試論機械構(gòu)件裂紋形成原因及斷口特征分析

錢蕾

【摘 要】隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，各種機電設備的復雜程度提高和大量應用，設備和人身事故也隨著不斷增加。因此各類事故的失效分析、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、仲裁檢驗和司法鑒定方面工作不僅數(shù)量大量增加，而且由于涉及學科較多，技術(shù)難度也更大。斷裂和裂紋與腐蝕一樣是機械構(gòu)件主要的失效形式，斷裂是構(gòu)件最危險的一種失效形式，而裂紋是構(gòu)件斷裂的主要因素。因此，掌握各種裂紋的形成原因、宏觀與微觀斷口特征非常重要。本文重要論述了構(gòu)件常見的幾種工藝裂紋形成原因。

【關(guān)鍵詞】裂紋；原因；斷口

1.鑄造裂紋

1.1熱裂紋

a、金屬凝固過程中由于有害雜質(zhì)在晶界處與金屬形成低熔點共晶薄膜，降低了金屬的強度和塑性，在收縮應力作用下形成裂紋（收縮裂紋），多發(fā)生于鑄件心部，沿晶擴展，有明顯的脫碳現(xiàn)象，裂紋尖端較圓鈍。裂紋內(nèi)可見夾雜物；斷口為沿晶開裂，有時可見明顯的偏析、疏松和孔洞；晶粒表面有自由表面特征，可見鵝卵石花樣，有時可見到非金屬夾雜物或共晶花樣。

b、鑄模模腔內(nèi)壁表面涂料與熔融金屬發(fā)生化學反應，在晶界處生成硅酸鹽與金屬低熔點共晶，造成鑄件表面龜裂。裂紋為沿晶，裂紋內(nèi)可見硅酸鹽夾雜物，裂紋尖端較圓鈍，裂紋兩側(cè)有輕微脫碳現(xiàn)象；斷口為沿晶，晶粒表面有自由表面特征，有時可見到硅酸鹽夾雜物或共晶花樣。

c、由于模腔內(nèi)壁表面有網(wǎng)狀裂紋，鋼液進入網(wǎng)狀裂紋起釘扎作用，影響鑄件自由收縮，形成龜裂，該龜裂是沿晶，裂紋兩側(cè)金屬輕微脫碳，但晶粒表面沒有或很少有夾雜物。另外，鑄件設計不合理，在冷卻過程中收縮受阻，或者鑄件壁厚相差懸殊，冷卻嚴重不均勻，在鑄件應力集中處易形成裂紋。裂紋為沿晶，輕微脫碳，尖端較圓鈍，但晶粒表面沒有或很少有夾雜物。

1.2冷裂紋

鑄件在較低的溫度下形成的裂紋，是由于熱應力和組織應力較大造成的。多發(fā)生于應力集中部位，金相觀察為穿晶擴展，裂紋兩側(cè)金相組織與基體金相組織相同，沒有脫碳現(xiàn)象，裂紋尖端較尖。斷口為穿晶，多為解理和準解理斷裂，斷口呈銀白色或輕微氧化色。

2.鍛造裂紋

2.1熱裂紋

a、過燒。由于鍛造前加熱溫度過高造成晶界氧化，形成表面龜裂。過燒主要發(fā)生于棱角處或壁厚較薄處。金相觀察裂紋為網(wǎng)狀沿晶開裂，裂紋內(nèi)有氧化物，裂紋兩側(cè)有明顯脫碳。過燒嚴重時，金屬呈豆腐渣狀。斷口觀察，為沿晶，晶粒表面有厚厚的氧化皮。

b、熱脆。鋼中S含量較高，鍛造加熱時在奧氏體晶界處FeS與Fe形成低熔點共晶，在較低的溫度熔化，鍛打時形成裂紋。裂紋呈龜裂狀。金相觀察為沿晶開裂，晶表有氧化，裂紋內(nèi)有硫化物。斷口觀察，為沿晶，晶粒表面看見硫化物共晶花樣。如果鍛件加熱燃料含硫較高，引起硫向金屬內(nèi)滲透，可引起鍛件表面龜裂。

c、銅脆。當鋼中含有較高的Cu（0.2%以上），由于Cu比Fe化學性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫時發(fā)生選擇性氧化，鋼表面Fe氧化生成氧化鐵，Cu不氧化沉淀于氧化皮下，在Fe與氧化皮之間形成一薄層Cu膜，并沿奧氏體晶界向鋼中擴散。含Cu鋼材加熱溫度越高，加熱時間或次數(shù)越多，Cu層越厚。在1100℃左右時Cu熔化，鍛造時形成網(wǎng)狀裂紋。宏觀觀察鍛件受拉表面可見網(wǎng)狀裂紋。金相檢驗可見氧化皮下有Cu層，Cu沿原奧氏體晶界向鋼中擴散，裂紋是沿原奧氏體晶界擴展。電鏡觀察，斷口為沿晶，晶粒表面可見Cu顆粒。

d、停鍛溫度過低，鍛件變形能力下降或有第二相析出，以及錘擊過重使鍛件變形太激烈等都會造成鍛件沿晶界或兩相交界面開裂。開鍛溫度過低或開鍛錘擊過重會造成沿柱狀晶界產(chǎn)生對角線開裂。裂紋為沿晶，有時斷口上可見較密集的第二相，有氧化和脫碳現(xiàn)象。

2.2冷裂紋

a、鍛軋前加熱保溫時間不足，心部未熱透，高合金鋼心部碳化物偏析嚴重，鍛軋時易形成從心部向外放射的裂紋。裂紋多為穿晶或沿碳化物界面開裂，有輕微脫碳。斷口為解理或準解理，有的可見碳化物碎片。

b、一些尺寸較大或合金含量較高的鋼鍛件鍛后冷卻不當或鍛后需預備熱處理而未及時進行熱處理的，由于相變產(chǎn)生的組織應力、冷卻過快產(chǎn)生的較大熱應力與鍛造變形產(chǎn)生的形變殘余應力迭加，也會造成鍛件開裂，斷裂在鍛后一段時間內(nèi)發(fā)生。這種裂紋一般多發(fā)生于應力集中部位，較直，較長，有的開口較大。裂紋尖端較尖，裂紋兩側(cè)金相組織與其他部位相同，沒有脫碳現(xiàn)象，裂紋為穿晶。斷口為解理或準解理，呈銀白色，無氧化現(xiàn)象。

c、白點（發(fā)裂或發(fā)紋）是由溶解氫和組織應力共同作用形成的裂紋。裂紋發(fā)生的溫度較低，多位于鍛件心部，裂紋細而短，多條呈放射狀或無規(guī)律分布。奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較低的含Cr、Ni、Mn低合金鋼鍛后未及時進行消氫處理時易于發(fā)生。金相觀察，發(fā)裂裂紋細長，穿晶擴展，尖端較尖，無脫碳和氧化現(xiàn)象。斷口宏觀觀察，為圓形或橢圓形亮白點，白亮點稍高于或低于周圍金屬。電鏡觀察白點為解理或準解理斷口，有時斷口形貌呈流水狀。

d、鍛軋拔件在加工過程中出現(xiàn)的劃痕、折疊，以及鑄錠皮下氣孔未消除干凈等引起鍛裂缺陷。劃傷多與表面垂直，較直較長，尖端較圓鈍，有時兩側(cè)看見金屬變形，劃痕內(nèi)常夾有氧化物，斷口表面可見碎塊狀氧化物，細的平行拉痕，無斷裂特征；折疊一般與鍛件表面成銳角，兩側(cè)有嚴重脫碳，內(nèi)有碎塊狀氧化物，尖端較圓鈍，斷口上有氧化物碎塊堆積，無斷裂特征。鑄錠皮下氣孔未消除干凈引起鍛裂缺陷一般長度較短，垂直鍛件表面。原氣孔部分有時可見氧化和脫碳，斷口無斷裂特征，擴展部分為穿晶，無氧化和脫碳，尖端較尖，斷口多為解理。劃痕和折疊在鍛造過程中也可能擴展形成裂紋，擴展裂紋的形態(tài)應與皮下氣孔的相同。

3.熱處理裂紋

（1）淬火龜裂。表面脫碳的高碳鋼零件在淬火時，由于表面層金屬比容小，在拉應力作用下產(chǎn)生龜裂。裂紋位于脫碳層，沿晶擴展，有輕微氧化。

（2）過熱裂紋。由于淬火溫度過高，造成過熱或過燒，使晶界弱化或氧化，在熱應力和組織應力作用下，在表面形成網(wǎng)狀裂紋。裂紋多發(fā)生于應力集中處（過熱）或棱角處（過燒），沿晶擴展。過熱裂紋有輕微氧化，過燒裂紋氧化和脫碳均較嚴重。

（3）淬火直裂。細長桿件在心部完全淬透的情況下，由于熱應力和組織應力共同作用下發(fā)生的縱向直線裂紋。多發(fā)生于應力集中處或夾雜處，裂紋為穿晶，尖端較尖，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象。準解理斷口，表面輕微氧化。

（4）熱處理應力裂紋。加熱速度過快和冷卻速度不當造成零件內(nèi)外溫差和組織應力過大而引起的裂紋。裂紋在外表面張口稍大，向里則較細，尖端尖銳，多為穿晶，也有沿晶或混合斷裂，裂紋兩側(cè)金相組織相同。無脫碳和氧化現(xiàn)象。斷口呈銀白色或有帶顏色的薄膜，穿晶斷口為準解理斷裂。

（5）淬火延遲裂紋。工件淬火后停留較長時間而未及時回火，淬火殘余應力和停留期間發(fā)生相變的組織應力共同作用下造成工件突然開裂。裂紋平直，張口較大，尖端較尖銳，多為穿晶開裂，也有沿晶或混合斷裂。斷口呈銀白色，較細膩平坦，穿晶斷口為準解理。

（6）由于化學熱處理、化學成分偏析，或由于存在內(nèi)孔、溝槽、缺口處淬火時冷卻速度較小，造成金相組織不均勻，形成較大的組織應力和熱應力，在淬硬組織和未淬硬組織的過渡處形成裂紋。裂紋多呈弧形，穿晶開裂，尖端較尖銳，無脫碳和氧化現(xiàn)象，有時可見金相組織嚴重不均勻現(xiàn)象。斷口呈銀白或有帶顏色的薄膜，穿晶斷口為準解理斷裂。

（7）在含氫氣氛加熱淬火工件時也會發(fā)生氫致裂紋，裂紋的金相和斷口特征與焊接氫致延遲裂紋相同。