朽木状脆性断裂现象探究

朽木状断口是指在锻件、板材和棒材的纵向断口上呈现出非结晶、无金属光泽、无氧化条带和无明显塑性变形的木纹状或朽木状结构，断口凸凹不平或呈现台阶状，多出现在钢的轴心区。钢中存在的大量非金属夹杂物，在晶界上沉积，是形成木纹状断口的内因；锻轧之后，特别是锻造比较大，形成纤维组织，是形成木纹状断口的外因。木纹状断口使钢的横向力学性能，特别是塑性和冲击韧度下降。这种断口用热处理方法不能消除，需要控制级别使用，如图10-4～图10-10所示。

图10-4 40Mn2A氧气瓶爆破试验在裂纹源处看到的木纹状（朽木状）断口形貌

高压氧气瓶的钢种是40Mn2A，高压氧气瓶出厂前均要求进行水压爆破试验，要求爆破压力大于3倍工作压力。

图10-5 木纹状断口扫描电镜形貌

图10-6 木纹状断口扫描电镜放大图像

显示出沟槽与硫化物条带沿钢瓶纵向（加工方向）密集分布，能谱分析证实每个沟槽下面都分布着细长条状的（Mn，Fe）S等夹杂物。

图10-7 木纹状断口沿晶断裂区形貌

在本次爆破试验的八个钢瓶的断口上，多数断口内壁一侧或多或少地出现沿纵向分布的夹层状结构，夹层状结构为粒状贝氏体，粒状贝氏体产生脆性沿晶断裂。

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图10-8 钢瓶的组织为铁素体+珠光体

钢瓶的组织是典型的铁素体和珠光体带状组织，具有“河流花样”的解理断裂特征。

图10-9 钢瓶的组织中的铁素体+珠光体带状组织

图10-10 在铁素体+珠光体带状组织中的粒状贝氏体条带

粒状贝氏体条带是铸态的斑点状元素偏析在轧制变形后形成的异常组织。

分析认为，带状组织使钢的横向性能降低，木纹状组织也使横向性能降低。在断裂过程中，每一个细长的（Mn，Fe）S夹杂物都是一个微裂纹源。由于夹杂物的塑性和基体不同，在外力的作用下，基体首先变形，在张力的作用下，长条状的夹杂物与基体界面产生显微裂纹。随着应力的增加，这些裂纹逐渐长大，直至发展成沿钢纵向的宏观小裂口。密集的小裂口在断裂面上宏观表现为木纹状，加之带状组织的作用，使爆破首先在此出现，成为破裂的源区。粒状贝氏体是钢中锰元素的偏高区域，也是一种冶金缺陷，助长了微裂纹的形成。

严重的木纹状断口在调质状态下出现朽木状条带，亮线条明显且有相当的亮度，其断口上的凸凹程度随回火温度的提高有所增加。在淬火状态下，含碳较低的某些钢种，由于韧性仍然很好，故而木纹状断口在淬火状态下就很明显；在碳含量较高时，淬火后钢的基体很脆，此时层次结构不明显，但互相平行的白亮（或暗灰）线条仍很清晰，具有类似硬木劈开的木纹状特征。

轻微的木纹状断口沿纵向呈凸凹不平的层次起伏条带，在层次起伏处具有白亮（或暗灰）线条。由于元素偏析较轻，夹杂物少且分布均匀，在钢中出现带状组织而产生不同的黑、白带，在黑带中合金元素的含量通常比白带高，不具有木纹状的断口特征，表现为细纤维状。断裂是以穿晶微孔聚集形式出现的，其微孔尺寸虽稍有不同，但形状基本是等轴的。

当钢中有较多硫化物时，宏观断口则出现偏析线，在微观断口上出现沿热加工方向的许多沟槽，在沟槽中含有条状夹杂物——硫化物。由于硫化物所在的位置比较平坦，变形较小，而周围是塑性很好的基体，所以断裂起源于硫化物，然后向四周扩展。随着钢中夹杂物数量的增多，并有大量氧化物时，宏观断口表现为严重的木纹状，微观断口则出现沿着热加工方向分布的许多氧化物条带。就整体看，断口仍属于微孔聚集形式的穿晶韧断。在氧化物集中的地方孔坑的形状与大小变化很大，有许多孔坑中存在着多个已破碎的夹杂物。氧化物集中处断裂发展很快，该处基本上是脆性断裂，而周围基体的断裂由于塑性好属于韧性断裂，表明首先在夹杂物处发生脆性断裂，而后才向周围扩展。由此可见，当钢中存在许多条互相平行的氧化物时，其韧性最差，远小于有元素偏析的基体。