材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分，通过热处理改变材料内部的组织，将大幅度改变材料的性能。
这不，今天我参与了整个淬火的工艺操作，将直径是ϕ100的40Cr钢加工的销轴装炉加热，加热到850℃±10℃，保温180～200分钟，然后出炉。
先放在空气中冷却大约2～3分钟，眼见工件开始由红变黑，然后迅速放入二硝水溶液中快速冷却，直到冷却均匀为止。
改变了以前水淬油冷的方式，这样才能满足工件经过淬火回火后具有高的弹性极限、屈服点、和适当的韧性及抗疲劳能力，特别是硬度要求达到42～47HRC。
案例分析：1、为了提高硬度采取的方法，主要形式是通过加热、保温、冷却。
而冷却起着决定性的作用；2、淬火最理想的冷却曲线应该是：3、最常用的淬火冷却介质是水和油、盐水。
工人师傅没有按照教材中所述用水和油作淬火介质，虽然水是应用最为广泛的淬火介质，它不仅廉价易得，而且具有较强的冷却能力。
但它的冷却特性并不理想。
在需要快冷的650～500℃范围内，它的冷却速度较小；而在Ms点附近要慢冷时，它的冷速又太快，易使零件产生变形，甚至开裂。
因此只能用做尺寸较小、形状简单的碳钢零件的淬火介质。
油只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。
对于40Cr制造的销轴水淬，硬度达不到要求。
4、而工厂用自己配制的盐水（亚硝酸钠、硝酸钠和水按2：3：5的比例配成的二硝水溶液）淬火，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但快冷势必要造成很大的内应力，易使工件变形严重，甚至发生开裂。
为了防止工件开裂，工人师傅采取了慢—快—慢的冷却方式，就是案例中的空气—盐水—水。
这是根据上图中钢的理想淬火冷却曲线自我设计的方案。
只能说此法比以前改进了很多，能够满足该钢的使用要求。
5、存在的问题是：（1）操作中时间的严格控制是很难做到的，只是凭经验；（2）盐水的使用也只是处于摸索和经验阶段，在实际中，直到目前为止，还没有找到一种淬火冷却介质能符合这一理想淬火冷却速度。
铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防铝合金铸件热处理后常见的质量问题有：力学性能不合格、变形、裂纹、过烧等缺陷，对其产生原因和消除与预防方法分述如下。
〔1〕力学性能不合格通常表现为退火状态伸长率〔6 5〕偏低，淬火或时效处理后强度和伸长率不合格。
其形成的原因有多种：如退火温度偏低、保温时间缺乏，或冷却速度太快;淬火温度偏低、保温时间不够，或冷却速度太慢〔淬火介质温度过高〕；不完全人工时效和完全人工时效温度偏高，或保温时间偏长；合金的化学成分出现偏差等。
消除这种缺陷，可采取以下方法：再次退火，提高加热温度或延长保温时间;提高淬火温度或延长保温时间，降低淬火介质温度；如再次淬火，则要调整其后的时效温度和时间；如成分出现偏差，则要根据具体的偏差元素、偏差量，改变或调整重复热处理的工艺参数等。
〔2〕变形与翘曲通常在热处理后或随后的机械加工过程中，反映出铸件尺寸、形状的变化。
产生这种缺陷的原因是：加热升温速度或淬火冷却速度太快〔太剧烈〕；淬火温度太高；铸件的设计构造不合理〔如两连接壁的壁厚相差太大，框形构造中加强筋太薄或太细小〕；淬火时工件下水方向不当及装料方法不当等。
消除与预防的方法是：降低升温速度，提高淬火介质温度，或换成冷却速度稍慢的淬火介质，以防止合金产生剩余应力；在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位；根据铸件构造、形状选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具；变形量不大的部位，则可在淬火后立即予以矫正。
〔3〕裂纹表现为淬火后的铸件外表用肉眼可以看到明显的裂纹，或通过荧光检查肉眼看不见的微细裂纹。
裂纹多曲折不直并呈暗灰色。
产生裂纹的原因是：加热速度太快，淬火时冷却太快〔淬火温度过高或淬火介质温度过低，或淬火介质冷却速度太快〕；铸件构造设计不合理〔两连接壁壁厚差太大，框形件中间的加强筋太薄或太细小〕；装炉方法不当或下水方向不对;炉温不均匀，使铸件温度不均匀等。
消除与预防的方法是：减慢升温速度或采取等温淬火工艺；提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质；在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔热材料；采用专用防开裂的淬火夹具，并选择正确的下水方向。
金属材料组织缺陷形成机理分析金属材料的组织缺陷常常是导致其力学性能下降的主要原因之一。
对于金属材料组织缺陷形成机理的深入研究，有助于我们理解金属材料的性能变化规律，并进一步提高金属材料的性能。
金属材料的组织缺陷主要包括晶界、孔隙、位错和析出相等。
晶界是金属晶粒之间的界面，是金属材料中不可避免的一种缺陷形态。
晶界的存在对金属材料的塑性变形和热稳定性都会产生显著影响。
孔隙是金属材料中的空隙，常常由于金属材料的制备过程中留下的气体或液体引起。
孔隙的存在会导致金属材料的强度降低以及疲劳寿命缩短。
位错是金属晶体内部的线性缺陷，通常由于金属材料的加工过程或外力作用引起。
位错的存在会导致金属材料的变形行为和力学性能发生变化。
析出相是金属材料中存在的非基底相，常常由于固溶体中的固溶度限制或金相转变引起。
析出相的存在会引起金属材料的显微硬化和晶界强化效应。
金属材料组织缺陷的形成机理具有复杂性和多样性。
首先，金属材料的制备过程中存在的化学反应、相变行为和成分偏析等都会导致组织缺陷的形成。
例如，金属材料的合金化过程中，不同元素之间的化学反应会导致相变和析出相的形成。
其次，金属材料的加工过程中的机械变形会引起位错的形成和运动。
金属材料在加工过程中所经历的塑性变形会导致晶界的运动和分布的变化，从而形成晶界缺陷。
此外，金属材料在高温条件下的热处理也会影响组织缺陷的形成。
热处理过程中的相变行为和固溶体的析出相会改变金属材料的晶界、孔隙和位错等缺陷的分布和性质。
为了深入理解金属材料组织缺陷的形成机理，研究人员通常采用多种先进的材料表征技术和数值模拟方法。
例如，透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）可以观察到金属材料中的晶界和位错等缺陷形态。
X射线衍射（XRD）和能谱分析技术可以分析金属材料中的析出相和化学成分。
此外，通过应用分子动力学模拟、有限元分析和相场模型等数值模拟方法，可以模拟金属材料的相变行为、位错运动以及晶界演化等过程。
热处理缺陷的成因分析及解决方案(图）模具的热处理包含了预备热处理、最终热处理及表面强化处理.模具热处理中，淬火是常见工序。
然而，因种种原因,有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。
通常热处理缺陷是指模具在最终热处理过程中或在以后的工序中以及使用过程中出现的各种缺陷,如淬裂、变形超差、硬度不足、电加工开裂、磨削裂纹、模具的早期破坏等。
分析热处理缺陷产生原因，进而采取相应预防措施,具有显著的技术经济效益。
⒈纵向裂纹裂纹呈轴向,形状细而长。
当模具完全淬透即无心淬火时，心部转变为比容最大的淬火马氏体，产生切向拉应力,模具钢的含碳量愈高,产生的切向拉应力愈大,当拉应力大于该钢强度极限时导致纵向裂纹形成。
以下因素又加剧了纵向裂纹的产生：(1）钢中含有较多S、P、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质，钢锭轧制时沿轧制方向呈纵向严重偏析分布，易产生应力集中形成纵向淬火裂纹，或原材料轧制后快冷形成的纵向裂纹未加工掉保留在产品中导致最终淬火裂纹扩大形成纵向裂纹；(2)模具尺寸在钢的淬裂敏感尺寸范围内（碳工具钢淬裂危险尺寸为8—15mm，中低合金钢危险尺寸为25—40mm)或选择的淬火冷却介质大大超过该钢的临界淬火冷却速度时均易形成纵向裂纹.解决方案：(1)严格原材料入库检查，对有害杂质含量超标钢材不投产；（2)尽量选用真空冶炼，炉外精炼或电渣重熔模具钢材; （3）改进热处理工艺，采用真空加热、保护气氛加热和充分脱氧盐浴炉加热及分级淬火、等温淬火; （4）变无心淬火为有心淬火即不完全淬透,获得强韧性高的下贝氏体组织等措施，大幅度降低拉应力,能有效避免模具纵向开裂和淬火畸变。
⒉横向裂纹裂纹特征是垂直于轴向。
未淬透模具，在淬硬区与未淬硬区过渡部分存在大的拉应力峰值，大型模具快速冷却时易形成大的拉应力峰值，因形成的轴向应力大于切向应力,导致产生横向裂纹。
锻造模块中S、P、Bi、Pb、Sn、As等低熔点有害杂质的横向偏析或模块存在横向显微裂纹，淬火后经扩展形成横向裂纹。
<<金属热处理缺陷分析及案例>>试题一、填空题1、热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三个方面的原因。
2、热处理缺陷分析方法有：断口分析、化学分析、金相检验、力学性能试验、验证试验、综合分析。
3、断裂可分为两种类型：脆性断裂和韧性断裂。
4、金属断裂的理论研究表明：任何应力状态都可以用切应力和正应力表示，这两种应力对变形和断裂起着不同的作用，只有切应力才可以引起金属发生塑性变形，而正应力只影响断裂的发展过程。
5、热处理变形常用的校正方法可分为机械校正法和热处理校正法。
6、热应力是指由表层与心部的温度差引起的胀缩不均匀而产生的内应力。
7、工程上常用的表面淬火方法主要有高频感应加热淬火和火焰淬火两种。
8、热处理中质量控制的关键是控制加热质量和冷却质量。
9、过热组织晶粒粗大的主要特征是奥氏体晶粒度在3级以下。
10、真空热处理常见缺陷有表面合金元素贫化、表面不光亮和氧化色、表面增碳或增氮、粘连、淬火硬度不足、表面晶粒长大。
11、低温回火温度范围是（150－250）℃，中温回火温度范围是（350－500）℃，高温回火温度范围是（500－6 50）℃。
12、工件的形状愈不对称，或冷却的不均匀性愈大，淬火后的变形也愈明显。
13、马氏体片越长，撞击能量越高，显微裂纹密度会越大，撞击应力会越大，显微裂纹的数目和长度也会增加。
14、合金元素通过对淬透性的影响，从而影响到淬裂倾向，一般来说，淬透性增加，淬裂性会增加。
合金元素对M S的影响较大，一般来说，M S越低的钢，淬裂倾向越大。
15、一般来说，形状简单的工件，可采用上限加热温度，形状复杂、易淬裂的工件，则应采用下限加热温度。
16、对于低碳钢制工件，若正常加热温度淬火后内孔收缩，为了减小收缩，要降低淬火加热温度；对于中碳合金钢制的工件，若正常加热温度淬火后内孔胀大，为了减小孔腔的胀大，需降低淬火加热温度。
17、工件的热处理变形分为尺寸变化和形状畸变两种形式。
二、单项选择题1、淬火裂纹通常分为 A 四种。
A、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、剥离裂纹B、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、显微裂纹C、纵向裂纹、横向裂纹、网状裂纹、表面裂纹D、纵向裂纹、横向裂纹、剥离裂纹、应力集中裂纹2、第一类回火脆性通常发生在淬火马氏体于 B 回火温度区间，这类回火脆性在碳钢和合金钢中均会出现，它与回火后的冷却速度无关。
A、（200－300）℃B、（200－400）℃B、（250－350）℃D、（300－400）℃3、完全退火的加热温度区间是 B 。
A、AC1＋（30－50）℃B、AC3＋（30－50）℃C、AC m＋（30－50）℃D、（850－900）℃4、Ⅲ类热处理炉的有效加热区炉温均匀性要求控制在 B 。
A、±5℃B、±10℃C、±15℃D、±20℃5、气体渗碳层深度范围是 D 。
A、0.05－1.0mmB、0.2－0.8mmC、0.2－3.0mmD、0.25－3.0mm6、对于碳含量较高的55钢制试样，组织应力成为引起变形的主导因素，试样的变形为 C 。
A、中部直径增大，端部直径缩小，长度缩短B、中部直径增大、端部直径增大，长度增大C、中部直径缩小、端部直径增大，长度增大D、中部直径缩小、端部直径缩小，长度增大7、Cr13型不锈钢有明显的回火脆性，称为475℃脆性，因此Cr13型不锈钢应尽量避免在 B 回火。
A、（400－450）℃B、（400－500）℃C、（450－500）℃D、（450－550）℃8、盐水在 C 之间，具有最大的冷却能力，约相当普通水的10倍，而在低温区则与水的冷速相当。
A、（450－550）℃B、（500－600）℃C、（550－650）℃D、（600－700）℃9、结构钢经淬火＋低温回火处理后，其正常的组织状态为 B 。
A、索氏体B、回火马氏体＋少量残留奥氏体C、回火马氏体D、回火马氏体＋碳化物10、渗碳件的淬火温度通常为 D 。
A、AC1＋（30－50）℃B、（780－800）℃C、AC m＋（30－50）℃D、（800－820）℃11、冷作模具钢的最终热处理工艺是 A 。
A、淬火＋低温回火B、淬火＋中温回火C、淬火＋高温回火D、淬火＋时效三、多项选择题1、热处理缺陷一般按缺陷性质分类，主要包括A、B、C、D 七大类。
A、热处理裂纹、变形B、残留应力C、组织不合格、性能不合格D、脆性及其他缺陷2、热处理是使金属零件改善A、B、C、D ，提高产品使用寿命和提高效能的重要工艺。
A、力学性能B、物理性能C、化学性能D、工艺性能3、钢件的横向淬火裂纹的形成倾向同以下因素有关：A、B、C。
A、钢的成分和硬化层分布B、冶金质量C、直径和形状D、淬火加热温度4、脱碳会明显降低钢的A、B、D 。
A、淬火硬度B、耐磨性C、耐蚀性D、疲劳性能5、渗碳组织缺陷主要有A、B、D。
A、表层碳化物过多，呈大块状或网状分布B、残留奥氏体过多和马氏体粗大C、针状组织D、内氧化和黑色组织6、氢脆可分为A、B、C、D。
A、内部氢脆B、环境氢脆C、可逆氢脆D、不可逆氢脆7、铝合金热处理可能产生的特殊热处理缺陷有A、B、C、D等。
A、高温氧化B、包铝板铜扩散C、起泡D、腐蚀或合金耐蚀性能降低8、为了防止电镀裂纹产生，可以采取以下措施A、B、C、D。
A、尽量减少零件在酸洗、电镀溶液中的停留时间B、尽量降低溶液的温度C、零件在电镀前充分回火，消除存在的内应力D、电镀后，采用低温时效来减轻氢的危害9、残留压应力通常产生在经过A、C等加工的表层中。
A、塑性拉伸、喷丸处理、滚压加工B、挤压、高速切削、磨削C、渗碳、渗氮、碳氮共渗、高频感应加热淬火处理D、拉拔加工、电镀10、其他热处理缺陷，主要包括B、C、D等。
A、高温合金热处理缺陷B、化学热处理和表面热处理缺陷C、真空热处理和保护热处理缺陷D、非铁金属合金热处理缺陷四、简答题1、消除氢脆可采取哪些措施？答：1）脱氢处理；2）低温处理；3）自然时效；4）尽量在含氢量低的气氛中进行淬火加热。
2、预防淬火裂纹的方法有哪些？答：1）正确进行产品设计；2）合理安排工艺路线；3）确定合理的加热参数；4）选定合适的淬火方法；5）选择合适的淬火介质；6）及时回火和局部包扎。
3、影响热处理变形的因素有哪些？答：1）化学成分；原始组织和应力状态；3）工件几何形状；4）工艺参数；5）时效与冷处理。
4、消除应力退火的主要目的是什么？答：消除应力退火的主要目的是消除铸造、锻造、焊接及机械加工等工序所造成的内应力。
5、在哪些情况下会发生横向裂纹？答：1）较大的工件未淬透时，在工件的淬硬区与非淬硬区之间易产生横向裂纹；2）在表面淬火时硬化区和非硬化区之间易形成过渡区裂纹；3）工件有凹槽、棱角、截面突变处时常发生弧形裂纹；4）淬火工件有软点时，软点周围也存在一个过渡区，易形成弧形裂纹；5）带槽、中心孔或销孔的零件淬火时，在过渡区也形成弧形裂纹。
6、什么叫过烧？答：加热温度接近其固相线附近时，晶界氧化和开始部分熔化的现象，称之为过烧。
7、热处理的目的是什么？答：热处理的目的就是通过加热和冷却使金属和合金获得期望的微观组织，以便改变材料的加工工艺性能或提高工件的使用性能，从而延长其使用寿命。
8、工件有效厚度的计算原则是什么？答：薄板工件的厚度即为其有效厚度；长的圆棒料直径为其有效厚度；正方体工件的边长为其有效厚度；长方体工件的高和宽小者为其有效厚度；带锥度的圆柱形工件的有效厚度是距小端2L/3（L为工件的长度）处的直径；带有通孔的工件，其壁厚为有效厚度。
9、真空热处理时引起工件表面光亮度变化的机理是什么？答：引起工件表面光亮度变化的机理有两种：1）真空炉有弱氧化气氛，引起工件表面氧化着色而损坏了光亮度；2）真空炉内真空度过高，工件表面发生元素贫化而损坏光亮度。
10、怎样抑制和防止第二类回火脆性的产生？答：1）提高钢水纯净度，尽量减少钢中有害杂质元素的含量；2）钢中添加Mo或W，以延缓P等杂质元素向晶界的偏聚；3）高温回火后快速冷却；4）采用两相区淬火；5）细化奥氏体晶粒；6）采用高温形变热处理；7）渗氮钢应当尽量选择对回火脆性敏感程度较低的含钼钢；8）焊接构件焊接后往往需要进行去应力退火。
五、案例分析题1、众所周知，壁厚不均匀和有尖角的工件，淬火时易变形开裂。
但某些形状既不复杂且壁厚均匀的工件，淬火时也易开裂。
如某厂生产的6250柴油机45钢连杆螺母和喷油头紧帽等工件。
采用常规工艺，810－830℃盐浴加热，在（3%－7%）的NaOH水溶液中淬火时，就易开裂。
试对其进行分析并提出防止措施。
答：经分析研究，引起开裂的主要原因是与工件截面尺寸是否处于该材料的易裂尺寸范围有密切关系。
据文献介绍，45钢件的易裂尺寸范围为5－11mm。
同时，钢的化学成分也影响开裂。
生产实践也证明，当45钢工件处于易裂尺寸范围5－11 mm，且C、Cr、Mn等含量在规定含量的上限时，就更容易开裂。
为防止45钢工件在易裂尺寸范围淬火开裂的方法，进行了如下工艺试验。
1）淬火温度试验。
采用780±10℃的亚温淬火，淬火硬度仍保持在50HRC以上，减小了热应力，减小了开裂倾向。
2）保温时间试验。
缩短保温时间，采用0.2－0.3min/mm的加热系数，既能保证该件奥氏体化，又能减小开裂倾向。
3）淬火介质试验。
通过对比试验，采用在25%NaNO3＋20%NaNO2＋20%KNO3＋35%H2O配制的三硝水溶液中淬火，并在冷至200℃左右后，立即将工件取出空冷，及时进行回火，通过这一方法，既能防止工件开裂，又能保证淬火硬度要求。
通过以上工艺试验，可以确定采用亚温加热、缩短保温时间和采用三硝水溶液淬火，并及时进行回火等措施，对防止45钢工件在易裂尺寸范围的开裂有较好的效果。
2、GCr15轴承钢是某厂制作卸载阀的材料，多年来的生产情况表明，轴承钢零件进行正常的最终热处理（淬火＋低温回火）后，因淬火开裂而报废的废品率高达20%－30%，有时甚至达到50%。
试对其进行分析并提出防止措施。
答：轴承钢经正常的工艺规范进行锻压后，得到的是细片状珠光体，硬度较高，难以加工，故需进行球化退火处理，获得均匀细粒状的珠光体，以改善切削加工性和减少最终热处理时的变形、开裂倾向。
以前轴承钢的球化处理，一直采用等温球化退火工艺，球化组织为点状球光体＋细粒状状珠光体。
GCr15钢零件（卸载阀）的最终热处理工艺为：淬火温度（840±10）℃，保温6－8 min，淬油；（220±10）℃×1－1.5h回火。
根据多年的废品情况分析，确认球化质量不理想是GCr15钢零件淬火易裂的根本原因。
