本期導讀：

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本期還要說說金屬材料的斷裂問題。今天想和大家聊一聊沿晶開裂。沿晶和穿晶雖然都有晶字，但前者指晶界，后者指晶粒。為什么有的時候多晶體金屬發生穿晶開裂，有的時候發生沿晶開裂呢？這就好像女人懷孕后有時生男孩有時生女孩一樣，是一種競爭的結果。不同的是，不同的開裂模式比的是金屬內部哪里更弱。

通常情況下晶粒內部要比晶界更弱，所以在大多數金屬材料拉伸試驗的斷口上大家更多地觀察到的是韌窩。只有在一些特殊情況下晶界才會比晶粒內弱，今天就詳細說說晶界弱化的一些常見現象及原因。

在一般情況下，在開裂的晶界上幾乎不會發現任何變形過程的痕跡。如圖1a所示的情況下，鋼在滲碳淬火過程中在所謂的表面硬化的第一步。眾所周知，擴散優先沿晶界發生。在快速冷卻（淬火）中，奧氏體轉變為馬氏體。


表面硬化：滲碳晶界開裂

作為滲碳結果，原奧氏體晶界現在代表過飽和碳區。在回火過程中，碳與金屬結合形成碳化物，在晶界上形成碳化物殼，阻礙位錯的滑移，從而提供裂紋擴展路徑。

在表面硬化的過程中，如果不采用滲碳加熱過程直接淬火而是采用再次加熱的方式實現硬化，那么晶間脆化就可以避免。然而，出于對成本的考慮，往往不會這么做，而是直接進行滲碳淬火。

通過雙相相變可以生成更細化的晶粒，如正火過程。然而，避免脆化的主要原因是，碳原子可以以一個令人滿意的方式從原奧氏體晶界向基體進行擴散。

更重要的問題是所謂的回火脆化，經常發生在大型鍛件上，因為他們冷卻過程非常緩慢。

因此，通常覆蓋在奧氏體晶粒上的硫化物，可以通過砷、銻、磷等原子擴散的增加，在575ºC向350ºC的溫度范圍內冷卻時，這種狀態一般情況下是亞臨界的。

當鋼在熔點以下退火時，它會“過燒”，即氧進入鋼內，導致內氧化。氧的滲透沿著晶界優先進行，這也與滲碳過程類似，可以通過剝離晶界殼變得可見（圖1b）。在上述的回火脆化中，晶界上的偏析會在較高的溫度下再次溶解。


內氧化：晶界殼剝落

因此，通過加熱超過600°C然后快速冷卻，然后脆化可以被消除。這種溶解行為的一個例外是的硫化物。這就是抗蠕變鋼“松弛開裂”的原因：在焊接過程中，熔合線附近區域的晶界，由于硫化物彌散分布。當進行去應力退火時，硫化物分散凝結形成0.1-0.5μm直徑的粒子。

這些顆粒的產生不應該是關鍵的，但是，它是伴隨著第二個過程：抗蠕變鋼中或多或少采用了鉻、鉬和釩或鈮進行合金化，形成熱穩定的碳化物。在焊接過程中和沉淀物高度分散的退火過程中，這些碳化物溶解到了上述關鍵區域中。

令人驚訝的是，在所有這些情況下，沿晶界的微小區域里仍然沒有沉淀物。因此，這些區域具有非常低的蠕變能力。因此，應力消除所需的滑動被限制在這些無沉淀區，同時被凝固的硫化物削弱。

硫化物作為蠕變核心，然后就形成了孔洞，它們連接在一起，就產生了裂紋。歸因于這一過程，斷裂面就表現了相應的細化的韌窩，覆蓋在晶界上，如圖1c所示。在韌窩中，由于硫化物尺寸很小，所以它們只是隱隱可見?？側渥冏冃尾怀^0.2-0.3%，即斷裂相對于宏觀尺度而言是脆的，這與微觀韌性特征相矛盾。相同的微觀結構有時候在奧氏體鋼、黃銅、鋁和鎳合金中也會被發現，它總是與無沉淀區現象聯系在一起。



松弛開裂：晶界上有大量的細小韌窩

幾中常見的沿晶開裂包括：淬火時效脆化、淬火開裂、回火馬氏體脆化、回火脆化、石墨化、內部氧化、液體金屬脆化或固體金屬脆化、氫脆、應力腐蝕開裂和高溫晶界弱化。感興趣的朋友可以自行學習一下。