马氏体显微裂纹形态分析

1925年就有了关于在碳钢马氏体内形成微裂纹的报道^[1]。在淬火马氏体组织中往往存在微裂纹，包括马氏体片上的显微裂纹和沿着奥氏体晶界形成的沿晶裂纹。这些裂纹影响马氏体的力学性能，也促发钢件淬火开裂。

无论中碳钢、高碳钢淬火后都可能产生显微裂纹。在碳的质量分数为1.6％的高碳钢中发现有大量横向分布的显微裂纹^[2]。碳的质量分数为0.46％的碳钢经1000℃淬火并在液氮中深冷处理，发现其中的显微裂纹长为1～6μm^[3]。在1093℃淬火的GCr15轴承钢中，显微裂纹长度可达2～12μm^[4]。

将20CrMnTi、45钢、T10、T8、3Cr2W8V、CrWMn等钢加热到1000℃以上，保温后水淬或油淬，或经渗碳后淬火。试样经磨制后浸蚀，在光学显微镜和扫描电子显微镜下观察显微裂纹的形态，其结果如下：

1）中、低碳钢的板条状马氏体组织很少出现显微裂纹。在20CrMnTi及3Cr2W8V经1200℃加热淬火后得到的板条状马氏体组织中没有发现显微裂纹。45钢在正常温度下淬火很少出现显微裂纹，当加热到1200℃淬火时偶尔可在板条群的交界处观察到显微开裂。

2）高碳钢淬火马氏体易形成显微裂纹，尤其是淬火温度过高时，可观察到大量淬火显微裂纹。CrWMn钢经1200℃加热后水淬，发现在马氏体片中有许多横向裂纹。图14-1所示为该钢在1100℃淬火得到的片状马氏体显微裂纹，裂纹多产生在马氏体片的交角相遇处，且大马氏体片上裂纹最严重。

3）淬火后硬度不合格而进行重复淬火时增加了显微开裂倾向。

4）同种试样分别采用水、10％NaCl水溶液、油等不同淬火冷却介质淬火后，显微裂纹的密度大体相同。虽然在不同淬火冷却介质中冷却时，试样中心和表层的冷却速度不同，但在整个金相试样的磨面上裂纹分布是均匀的，即从表层到中心均有大量显微裂纹。这说明显微裂纹的形成与淬火冷却介质的种类无关，与冷却速度的关系也不大。采用不同的冷却方法如水淬、油淬和马氏体等温淬火，所得马氏体组织中的显微裂纹都是明显的，显微裂纹数量大致相等。试验发现，淬火冷却介质无论是用3％NaOH溶液，还是用60℃的油，或用180℃的盐浴都对显微裂纹的形成没有多大差别^[3]，即淬火急冷度对显微裂纹的形成没有什么影响。

图14-1 CrWMn钢片状马氏体的显微裂纹（OM）

图14-2 CrWMn钢马氏体中大量显微裂纹OM

5）提高淬火加热温度使显微裂纹数量增加。CrWMn钢在900℃以下淬火时得到隐晶马氏体组织，在光学显微镜和电子显微镜下观察时未发现马氏体微裂纹。当淬火温度超过1000℃后，裂纹尺寸和密度逐渐增加。测量指出，CrWMn钢在1000℃淬火时最大裂纹密度为150根/mm²；而1200℃淬火时裂纹密度为860根/mm²；1270℃淬火时为2150根/mm²。该钢经1100℃油中淬火到室温，马氏体组织粗大，裂纹密布，如图14-2所示。

由于提高了淬火温度，奥氏体晶粒将长大。已知转变初期形成的马氏片的长度与奥氏体晶粒大小有关。图14-3和图14-4都证实了粗大的奥氏体晶粒促使微裂纹形成^[3，4]。(https://www.xing528.com)

图14-35 ％Ni-2％Mn-1.1％C钢奥氏体晶粒大小对微裂纹形成的影响

淬火加热温度除了影响奥氏体晶粒度外，还影响奥氏体中的固溶含碳量。当奥氏体中的固溶含碳量相同时，随着奥氏体晶粒的减小，形成微裂纹的敏感度降低^[5，6]。从表14-1中可见，在高碳钢中，即使将奥氏体晶粒细化到9级，在淬火马氏体中仍然存在显微裂纹。当奥氏体晶粒度相同时，随着奥氏体内固溶含碳量的减少，马氏体中形成微裂纹的敏感度也降低。

表14-1 奥氏体固溶含碳量和晶粒大小对裂纹形成的影响^[3]

6）马氏体显微裂纹实质上是真空的扁洞，无氧化，无污染，回火时可焊合一部分。如CrWMn钢在1100℃重复淬火后，裂纹密度为1570根/mm²，而在180℃回火2h降为150根/mm²，焊合了90％。但是，即使在较高温度回火也难以消除显微裂纹。如图14-5所示，高温回火后仍有相当数量的显微裂纹^[7]。扫描电镜观察到在600℃或以上回火时，碳化物在微裂纹处形核并长大，使裂纹被填补。

图14-4 Fe-1.1％C合金奥氏体晶粒大小对马氏体微裂纹敏感度的影响

图14-5 回火温度对高碳钢马氏体内微裂纹数目的影响

7）马氏体组织中的显微裂纹尺寸不等，大小不一。横贯马氏体片的裂纹一般较小，与马氏体片的厚度相适应，一般为1～10μm。而横贯裂纹串联在一起时，其尺寸可以变得很大，可达数百微米，再发展即成宏观裂纹了^[8]。