钢铁材料沿晶开裂的基本认识

钢铁战士

沿晶和穿晶虽然都有晶字，但前者指晶界，后者指晶粒。为什么有的时候多晶体金属发生穿晶开裂，有的时候发生沿晶开裂呢？这就好像女人怀孕后有时生男孩有时生女孩一样，是一种竞争的结果。不同的是，不同的开裂模式比的是金属内部哪里更弱。

通常情况下晶粒内部要比晶界更弱，所以在大多数金属材料拉伸试验的断口上大家更多地观察到的是韧窝。只有在一些特殊情况下晶界才会比晶粒内弱，今天就详细说说晶界弱化的一些常见现象及原因。

在一般情况下，在开裂的晶界上几乎不会发现任何变形过程的痕迹。如图1a所示的情况下，钢在渗碳淬火过程中在所谓的表面硬化的第一步。众所周知，扩散优先沿晶界发生。在快速冷却（淬火）中，奥氏体转变为马氏体。


表面硬化：渗碳晶界开裂

作为渗碳结果，原奥氏体晶界现在代表过饱和碳区。在回火过程中，碳与金属结合形成碳化物，在晶界上形成碳化物壳，阻碍位错的滑移，从而提供裂纹扩展路径。

在表面硬化的过程中，如果不采用渗碳加热过程直接淬火而是采用再次加热的方式实现硬化，那么晶间脆化就可以避免。然而，出于对成本的考虑，往往不会这么做，而是直接进行渗碳淬火。

通过双相相变可以生成更细化的晶粒，如正火过程。然而，避免脆化的主要原因是，碳原子可以以一个令人满意的方式从原奥氏体晶界向基体进行扩散。

更重要的问题是所谓的回火脆化，经常发生在大型锻件上，因为他们冷却过程非常缓慢。

因此，通常覆盖在奥氏体晶粒上的硫化物，可以通过砷、锑、磷等原子扩散的增加，在575ºC向350ºC的温度范围内冷却时，这种状态一般情况下是亚临界的。

当钢在熔点以下退火时，它会“过烧”，即氧进入钢内，导致内氧化。氧的渗透沿着晶界优先进行，这也与渗碳过程类似，可以通过剥离晶界壳变得可见（图1b）。在上述的回火脆化中，晶界上的偏析会在较高的温度下再次溶解。


内氧化：晶界壳剥落

因此，通过加热超过600°C然后快速冷却，然后脆化可以被消除。这种溶解行为的一个例外是的硫化物。这就是抗蠕变钢“松弛开裂”的原因：在焊接过程中，熔合线附近区域的晶界，由于硫化物弥散分布。当进行去应力退火时，硫化物分散凝结形成0.1-0.5μm直径的粒子。

这些颗粒的产生不应该是关键的，但是，它是伴随着第二个过程：抗蠕变钢中或多或少采用了铬、钼和钒或铌进行合金化，形成热稳定的碳化物。在焊接过程中和沉淀物高度分散的退火过程中，这些碳化物溶解到了上述关键区域中。

令人惊讶的是，在所有这些情况下，沿晶界的微小区域里仍然没有沉淀物。因此，这些区域具有非常低的蠕变能力。因此，应力消除所需的滑动被限制在这些无沉淀区，同时被凝固的硫化物削弱。

硫化物作为蠕变核心，然后就形成了孔洞，它们连接在一起，就产生了裂纹。归因于这一过程，断裂面就表现了相应的细化的韧窝，覆盖在晶界上，如图1c所示。在韧窝中，由于硫化物尺寸很小，所以它们只是隐隐可见。总蠕变变形不超过0.2-0.3%，即断裂相对于宏观尺度而言是脆的，这与微观韧性特征相矛盾。相同的微观结构有时候在奥氏体钢、黄铜、铝和镍合金中也会被发现，它总是与无沉淀区现象联系在一起。




松弛开裂：晶界上有大量的细小韧窝

几中常见的沿晶开裂包括：淬火时效脆化、淬火开裂、回火马氏体脆化、回火脆化、石墨化、内部氧化、液体金属脆化或固体金属脆化、氢脆、应力腐蚀开裂和高温晶界弱化。感兴趣的朋友可以跟帖讨论！

孤独寒松

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钢铁侠之父

挺深，只知道一部分，学习了

iorilcq

未热处理发生沿晶开裂是什么原因呢