前 言

　　鋼鐵材料斷口分析的發(fā)展概括起來主要經(jīng)歷了三個階段：肉眼、放大鏡和光學(xué)顯微鏡直接觀察階段;用透射電子顯微鏡觀察斷口復(fù)型的間接觀察階段;用掃描電子顯微鏡直接觀察階段。因為斷口是一個凹凸不平的粗糙表面，觀察斷口所用的顯微鏡要具有最大限度的景深、盡可能寬的放大倍數(shù)范圍和高的分辨率，而掃描電子顯微鏡可滿足上述綜合要求，故現(xiàn)在對斷口分析均采用掃描電子顯微鏡。

　　掃描電鏡作為現(xiàn)代材料科學(xué)應(yīng)用最廣泛的分析檢測儀器在多個領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，其中在鋼鐵材料分析研究中的應(yīng)用主要包括：材料的微觀形貌、組織、成分分析;材料斷口分析;材料失效分析;材料實時微區(qū)成分分析，元素定量、定性成分分析，快速多元素面掃描和線掃描分析;材料的晶體、晶粒的相鑒定，晶粒尺寸、形狀分析，晶體、晶粒取向測量等等。

　　鋼鐵冶煉鑄造過程中會產(chǎn)生一些冶金缺陷，造成產(chǎn)品后續(xù)加工或使用過程中產(chǎn)生開裂或斷裂，采用掃描電鏡對產(chǎn)品斷口進(jìn)行微觀觀察分析，尋找原因，提出改進(jìn)和預(yù)防措施，其作用和意義重大。下面列舉幾個鋼坯和鋼材典型斷口的微觀形貌及形成原因進(jìn)行扼要介紹。

　　一、 連鑄坯沿晶開裂斷口

　　在連鑄坯斷口中，時常會觀察到裂紋沿粗大的柱狀晶晶界開裂的情況，且晶界上呈現(xiàn)出自由凝固高溫開裂光滑特征(見圖1)。其產(chǎn)生原因主要是因連鑄澆注溫度偏高、拉速不穩(wěn)或拉速偏快所致。

　　圖1 連鑄坯沿粗大柱狀晶晶界開裂，晶界上呈現(xiàn)自由凝固光滑高溫開裂微觀特征

　　二、 連鑄坯粗大柱狀晶、氣孔、疏松及縮孔缺陷斷口

　　當(dāng)鋼中氣體含量較高時，在連鑄坯橫截面中部粗大柱狀晶沿晶斷口上可見較多的小氣孔缺陷(見圖2上圖);當(dāng)連鑄工藝控制不佳時由于補(bǔ)縮不足，在橫截面的心部部位斷口上可觀察到較多的疏松缺陷、較大尺寸的縮孔缺陷(見圖2下圖)。氣孔、嚴(yán)重疏松、縮孔等缺陷對成品質(zhì)量均會產(chǎn)生不利影響。

　　圖2 連鑄坯中柱狀晶晶界上的小氣孔缺陷、心部疏松及縮孔缺陷微觀特征

　　三、 連鑄坯晶界上存在兩種形態(tài)的硫化物斷口

　　鋼中非金屬夾雜物是不可能完全消除的，在盡可能降低其含量的同時，科學(xué)有效地控制夾雜物的類型、尺寸、分布和形態(tài)，可降低其對鋼材的危害。硫化物夾雜種類較少，最主要的是MnS。MnS在鋼液中不能生成，在鋼凝固時由于硫的偏析，硫化物夾雜才析出于樹枝晶間。冷卻速度越快，析出的硫化物顆粒越小，但數(shù)目增多。隨著鋼中氧含量的不同，連鑄坯中硫化物夾雜有3類形態(tài)， I類硫化物為無規(guī)則分布的尺寸較大的球狀，在含氧量高的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼中可見到，它是在凝固初期與鐵晶體同時析出的。Ⅱ類硫化物為網(wǎng)狀或枝晶狀沿晶分布，是凝固后期生成的。Ⅲ類硫化物是邊、角、面都較清晰顯現(xiàn)的無規(guī)律分布的小顆?；蛐K狀，出現(xiàn)于過量鋁脫氧的鋼中，是由于凝固過程中硫化物自發(fā)形成的結(jié)果。硫化物夾雜塑性較好，在軋鋼時沿軋制方向延伸成細(xì)條狀。Ⅱ類硫化物在軋鋼后可形成條帶，所以無論在鑄態(tài)或在軋態(tài)鋼中，Ⅱ類硫化物對鋼的性能影響及危害最大。圖3顯示了連鑄坯晶界上存在的兩種不同形態(tài)的MnS夾雜物斷口形貌特征。

　　圖3 連鑄坯斷口晶界上存在的枝晶狀MnS(上)與顆粒狀MnS(下)夾雜微觀特征

　　四、 鋼的解理與準(zhǔn)解理斷口

　　解理是鋼鐵材料受力后沿晶體內(nèi)部一定的結(jié)晶學(xué)平面(低指數(shù)面)發(fā)生開裂的現(xiàn)象，宏觀上呈結(jié)晶狀，微觀形貌包括解理河流、解理羽毛、解理扇、人字紋花樣、舌狀花樣等，是材料脆性較大的體現(xiàn)。準(zhǔn)解理是介于脆性斷裂和韌性斷裂之間的一種過渡斷裂模式，準(zhǔn)解理斷裂是低合金高強(qiáng)度鋼中(如組織為回火馬氏體、貝氏體等)較為常見的一種斷裂形式，常發(fā)生在脆性轉(zhuǎn)折溫度附近。準(zhǔn)解理斷裂的斷口是由平坦的“類解理”小平面、微孔及撕裂棱組成的混合斷裂,主要斷口形貌特征是河流由小平面的中心向四周發(fā)散，形狀短而彎曲，支流少，形成撕裂嶺。圖4為合金鋼斷口解理與準(zhǔn)解理的微觀形貌特征。

　　圖4 合金鋼斷口脆性解理(上)與準(zhǔn)解理(下)的微觀特征

　　解理與準(zhǔn)解理斷口的主要區(qū)別如下表

　　特征

　　準(zhǔn)解理

　　解理

　　生核的位置

　　夾雜、空洞、硬質(zhì)點，晶內(nèi)

　　晶界或其它界面

　　擴(kuò)展面

　　不連續(xù)、局部擴(kuò)展、碳化物及質(zhì)點影響路徑、非標(biāo)準(zhǔn)解理面

　　標(biāo)準(zhǔn)解理面連接

　　連接

　　撕裂棱、韌窩、韌窩帶

　　次解理面解理、撕裂棱

　　斷口形態(tài)尺寸

　　原奧氏體晶粒大小、呈凹盆狀

　　以晶粒為大小，解理平面

　　五、鋼的氫脆斷口

　　氫脆(又稱氫損傷)是因金屬中存在一定量的氫、且在張應(yīng)力作用下造成的損傷，鋼中氫的來源主要有：冶煉、鍛造、焊接、酸洗或電鍍等工藝過程中鋼所吸收的氫;也可能是在含氫環(huán)境中吸收進(jìn)入的(如在氫氣或硫化氫等含氫氣氛中工作或在水溶液中陰極所釋放的氫);而張應(yīng)力可能是內(nèi)部殘余應(yīng)力或外加工作應(yīng)力，也可能是二者的疊加。氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性降低，易使材料開裂或脆斷，常會帶來災(zāi)難性后果，故需引起高度重視。

　　氫脆是金屬凝固過程中，溶入鋼液中的氫未及時上浮溢出，向金屬缺陷處不斷擴(kuò)散聚集，到室溫時原子氫在缺陷處化合成分子氫、體積增大十幾倍，從而產(chǎn)生巨大的氫壓，造成其周圍應(yīng)力集中，當(dāng)超過鋼的強(qiáng)度極限時，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，宏觀上因在縱向斷口上呈白色圓斑狀，故稱其為白點。

　　白點的微觀形態(tài)隨鋼種和熱處理狀態(tài)而異，也有兩種形貌，即氫脆解理和氫脆準(zhǔn)解理。例如調(diào)質(zhì)處理的低碳高強(qiáng)度鋼白點部位斷口形貌為穿晶氫脆解理(如氫脆解理羽毛、浮云狀等)，非白點區(qū)基體部位為穿晶韌性斷口;而熱軋狀態(tài)非白點區(qū)基體部位斷口為正常解理形貌，白點部位斷口形貌為氫脆準(zhǔn)解理(如碎條狀、準(zhǔn)解理羽毛等)。圖5是合金鋼的氫脆解理(上)和氫脆準(zhǔn)解理(下)斷口形貌特征。

　　圖5 鋼斷口氫脆解理(上)與氫脆準(zhǔn)解理(下)的微觀形貌特征

　　六、 沿晶斷口

　　沿晶斷口是指金屬材料中的裂紋沿晶界擴(kuò)展而產(chǎn)生的一種斷裂形態(tài)。當(dāng)沿晶斷口微觀形貌呈“冰糖”狀時又稱結(jié)晶狀晶間斷裂。多數(shù)情況下沿晶斷裂屬于脆性斷裂，但特殊情況下也可能出現(xiàn)“延性”晶間斷裂，如高溫蠕變斷裂、高溫?zé)岽鄶嗔训取．?dāng)金屬或合金沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的網(wǎng)狀脆性相時，在外力的作用下，這些網(wǎng)狀脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴(kuò)展，造成試樣沿晶斷裂，它是完全脆性的正斷。圖6中上圖是合金鋼經(jīng)淬火及中溫回火后，由于晶界存在有害元素(P、五害等)偏聚，形成沿晶脆性斷裂的斷口形貌特征。圖6中下圖是過熱鋼晶界上產(chǎn)生MnS小顆粒偏聚、或晶界上有低熔點元素(如Cu等)偏聚，形成沿晶延性斷口形貌特征，在晶界上可見到密集的小韌窩中有大量小顆粒狀MnS聚集，或者晶界上有一層低熔點(如Cu)元素富集。

　　圖6 沿晶脆性斷口(上)與沿晶延性斷口(下)的微觀形貌特征

　　七、后 記

　　對于斷口微觀形貌的觀察與分析，同斷裂力學(xué)指標(biāo)聯(lián)系起來，系統(tǒng)地建立斷裂機(jī)制圖，這對解決一些工程斷裂問題十分有用。在工程應(yīng)用上，斷裂機(jī)制圖對工程設(shè)計、材料的選擇、使用條件的限制、以及失效分析等都能提供十分重要的指導(dǎo)性意見和數(shù)據(jù)資料。

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責(zé)任編輯：王元

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