沿晶裂紋形成機制的研究
1 概述
研磨裂紋是沿晶粗大滲碳體封閉網熱應力引起的裂紋。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狀Fe3C，這些封閉的幾微米厚的網狀Fe3C是一種脆性相，在正常研磨壓力和熱應力的作用下，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，由于雜質元素的晶界偏析和氫脆及應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130方鋼坯表面有細小的縱向裂紋，當研磨這些表面裂紋時，裂紋迅速向里擴展，甚至產生新的裂紋，這一現(xiàn)象稱之為研磨裂紋。另外，在現(xiàn)場調查時，發(fā)現(xiàn)有一支同爐鋼坯在吊運中從空中掉下，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。關于研磨裂紋，通常認為是由于磨擦產生熱，使研磨處局部溫度過高，在鋼坯表面和內部形成較大溫差，同時又受到外面空氣的冷卻和冷鋼坯本身的急冷作用，從而產生熱應力，包括組織應力。當應力大于鋼的強度時就產生裂紋，或者使原有的裂紋繼續(xù)擴展。
為了找出此方坯產生研磨裂紋的原因，本文對此種研磨裂紋和脆性斷裂現(xiàn)象進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比證實，在正常砂輪壓力或受沖擊力的作用之下，可以導致沿晶界粗大滲碳體網解理脆性斷裂發(fā)生，屬于一種特殊的脆性沿晶斷裂機制。
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，晶粒度評級為1級，最大晶粒尺寸可達0.5mm，二次滲碳體沿晶界呈封閉式網狀分布，定量金相顯微鏡測得滲碳體厚度平均為2µm，最后可達14µm。軋后狀態(tài)的金相組織，晶內為珠光體，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，封閉整個奧氏體晶粒。
觀察證實：裂紋在從表面向里擴展中，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產生顯微裂紋，并繼續(xù)沿晶界滲碳體網擴展。在顯微鏡下可以看到：在裂紋擴展路徑附近的晶界二次滲碳體的中間已經出現(xiàn)顯微裂紋，網狀滲碳體仍然存在，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。從本質上講，這是厚度達10µm的滲碳體從厚層的中間解理斷裂，研磨裂紋的擴展路徑是沿晶和穿晶擴展路徑。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，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2µm的封閉式二次滲碳體網的形成，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大，并包圍整個晶粒形成網狀。
這種析出和長大過程是在兩相鄰晶粒的表面同時相向進行的，所以在滲碳體層的中心部位會產生空隙、位錯等微觀缺陷，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 結論
軸承鋼研磨時出現(xiàn)的研磨裂紋是沿晶粗大滲碳體封閉網熱應力引起的裂紋。由于鋼坯加熱溫度過高，導致軋后晶粒粗大。軋后鋼坯材冷卻又比較緩慢，使得Fe3C沿晶界充分析出和長厚。在研磨時，正常的壓力和振動力作用都可能導致脆性的Fe3C產生顯微裂紋，裂紋繼續(xù)沿著晶界滲碳體網擴展，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，是對目前流行的脆性斷裂機制的新的理論補充。