自从粒状贝氏体在低碳低合金钢中被发现以来，尤为受到关注，许多工作者对其形成机理、形成条件及力学性能等方面做了大量研究。但迄今为止，关于粒状贝氏体断裂机理方面的研究却很少有人研究。本文从探讨粒状贝氏体和粒状组织的组织因素与力学性能之间的关系出发，着重讨论了具有不同形态小岛（M-A）的粒贝和粒状，着重分析研究静拉伸、冲击和疲劳过程中的断裂行为和断裂机理，并以此为根据，对粒贝和粒状组织的强度、塑性和韧性的指标进行分析与解释，试图为获得最佳强韧化组织提供依据。

   1 试样及试验

   试验使用电炉熔炼钢，坯料经1200℃热轧至900℃成160方，再经640℃/40h保温回火。取9组拉伸、冲击试样，2组裂纹扩展速率试样（三点弯曲：15mm×30 mm×140 mm）；两组小冲击（2mm×10mm×30mm）、小拉伸（1 mm×15mm×50mm）及小疲劳（8mm×15mm×60 mm）试样。试样方向均为T-L。

   小试样经热处理后，予制裂纹并对其表面进行组织腐蚀显示，之后分别进行锤击、拉伸和疲劳试验，使裂纹扩展，观察其裂纹扩展路径。采用金相、透射电镜和扫描电镜观察分析其组织、断口和裂纹扩展途径。在试验机上测定裂纹扩展速率，用结点法测定小岛的体积百分数，用X光和磁性法测定残余奥氏体量（AR）。

   各组试样的热处理工艺见表1。

   选择10号、11号试样做裂纹扩展速率及小冲击、小拉伸及小疲劳试样的试验。

   2 试验结果分析

   初步分析表明，在所有热处理工艺下，其组织均为岛状组织。金属薄膜的TEM分析表明：岛状组织的基体有二种，堆冷时多为条状铁素体，呈浮凸状，是贝氏体转变形成的铁素体（BF），具有这种基体的岛状组织属于粒状贝氏体；块状转变的产物记为MF，为区别于粒状贝氏体，以MF为基体的岛状组织，称粒状组织。二者的小岛主要区别在于前者定向分布，后者随机分布。对小岛的分析表明，在所有的热处理工艺下，都得不到单一结构小岛的粒状贝氏体和粒状组织。

   小岛的结构、形态、尺寸、数量和分布都随热处理工艺的不同而变化。正常加热（8号、9号、10号）后炉冷所得组织的M-A岛尺寸大，数量多。电镜复型观察表明，大尺寸岛多为马氏体（M）岛，且大都为孪晶马氏体岛，M岛所占小岛比例为79%，经高温加热后炉冷获得的组织（16号）、其小岛总量大大减少（16号试样28.8%），仍有一部分大的马氏体岛，不过其所占比例下降（52%）。给予处理并炉冷所获的组织小岛减少（13号40.4%）、变小，但仍有马氏体岛（占43%）。当给予处理后堆冷（15号）所获得的组织，其小岛明显减少变小，M岛所占比例为65%，不过未见尺寸很大的马氏体岛。

   冲击断口最突出特点是大都存在着一定比例的结晶状，有的甚至可达95%；而且结晶状比例及a_k值都与（M-A）岛及M岛的数量有关。电镜复型表明，结晶状小刻面对应着解理河流花样。拉伸断口特点是颈缩小，有的试样甚至无颈缩，而且颈缩的大小（即面缩Ψ）与小岛数量、特别是M岛数量有关，拉伸断口多为粗糙不平的杯锥状。拉伸曲线（小试样，未拉断）无明显的屈服平台，而在断裂前却出现异常平台。

   作者对裂纹萌生及扩展路径进行了研究，锤击含裂纹的小试样，发现裂纹将切断大的M岛。从拉伸小试样可以清楚地看出：裂纹在马氏体相界萌生，并沿相界扩展。含有小裂纹试样在交变载荷作用下，裂纹总是沿相界或在BF或MF中扩展，即裂纹绕M-A岛扩展，无穿岛现象，裂纹扩展现象十分曲折，高温回火后，M岛已分解，故对裂纹的阻碍作用减弱，裂纹扩展路径较平直。

   应力应变过程中，富碳A岛向M岛转变。用磁性法对拉伸试样与拉伸前后其AR的变化进行了测量（见表2），结果表明：应力应变导致奥氏体岛向M岛转变。

   根据上述试验结果及分析，初步提出如下的粒贝和粒状组织的断裂模型。

   1）冲击断裂模型

   试样在外力作用下，在缺口前端应力最大处的BF或MF基体上，在与拉应力成45°角方向上发生滑移，位错运动在岛前受阻、塞积产生应力集中。随着应力集中的增加，奥氏体岛发生部分变形（并未观察到M诱发相变，这似乎与变形速度有很大关系），而马氏体岛前，由于两相塑性变形的不相容性，在某些大而脆的孪晶马氏体岛前，当应力集中达到临界切应力时，马氏体岛将沿着某一解理面断裂。在高速冲击载荷作用下，孪晶马氏体岛一经解理开裂，作为解理断裂源使BF或MF沿着某一晶面迅速解理断裂。如果富碳A岛所占比例较大，则对BF或MF的解理起到阻碍作用。

   2）拉伸断口模型

   在较低的拉伸载荷下，塑性较好的那部分BF或MF基体首先与拉应力成45°角方向发生滑移，紧接着屈服强度不同的另一部分BF或MF和一部分奥氏体岛也相继产生滑移。当应力和应变增加到一定程度以后，某些A岛将部分的转变应变诱发M体，导致强化。在M 岛前面，位错塞积造成越来越大的应力集中，使基体强化。当应力应变进一步增加，BF或MF基体的内颈缩合相界扩展；由于岛的阻碍作用，使裂纹易于扩展，在试样很大区域内产生裂纹使应力松弛。继续加载，裂纹沿相界向与拉伸应力垂直的方向扩展，在有限的范围内连接。当在某一截面一旦形成颈缩，颈缩平面上众多的裂纹在三向应力作用下迅速地在横向和纵向上连接而断裂。

   3 讨论

   根据上述的断裂模型，不难解释粒贝和粒状组织的断裂性能。在M岛较多的情况下，冲击断口多出现结晶状。关于解理断裂的起源，有人认为粗大的铁素体区常是解理裂纹的起源；也有人发现，裂纹直接起源于大而脆的M岛。在我们的试验范围内，凡是存在大M岛的冲击断口上都留有结晶状，且结晶状随M岛数量的增加而增加，或虽有M岛但尺寸小的（14号、15号）试样断口上都没有或几乎没有结晶状；有些试样（16号）M岛数量虽然不多，但尺寸较大，照样存在相当比例的结晶状。据上述结果与分析，认为粒贝和粒状组织冲击过程中的解理断裂是起源于大而脆的M岛。铁素体基体的性态对解理过程具有明显影响，较粗大的块状MF容易解理，而细小的条状BF不利于解理，如14号、15号试样的基体是以条状BF为主，这是其结晶状断口很少，ak很高的主要原因。尽管有些粒贝和粒状组织冲击断口上的结晶状比例多达90%，但冲击值仍与回火马氏体组织的相当（80-100J/cm²）；有的在a_k值高达150 J/cm²以上，冲击断口上仍存在相当比例（40%左右）的结晶状。结晶状断口比例大，但a_k值并不低，这是粒贝和粒状组织断裂的一个主要特性。

   根据上面提出的粒贝和粒状组织的冲击断裂模型，大而脆的M岛一经解理开裂，裂纹迅速扩展，即M岛开裂后，裂纹在BF或MF中的扩展需要的功不多，似乎a_k值不应该高；但由于位错在强度高的M岛前受阻，堆积造成应力集中直至使M岛解理开裂这一过程所需之功，也就是说启动M岛之功却很大。认为这就是贝粒冲击断口上结晶状比例大而冲击值并不低的重要原因。此外，韧性较好的BF或MF基体有助于增加冲击试样缺口根部的裂纹形成功以及富碳奥氏体岛对解理的阻碍作用也是一个因素。

   从试验结果可以看出，贝粒和粒状组织的σ0.2值都较低，屈强比小。根据贝粒和粒状组织的拉伸模型可知，贝粒或粒状组织的屈服强度低主要与BF或MF基体成分不均匀有关。在较低的压力下，那些较弱的BF或MF首先屈服，即起始塑变抗力低。而影响BF或MF固溶量及其均匀性的主要因素是奥氏体化时，碳化物的溶解情况和奥氏体成分的均匀性。奥氏体成分越均匀，BF或MF越容易同时形核，其成分越接近，σ0.2和屈强比越高。小岛阻碍塑性变形进行，在岛前造成位错堆积，应力集中使基体强化，所以小岛的存在是有一定贡献的。

   有人提出：随着小岛总量的增加σ0.2提高，并有σ0.2=368 1.17%（M-A） 的关系。应该注意这个关系是在基体BF或MF本身的强度基本不变的情况下才可用。面对成分一定的钢而言，碳化物溶解越不充分，奥氏体合金化程度就越低，越不均匀，结果在基体BF或MF合金化程度越低越不均匀的同时，M-A岛越不均匀，由于弱化了的BF或MF基体对σ0.2的影响起了支配作用，结果从表面上来看，随着M-A岛的增加，其σ0.2降低，说明基体BF或MF对σ0.2的影响更为重要。

   汇集粒贝的抗拉强度σb值发现变化不大，大致在1100-1250MPa范围内变动，即似乎对基体BF或MF及小岛的形态和数量都不敏感，这是因为σb与σ0.2不同，成分不均匀性所造成的BF或MF初始流变抗力的不均匀性通过形变强化很快就接近起来，所以σb不像σ0.2对BF或MF基体那么敏感。由于基体的弱化和M-A岛数量的增加是伴生的，而其对强度的贡献是相反的，试样使σb对热处理工艺不敏感。当用形变热处理的办法使BF细化和位错密度增加而保持 M-A岛基本不变时，是可以使σb明显升高的。

   粒贝和粒状组织拉伸性能的另一个特点是颈缩（Ψ）小，而延伸率（δ）并不小。这是由于粒贝和粒状组织的σ0.2比较低，初期流变应力比较小，易于塑性变形，这对均匀变形阶段的伸长是有贡献的。此外，M的存在有利于裂纹形核（在M岛与BF或MF的相界上）而随后在BF或MF中的扩展相对的困难一些，结果，颈缩前，在整个试样马氏体岛相界处出现大量的垂直于拉伸轴的裂纹，这对延伸率有很大贡献。裂纹在某一应力范围内大量萌生，结果造成应力松弛，以至在拉伸曲线上Pmax附近出现一平台。此外，A岛在应变过程中向M岛的转变对均匀塑

   变阶段的伸长也是有贡献的。这种诱发相变主要发生在小变形范围内。在颈缩开始以后，在颈缩截面上，由于存在着大量的强硬的孪晶马氏体岛（包括应变诱发的），占据颈缩截面的很大部分；由于马氏体岛本身不塑变或很少塑变，同时它还阻碍BF或MF的塑变；当拉应力达一定值后，裂纹便迅速连接断裂，结果颈缩很小，这便是Ψ低的原因。显然如果能设法将组织中（M-A）岛的总量减少（如12号试样为17%），则其颈缩过程可顺利进行，Ψ必然增加（12号试样的Ψ值高达64%）。统计分析发现，Ψ随（M-A）、M岛含量增加而线性地减少。

   粒贝和粒状组织在交变载荷作用下，裂纹扩展速率较低。裂纹扩展路径观察结果表明，裂纹全部在BF或MF中，并沿小岛相界扩展，无穿岛现象。小岛的阻碍作用是因为其强度远高于BF或MF基体，在交变载荷作用下，周期滑移只能在BF或MF中进行。由于受到高密度岛的阻碍，滑移面不会很大，应力集中迫使裂纹改变方向扩展，并且产生大量的二次裂纹，消耗大量能量。另外，疲劳裂纹在岛前明显变密、变弯曲。小岛的这种对裂纹扩展的阻碍作用，致使粒贝的裂纹扩展速率低。而经高温回火后，小岛大部分分解，裂纹扩展受岛阻碍小，裂纹扩展路径平直，扩展速率增高。

   粒状贝氏体和粒状组织的强韧性配合，在拉应力和交变应力作用下，裂纹都是在岛状组织的基体（BF或MF）进行的。岛状组织的强度和塑性首先决定于基体BF或MF的形态。

   一般来说，条状BF的断裂单元远小于粗大块状MF的断裂单元，因此，以BF为基体的粒状贝氏体的强度和塑性均高于以MF为基体的粒状组织。并且BF条或M块越细小均匀，其强度和塑性越高。在冲击负荷下，裂纹扩展有穿岛现象，而且粗大的孪晶M岛常常成为解理源，因而M-AM岛的性质对冲击韧性的影响很大。为了获得强韧性配合较好的岛状组织（包括粒状贝氏体和粒状组织），可确立如下的工艺：

   1）BF或MF基体是决定岛状组织强韧性的主要组织因素；（M-A）岛的形态、数量和分布对强度尤其是对韧性有显著影响。BF或MF基体的固溶强化越充分、越均匀越好，其尺寸决定断裂单元，越均匀越细小越好。小岛的形态、数量和分布往往与基体BF或MF相伴生，在获得较好基体的前提下，小岛尺寸越小，体积百分数适中，奥氏体数量越大，分布越均匀对强韧性越有利。

   2）为获得强韧性好的岛状组织，首先的工艺条件是奥氏体时要使碳化物充分溶解，即获得充分合金化的、成分均匀的奥氏体晶粒又比较细小的奥氏体组织。如反复锻打，长时间高温扩散退火都有利于提高随后正常处理时的岛状组织的强韧性。

   3）成分均匀化和随后的快冷（如堆冷）都有助于增加BF的数量和减少MF的数量。而且在形成岛状组织的冷速范围内冷速越大，其BF就越细小，小岛也越细小，结果使其强韧性增高。

   4）通过锻热淬火来细化条状BF并增加其位错密度是进一步改善粒状贝氏体强韧性的重要工艺途径。

   4 结论

   1）通过本文试验结果和分析发现：18Cr 2Ni4WA钢中的粒状贝氏体和粒状组织有如下的断裂特点：在不同的受力状态下，遵循着不同的断裂机制，表现出不同的断裂特性。在冲击应力的作用下，容易产生结晶状断口。大的马氏体岛是引起解理断裂造成结晶断口的根源。冲击值随小岛、特别是马氏体岛体积百分数的增加而减少，并且有一定的线性关系。断口上结晶状比例大，但a_k值并不低，这是粒贝及粒状组织断裂的一个重要特性。

   2）屈强比低并且波动大是粒贝及粒状组织的另一个重要特性。对18Cr 2Ni4WA钢，其抗拉强度波动在110-125kgf/mm²范围内，而屈服强度σ0.2值大约波动在65-100kgf/mm²范围内。另外发现σ0.2值随小岛特别是M岛比例的增加而减少，并有一定的线性关系，不过σ0.2偏低。而且差别大，本质上的原因则是基体BF或MF不均匀和固溶强化不均匀所致，这种不均匀性对σ0.2影响较大，对σb影响较小。

   3）在小岛特别是M岛较多时，粒贝的颈缩很小，Ψ值随着小岛和马氏体比例的增加而减少，并有线性关系。在交变载荷作用下，小岛对裂纹的扩展起一定的阻碍作用，降低了裂纹的扩展速率。均匀细小的BF基体上，分布有适量的尺寸较小、分布均匀的M-A岛，且A岛数量较多的组织具有最佳的强韧性配合。

   （王洪刚）