沿晶裂紋形成機(jī)制的研究
1 概述
研磨裂紋是沿晶粗大滲碳體封閉網(wǎng)熱應(yīng)力引起的裂紋。由于終軋溫度過高造成晶粒粗大，軋后冷卻緩慢而在奧氏體晶界析出封閉網(wǎng)狀Fe3C，這些封閉的幾微米厚的網(wǎng)狀Fe3C是一種脆性相，在正常研磨壓力和熱應(yīng)力的作用下，就容易在這里形成顯微裂紋，并以沿晶界滲碳體解理斷裂的方式擴(kuò)展，形成宏觀的研磨裂紋。沿晶斷裂是指沿不同取向的晶粒所形成的晶粒界面分離，其斷口為沿晶斷口，分塑性沿晶斷裂和脆性沿晶斷裂兩種。通常，由于雜質(zhì)元素的晶界偏析和氫脆及應(yīng)力腐蝕引起的沿晶脆斷，在掃描電鏡下脆性沿晶斷裂具有冰糖塊狀特征。但本文所敘述的是一種與冰糖塊狀完全不同的沿晶界滲碳體網(wǎng)解理斷裂的脆性沿晶斷口，冰糖塊狀脆性沿晶斷口所顯露的是各晶粒界面的光滑界面，沿晶界滲碳體網(wǎng)解理斷裂看不到各晶粒的光滑界面，晶面已被一層以解理破斷方式的滲碳體所覆蓋，關(guān)于這種脆性沿晶斷裂，作者做了較深入的研究。
軸承鋼某爐號(hào)130方鋼坯表面有細(xì)小的縱向裂紋，當(dāng)研磨這些表面裂紋時(shí)，裂紋迅速向里擴(kuò)展，甚至產(chǎn)生新的裂紋，這一現(xiàn)象稱之為研磨裂紋。另外，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一支同爐鋼坯在吊運(yùn)中從空中掉下，被摔斷成兩截，其斷口呈現(xiàn)粗晶特征，表現(xiàn)了明顯的脆性斷裂。關(guān)于研磨裂紋，通常認(rèn)為是由于磨擦產(chǎn)生熱，使研磨處局部溫度過高，在鋼坯表面和內(nèi)部形成較大溫差，同時(shí)又受到外面空氣的冷卻和冷鋼坯本身的急冷作用，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，包括組織應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大于鋼的強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂紋，或者使原有的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。
為了找出此方坯產(chǎn)生研磨裂紋的原因，本文對(duì)此種研磨裂紋和脆性斷裂現(xiàn)象進(jìn)行了大量的分析和研究，并與合格的軸承鋼方坯的金相組織對(duì)比證實(shí)，在正常砂輪壓力或受沖擊力的作用之下，可以導(dǎo)致沿晶界粗大滲碳體網(wǎng)解理脆性斷裂發(fā)生，屬于一種特殊的脆性沿晶斷裂機(jī)制。
2 金相觀察與掃描電鏡斷口觀察
金相觀察發(fā)現(xiàn)，從鋼坯表面向里隨著深度的增加，晶粒尺寸逐漸增大。在其中心，晶粒度評(píng)級(jí)為1級(jí)，最大晶粒尺寸可達(dá)0.5mm，二次滲碳體沿晶界呈封閉式網(wǎng)狀分布，定量金相顯微鏡測(cè)得滲碳體厚度平均為2µm，最后可達(dá)14µm。軋后狀態(tài)的金相組織，晶內(nèi)為珠光體，晶界被滲碳體所覆蓋。滲碳體截面有的呈片狀，有的呈粗大的塊狀，封閉整個(gè)奧氏體晶粒。
觀察證實(shí)：裂紋在從表面向里擴(kuò)展中，無脫碳及氧化特征，說明研磨并沒有使局部過熱。在熱應(yīng)力及正常砂輪壓力的作用下，砂輪下的表面層沿著晶界滲碳網(wǎng)產(chǎn)生顯微裂紋，并繼續(xù)沿晶界滲碳體網(wǎng)擴(kuò)展。在顯微鏡下可以看到：在裂紋擴(kuò)展路徑附近的晶界二次滲碳體的中間已經(jīng)出現(xiàn)顯微裂紋，網(wǎng)狀滲碳體仍然存在，而合格的軸承鋼淬火后金相組織中沒有網(wǎng)狀滲碳體。
掃描電鏡觀察：軋后狀態(tài)、790℃×6h退火狀態(tài)、840℃×20min水淬三種熱處理狀態(tài)的斷口均為石狀沿晶斷裂和解理穿晶混合斷裂，其中以沿晶斷裂為主。在軋后狀態(tài)的脆性斷口中90%為沿晶界滲碳體解理斷裂，其余為解理斷裂。沿晶滲碳體解理斷裂，與通常的冰糖塊斷口有明顯的區(qū)別，屬于一種異常的沿晶脆性斷裂。從本質(zhì)上講，這是厚度達(dá)10µm的滲碳體從厚層的中間解理斷裂，研磨裂紋的擴(kuò)展路徑是沿晶和穿晶擴(kuò)展路徑。觀察發(fā)現(xiàn)退火后的解理穿晶斷裂區(qū)域增加，沿晶界滲碳體解理斷裂減少，但仍然占60%以上，淬火狀態(tài)的情況也是如此。這說明：原始狀態(tài)的粗晶造成的厚滲碳體網(wǎng)在隨后的處理中很難消除，這是造成軸承鋼鋼坯脆性斷裂的主要原因。
3 討論
可以推斷：產(chǎn)生沿晶脆斷的主要原因是終軋溫度過高所致，終軋溫度過高使軋后的晶粒粗大，平均晶粒度為1級(jí)，因此，同樣多的滲碳體，在奧氏體緩慢冷卻過程中，分布在粗晶邊界的網(wǎng)狀滲碳體的厚度要比正常粗晶析出的滲碳體厚得多。粗晶以及平均厚度達(dá)2µm的封閉式二次滲碳體網(wǎng)的形成，一方面說明終軋溫度較高，另一方面也說明軋后冷卻過于緩慢，使得溶解在奧氏體中的碳以Fe3C的形式在緩慢冷卻中沿奧氏體邊界充分析出和長(zhǎng)大，并包圍整個(gè)晶粒形成網(wǎng)狀。
這種析出和長(zhǎng)大過程是在兩相鄰晶粒的表面同時(shí)相向進(jìn)行的，所以在滲碳體層的中心部位會(huì)產(chǎn)生空隙、位錯(cuò)等微觀缺陷，成為滲碳體層較薄弱的區(qū)域，在正常研磨壓力、甚至在振動(dòng)力的作用下，就容易在這里形成顯微裂紋或瞬間脆性斷裂。
4 結(jié)論
軸承鋼研磨時(shí)出現(xiàn)的研磨裂紋是沿晶粗大滲碳體封閉網(wǎng)熱應(yīng)力引起的裂紋。由于鋼坯加熱溫度過高，導(dǎo)致軋后晶粒粗大。軋后鋼坯材冷卻又比較緩慢，使得Fe3C沿晶界充分析出和長(zhǎng)厚。在研磨時(shí)，正常的壓力和振動(dòng)力作用都可能導(dǎo)致脆性的Fe3C產(chǎn)生顯微裂紋，裂紋繼續(xù)沿著晶界滲碳體網(wǎng)擴(kuò)展，就形成了這種特殊形式的研磨裂紋和脆性斷裂。沿晶滲碳體網(wǎng)解理斷口是不同于流行的沿晶冰糖狀端口的異常斷裂方式，是對(duì)目前流行的脆性斷裂機(jī)制的新的理論補(bǔ)充。