金剛石鋸片基體產生裂紋的原因

近幾年來由于建筑業的發展，帶動了我國建材工業的發展，廣闊的市場容量使得對金剛石鋸片基體用鋼的需求量大大增加。

本文主要從金剛石鋸片基體材料缺陷分析金剛石鋸片基體產生裂紋的原因以及金剛石鋸片基體失效機理。

金剛石鋸片基體材料缺陷引起的裂紋

目前金剛石鋸片基體用鋼以中高碳彈簧鋼為主， 中高碳彈簧鋼材料中非金屬夾雜、組織不均、微裂紋 和表 面缺陷等均可成為疲勞裂紋的可能源區，而促使 鋸片基體發生早期失效。中高碳彈簧鋼中的非金屬夾雜物 、表面缺陷和帶狀偏析是影響鋸片基體使用壽命 的主要因素，由于金剛石鋸片基體表面有麻坑、缺陷 或次 表層有密集分布的碳化物粒子或帶狀偏析，這些 作為疲勞源從而促進了鋸片基體發生疲勞失效。另外 由于 材料斷裂韌性低，這就促使鋸片基體過早地發生 疲勞斷裂。

1.非金屬夾雜物

金剛石鋸片基體用鋼中非金屬夾雜物主要是在冶 煉過程中產生的Al2O3和TiN等夾雜物。它們對疲勞性 能的 影響一方面取決于夾雜物的類型、數量、尺寸、 形狀和分布；另一方面受鋸片鋼基體組織和性質制 約，與 基體結合力弱的尺寸大的脆性夾雜物和球狀不 變形夾雜物的危害。而且，中高碳彈簧鋼的強度 水平愈 高，夾雜物對疲勞極限的有害影響也愈顯著。

2.表面缺陷

表面質量問題主要分三類：一是明顯的軋制缺陷、折迭和耳子缺陷以及部分劃傷翹皮，主要由于軋 鋼設備 陳舊、精整設施落后和孔型設計調整不到位引 起的。另外坯料表面修磨不當，產生尖角棱子及凹坑劃傷， 經軋制后也易形成折迭缺陷；二是表面裂紋， 它在鋼材表面呈縱向連續或斷續分布，主要是由于坯 料殘存 的裂紋和皮下缺陷引起的，乳制應力及冷卻不 當也會產生表面裂紋；三是表面劃傷及翹皮，這與工 裝條件 及操作不當有關，在打包、運輸過程中也會產 生擦傷。它們的存在必然是材料產生失效的起源點，易直接 導致材料斷裂。但對于局部較小的凹坑、劃 傷、疤皮、麻點等缺陷，人們一般不太重視，它們的 存在有的 雖是標準允許的，不會成為失效的主因，但 它們存在的區域肯定是材料的薄弱部位，在材料整體 塑性不好 時它們也會成為開裂的突破口。由于在失效 時小缺陷已受到破壞或取樣時未檢驗到具體部位，所 以失效分 析中往往忽略了這一因素。

3.帶狀偏析

在利用連鑄生產中高碳彈簧鋼時有時會出現負偏 析帶（白亮帶），負偏析主要是由于電磁攪拌不當或 冷卻 過程不穩定造成的。凝固過程中不可避免存在選 分結晶。碳在鐵中的偏析系數K值為0.13,由此可計算 出如 碳含量為0.55%左右的鋼液開始結晶時的枝晶干上碳含量Cs為0. 0715%;在電磁攪拌的作用下，樹枝 晶將被 切斷，一部分被切斷的枝晶將被溶化，剩余部 分枝晶將被攪拌旋流逐漸旋至中心附近形成晶核，使 部分鋼 水先凝固形成負偏析；另一方面，在連鑄工藝 中，中心疏松和偏析不可能完全消除，因為連鑄坯在 凝固過 程中總存在周期性的樹枝晶搭橋現象，在搭橋 處由于優先結晶，也形成負偏析。

負偏析處由于碳含 量較低，在硫印和酸浸低倍試片上呈白亮線條，在熱 加工后仍然可能保留下來。由于經 過變形，熱加工后 在截面上表現為寬度很窄的白亮條帶狀。具有帶狀偏 析的彈簧鋼，在淬火加熱時，在奧 氏體相區，帶狀鐵 素體的周圍碳原子將向內部擴散，但是由于加熱保溫 時間較短，而且Si、S偏析對碳原 子的阻礙作用，原負 偏析帶狀鐵素體內的碳原子濃度仍低于周圍組織的碳 含量。經過淬火后，帶狀偏析組 織形成含碳量低于周 圍的馬氏體組織，經過回火后形成碳含量低于周圍組 織的白亮帶狀回火索氏體。

在原材料中存在帶狀偏析，會嚴重的影響到金剛 石鋸片基體用鋼的疲勞壽命。這是因為在循環載荷 下，金 剛石鋸片基體用鋼中的游離帶狀組織由于強度 相對較低，很容易產生疲勞裂紋源，當裂紋在外力作 用下擴 展到一定程度后則鋸片基體就會失效。

另一方面，帶狀偏析導致在加熱過程中合金含量低的帶內晶粒易于粗化，形成粗大的晶粒；合金含量高的 帶內存在大量的細小的合金碳化物，阻礙了晶粒的長大 而獲得細小的晶粒。淬火加熱時帶狀鐵素體周圍的碳原 子向其帶內擴散，但由于加熱溫度不太高，加熱時間較短，加上Si源子的阻礙，原鐵素體偏聚區的奧氏體與周圍的碳原子未能達到均勻，淬火后導致馬氏體轉變的不同，致使在帶間產生大的組織應力。

研究發現，馬氏 體相變時的組織應力與晶粒尺寸有密切關系，粗大的晶粒增大了淬火裂紋的傾向；同時，在淬火的過程中，非 金屬夾雜物沿晶界偏聚呈帶狀分布，該類夾雜物質軟， 與基體結合強度差，破壞了鋸片基體的連續性，導致大 晶粒的晶界弱化和變形協調性較差，致使晶界應力集 中。所以在應力的作用下，脆性相和帶狀夾雜物成為裂 紋的發源地，促進淬火裂紋形成并迅速擴展，擴展到縱 向中心線附近時，變形受到約束，從而以裂紋的形式釋 放應力，誘發淬火裂紋的產生。