显微裂纹对钢力学性能的影响研究

显微裂纹的存在无疑会对淬火钢的力学性能产生不利影响。研究表明，显微裂纹是马氏体脆性的原因之一，会显著地降低钢的冲击韧度、抗拉强度及抗弯强度。

1.显微裂纹对韧性的影响

显微裂纹是马氏体脆性的重要原因^[13]。当淬火钢中存在显微裂纹时，在应力作用下，只要克服裂纹的临界扩展应力，就能以显微裂纹为核心迅速扩展为断口。w_C＝0.46％钢马氏体中的显微裂纹长度为1～6μm，若假定裂纹长度c＝6μm，表面能γ≈12×10^－5J/cm²，按Griffith公式进行估算，则断裂应力σ为

带入各物理量，计算得断裂应力为196MPa。与w_C＝0.7％碳钢的255MPa实验值大体上相近。显然，马氏体内的微裂纹是马氏体脆断的裂纹源。

马氏体片交角相遇，产生第二类应力，此应力随马氏体片长度的增大而升高。马氏体片越粗越长，产生的应力场越大，以致马氏体塑变和断裂，从而消耗掉一部分应力。在微裂纹周围还会残留弹性应变，从而使微裂纹处于残留应力的控制之下。当马氏体片较小，撞击应力不足以形成微裂纹时，应力场不能松弛而残留下来，形成显微局部残留应力。与第二类内应力相适应的第二类畸变可以用晶体点阵常数的改变Δa/a来表示，由畸变量的大小及晶体的弹性模量可以计算出内应力的大小。据测量，高碳钢马氏体中第二类畸变的弹性形变的值Δa/a的数量级约为10^－2，所对应的第二类应力可达1500MPa。这种显微局部应力在原奥氏体晶界处和马氏体片交接处等微观区域内为最高，各局部区的应力大小和方向是不相同的，如图14-13所示，图中σ、γ表示微观应力。

图14-13 马氏体片微观应力示意图

显微裂纹会大大降低冲击韧度和塑性。采用T12、CrWMn等钢制成冲击试样，在1050℃加热淬火，得到较多的显微裂纹。另外在1050℃加热，为了防止出现显微裂纹，而采用分级淬火并带温回火。将这两种工艺处理后的试样测定冲击韧度，发现有微裂纹的试样的冲击值仅为无裂纹的1/3^[3]。显微裂纹对力学性能的影响见表14-2。(www.xing528.com)

表14-2 显微裂纹对力学性能的影响

2.显微裂纹对强度的影响

由表14-2可见，显微裂纹使强度σ_s降低，而且回火温度越低这种影响越大，这与淬火钢的“过早断裂”现象相符，而过早断裂与马氏体中的显微裂纹有关。w_C＝0.3％的钢不存在过早断裂现象，这是由于低碳板条状马氏体中没有显微裂纹的缘故；w_C＞0.5％的淬火钢均出现过早断裂，其断裂强度均低于钢的真实强度，这是由于存在显微裂纹或者存在较大的显微局部应力的缘故。

显微裂纹对渗碳钢疲劳极限的影响见表14-3，可以看出，显微裂纹使疲劳极限显著降低。但是，这个结果是在不同的热处理工艺下测定的，其渗碳层的硬度、晶粒度、残留奥氏体量及残留应力均不相同。因此，疲劳极限不能说成是显微裂纹敏感度的单值函数。

表14-3 显微裂纹对渗碳钢（0.22％C-0.47％Cr-0.89％Mn-0.66％Ni-0.21％Mo）疲劳极限的影响^[3]