沿晶裂纹形成机制的研究
1 概述
研磨裂纹是沿晶粗大渗碳体封闭网热应力引起的裂纹。由于终轧温度过高造成晶粒粗大，轧后冷却缓慢而在奥氏体晶界析出封闭网状Fe3C，这些封闭的几微米厚的网状Fe3C是一种脆性相，在正常研磨压力和热应力的作用下，就容易在这里形成显微裂纹，并以沿晶界渗碳体解理断裂的方式扩展，形成宏观的研磨裂纹。沿晶断裂是指沿不同取向的晶粒所形成的晶粒界面分离，其断口为沿晶断口，分塑性沿晶断裂和脆性沿晶断裂两种。通常，由于杂质元素的晶界偏析和氢脆及应力腐蚀引起的沿晶脆断，在扫描电镜下脆性沿晶断裂具有冰糖块状特征。但本文所叙述的是一种与冰糖块状完全不同的沿晶界渗碳体网解理断裂的脆性沿晶断口，冰糖块状脆性沿晶断口所显露的是各晶粒界面的光滑界面，沿晶界渗碳体网解理断裂看不到各晶粒的光滑界面，晶面已被一层以解理破断方式的渗碳体所覆盖，关于这种脆性沿晶断裂，作者做了较深入的研究。
轴承钢某炉号130方钢坯表面有细小的纵向裂纹，当研磨这些表面裂纹时，裂纹迅速向里扩展，甚至产生新的裂纹，这一现象称之为研磨裂纹。另外，在现场调查时，发现有一支同炉钢坯在吊运中从空中掉下，被摔断成两截，其断口呈现粗晶特征，表现了明显的脆性断裂。关于研磨裂纹，通常认为是由于磨擦产生热，使研磨处局部温度过高，在钢坯表面和内部形成较大温差，同时又受到外面空气的冷却和冷钢坯本身的急冷作用，从而产生热应力，包括组织应力。当应力大于钢的强度时就产生裂纹，或者使原有的裂纹继续扩展。
为了找出此方坯产生研磨裂纹的原因，本文对此种研磨裂纹和脆性断裂现象进行了大量的分析和研究，并与合格的轴承钢方坯的金相组织对比证实，在正常砂轮压力或受冲击力的作用之下，可以导致沿晶界粗大渗碳体网解理脆性断裂发生，属于一种特殊的脆性沿晶断裂机制。
2 金相观察与扫描电镜断口观察
金相观察发现，从钢坯表面向里随着深度的增加，晶粒尺寸逐渐增大。在其中心，晶粒度评级为1级，最大晶粒尺寸可达0.5mm，二次渗碳体沿晶界呈封闭式网状分布，定量金相显微镜测得渗碳体厚度平均为2µm，最后可达14µm。轧后状态的金相组织，晶内为珠光体，晶界被渗碳体所覆盖。渗碳体截面有的呈片状，有的呈粗大的块状，封闭整个奥氏体晶粒。
观察证实：裂纹在从表面向里扩展中，无脱碳及氧化特征，说明研磨并没有使局部过热。在热应力及正常砂轮压力的作用下，砂轮下的表面层沿着晶界渗碳网产生显微裂纹，并继续沿晶界渗碳体网扩展。在显微镜下可以看到：在裂纹扩展路径附近的晶界二次渗碳体的中间已经出现显微裂纹，网状渗碳体仍然存在，而合格的轴承钢淬火后金相组织中没有网状渗碳体。
扫描电镜观察：轧后状态、790℃×6h退火状态、840℃×20min水淬三种热处理状态的断口均为石状沿晶断裂和解理穿晶混合断裂，其中以沿晶断裂为主。在轧后状态的脆性断口中90%为沿晶界渗碳体解理断裂，其余为解理断裂。沿晶渗碳体解理断裂，与通常的冰糖块断口有明显的区别，属于一种异常的沿晶脆性断裂。从本质上讲，这是厚度达10µm的渗碳体从厚层的中间解理断裂，研磨裂纹的扩展路径是沿晶和穿晶扩展路径。观察发现退火后的解理穿晶断裂区域增加，沿晶界渗碳体解理断裂减少，但仍然占60%以上，淬火状态的情况也是如此。这说明：原始状态的粗晶造成的厚渗碳体网在随后的处理中很难消除，这是造成轴承钢钢坯脆性断裂的主要原因。
3 讨论
可以推断：产生沿晶脆断的主要原因是终轧温度过高所致，终轧温度过高使轧后的晶粒粗大，平均晶粒度为1级，因此，同样多的渗碳体，在奥氏体缓慢冷却过程中，分布在粗晶边界的网状渗碳体的厚度要比正常粗晶析出的渗碳体厚得多。粗晶以及平均厚度达2µm的封闭式二次渗碳体网的形成，一方面说明终轧温度较高，另一方面也说明轧后冷却过于缓慢，使得溶解在奥氏体中的碳以Fe3C的形式在缓慢冷却中沿奥氏体边界充分析出和长大，并包围整个晶粒形成网状。
这种析出和长大过程是在两相邻晶粒的表面同时相向进行的，所以在渗碳体层的中心部位会产生空隙、位错等微观缺陷，成为渗碳体层较薄弱的区域，在正常研磨压力、甚至在振动力的作用下，就容易在这里形成显微裂纹或瞬间脆性断裂。
4 结论
轴承钢研磨时出现的研磨裂纹是沿晶粗大渗碳体封闭网热应力引起的裂纹。由于钢坯加热温度过高，导致轧后晶粒粗大。轧后钢坯材冷却又比较缓慢，使得Fe3C沿晶界充分析出和长厚。在研磨时，正常的压力和振动力作用都可能导致脆性的Fe3C产生显微裂纹，裂纹继续沿着晶界渗碳体网扩展，就形成了这种特殊形式的研磨裂纹和脆性断裂。沿晶渗碳体网解理断口是不同于流行的沿晶冰糖状端口的异常断裂方式，是对目前流行的脆性断裂机制的新的理论补充。