在纵向断口上,沿热加工方向呈现凸凹不平的、无金属光泽 的非结晶构造条带的断口叫层状断口。由于层状断口的形成原因不同,其特征各不相同,有的呈现木纹结构,有的呈现平滑的台 阶状,有的呈现致密的、比基体色浅的灰白色条带,有的象腐烂 的木柴片沿纵向断开,有的呈现长短不一粗细不同的断续光亮线条。因而不能用一个笼统的层状断口作为判断标准。层状使钢的 横向力学性能,特别是延伸率和断面收缩率严重下降。产生层状 的主要原因是钢锭结晶过程中夹杂物在晶界上沉积,在热加工时沉积在晶界上的夹杂物沿加工方向伸长,使晶界变得脆弱。
层状断口是形变结构钢中经常出现的一种断口缺陷,依其宏观形貌特征可划分为两种基本类型,即木纹状形态的层状断口和带叠层的层状断口。木纹状层状宏观断口上纤维条纹极粗,起伏不平,有明显的层状,在光线照射下断口呈现灰白色泽,形态像木材的纵向劈裂面,故而称为木纹状层状断口。层状使钢的 横向力学性能,特别是延伸率和断面收缩率严重下降。产生层状的主要原因是钢锭结晶过程中夹杂物在晶界上沉积,在热加工时沉积在晶界上的夹杂物沿加工方向伸长,使晶界变得脆弱。 将其中层状改为层状断口。
带叠层状断口的宏观形貌,断口上有一些有规则排列大小不等的叠层台阶,台阶上有时可观察到密集的偏析线,也可能出现木纹状断口的特征。这种层状仅出现在锻轧变形的钢材中。层状断口类似于一种机械层叠机构,每一层由于脆、韧性能相互交替而产生不同方式的断裂类型。断裂时,裂纹首先在具有缺口效应的非金属夹杂物端部应力集中处萌生,然后以极快的速度扩展、连接,在纵向不同的平面上出现脆性条带。而夹杂物两侧的韧性区,裂纹的扩展要消耗极大的塑性功,所以裂纹横向的连接总是后于裂纹的纵向扩展,撕裂型韧窝也总是指向夹杂物存在的条带区。宏观断口上表现为带状凸起区。
层状断口如图1所示:
按照强度原则,钢在断裂时总是沿着最低强度的薄弱区域选择性的发展。因此,当夹杂物分布呈层带状时,钢出现韧、脆性相间的性能,断裂时必然得到木纹状断口;如果带状分布的非金属夹杂物范围较宽,并处于同一平面内,那么脆性带分布区域也较宽并处于一定宽度的平面内,则断裂时宏观断口形貌必然是带层叠状断口。
事实证明,任何类型的非金属夹杂物或第二相析出物,只要在单向变形后呈层带状分布,并有效地“切割”金属基体,断裂后都会出现层状断口。夹杂物分布越密集,单个夹杂物长度方向上的尺寸越大,缺口效应越显著,所需要的实际断裂应力越小,脆性扩张越利于进行,断口上的层状特征也越加明显。夹杂物类型及存在的部位不同,断裂方式也不同。如果夹杂物沿奥氏体晶界大量析出,晶界被脆化,断裂时裂纹首先在晶界萌生,并在外力垂直的方向上扩展连接,那么层状断口的断裂方式是沿晶的。这种夹杂物多见于AlN以及碳化物等。对于硫化物、氧化物等,因存在于树枝晶晶间,单向变形后随着金属纤维方向排列、延伸,从而“切割”金属基体,断裂时多形成无特征的劈裂条带,就其实质来讲,属于穿晶脆性断裂方式。
钢中存在的大量非金属夹杂物,在晶界上沉积,是形成层状断口的内因;锻轧之后,特别是锻造比较大,形成纤维组织,这是形成层状断口的外因。层状断口使钢的横向力学性能,特别是塑性和冲击韧度下降。而这种断口用热处理方法不能消除,需要控制级别使用。
在锻件的纵向断口上呈现出非结晶、无金属光泽,无氧化条带,无塑性变形的木层状结构称为层状断口。断口凸凹不平,呈现台阶状,多出现在锻件的轴心区。产生的原因是钢中存在过多的非金属夹杂物、枝晶偏析以及气孔、疏松等缺陷,在锻造过程中沿主拔长方向被拉长,使锻件断口呈现片层状。层状断口对钢的强度无明显影响,但强烈降低钢的横向塑性和韧性。层状断口按宏观形貌可分为木纹状和叠层状两种类型,均不能用热处理方法予以消除。
防止层状断口的措施是:
1、提高钢的纯净度,减少钢中非金属夹杂物的含量,减少气体的含量。
2、通过有针对性的锻造方法去改变层状断口沿变形方向平行分布的状态。