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鋼材斷裂的基本分析
2018-11-12 00:00:00 來源：鋼材斷裂的基本分析 點(diǎn)擊：1583 喜歡：0
用于各行業(yè)的鋼材品種達(dá)數(shù)千種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學(xué)成分或合金種類和含量而具有不同的商品名稱。雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇，然而這些參數(shù)很難適用于所有鋼材。主要原因有：第一，因?yàn)樵阡摰囊睙挄r需加入一定數(shù)量的某種或多種合金元素，成材后再經(jīng)簡單熱處理便可獲得不同的顯微組織，從而改變了鋼的原有性能；第二，因?yàn)闊掍摵蜐沧⑦^程中產(chǎn)生的缺陷，特別是集中缺陷（如氣孔、夾雜等）在軋制時極其敏感，并且在同一化學(xué)成分鋼的不同爐次之間，甚至在同一鋼坯的不同部位發(fā)生不同的改變，從而影響鋼材的質(zhì)量。由于鋼材韌性主要取決于顯微結(jié)構(gòu)和缺陷的分散（嚴(yán)防集中缺陷）度，而不是化學(xué)成分。所以，經(jīng)熱處理后韌性會發(fā)生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因，還需掌握物理冶金學(xué)和顯微組織與鋼材韌性的關(guān)系。
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大多數(shù)。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強(qiáng)度及韌性而加入的其它少量合金元素的合金。
鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中，滲碳體顆粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當(dāng)碳含量高于0.02%時，絕大多數(shù)的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結(jié)構(gòu)，而稱為珠光體，同時趨向于作為“晶?！焙颓蚪Y(jié)（晶界析出物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體含量占10%～25%。
盡管珠光體顆粒很堅(jiān)硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上，并且圍繞鐵素體輕松地變形。通常，鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的增加而減小。因?yàn)橹楣怏w球結(jié)的形成和轉(zhuǎn)化會妨礙鐵素體晶粒長大。因此，珠光體會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服應(yīng)力δy。
從斷裂分析的觀點(diǎn)看，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼，其性能令人關(guān)注。
一是，含碳量在0.03%以下，碳以珠光體球結(jié)的形式存在，對鋼的韌性影響較??；二是，含碳量較高時，以球光體形式直接影響韌性和夏比曲線。
實(shí)踐得知，水淬火鋼的沖擊性能優(yōu)于退火或正火鋼的沖擊性能，原因在于快冷阻止了滲碳體在晶界形成，并促使鐵素體晶粒變細(xì)。
許多鋼材是在熱軋狀態(tài)下銷售，軋制條件對沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度，增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細(xì)，從而提高鋼材韌性。厚板因冷卻速度比薄板慢，鐵素體晶粒比薄板粗大。所以，在同樣的熱處理?xiàng)l件下厚板比薄板更脆性。因此，熱軋后常用正火處理以改善鋼板性能。
熱軋也可生產(chǎn)各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋制方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長后的夾雜粗大分散成鱗片狀，對夏比轉(zhuǎn)變溫度范圍低溫處的缺口韌性有很大影響。
絕大多數(shù)合金元素加入低碳鋼，是為了生產(chǎn)在某些環(huán)境溫度下的固溶體硬化鋼，提高晶格摩擦應(yīng)力δi。但目前還不能僅用公式預(yù)測較低屈服應(yīng)力，除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應(yīng)力的決定因素是正火溫度和冷卻速度，然而這種研究方法仍很重要，因?yàn)榭梢酝ㄟ^提高δi預(yù)測單個合金元素可降低韌性的范圍。
鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變（NDT）溫度和夏比轉(zhuǎn)變溫度的回歸分析至今尚無報導(dǎo)，然而這些也僅限于加入單個合金元素對韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對鋼性能的影響作簡要介紹。
1）錳。絕大多數(shù)的錳含量約為0.5%。作為脫氧劑或固硫劑加入可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還有以下作用。
◆ 含碳量0.05%鋼，空冷或爐冷后有降低晶粒邊界滲碳體薄膜形成的趨勢。
◆ 可稍減小鐵素體晶粒尺寸。
◆ 可產(chǎn)生大量而細(xì)小的珠光體顆粒。
前兩種作用說明NDT溫度隨著錳量的增加而降低，后兩種作用會引起夏比曲線峰值更尖。
鋼含碳量較高時，錳能顯著降低約50%轉(zhuǎn)變溫度。其原因可能是因珠光體量多，而不是滲碳體在邊界的分布。必須注意的是，如果鋼的含碳量高于0.15%，高錳含量對正火鋼的沖擊性能影響起到了決定性作用。因?yàn)殇摰母叽阃感砸饖W氏體轉(zhuǎn)變成脆性的上貝氏體，而不是鐵素體或珠光體。
2）鎳。加入鋼中的作用似錳，可改善鐵-碳合金韌性。其作用大小取決于含碳量和熱處理。在含碳量（約0.02%）很低的鋼中，加入量達(dá)到2%就能防止熱軋態(tài)和正火鋼晶界滲碳體的形成，同時實(shí)質(zhì)降低開始轉(zhuǎn)變溫度TS，升高夏比沖擊曲線峰值。
進(jìn)一步增加鎳含量，改善沖擊韌性效果則降低。如果這時含碳量低至正火后無碳化物出現(xiàn)時，鎳對轉(zhuǎn)變溫度的影響將變得很有限。在含碳約0.10%的正火鋼中加入鎳，最大的好處是細(xì)化晶粒和降低游離氮含量，但其機(jī)理目前尚不清楚?？赡苁怯捎阪囎鳛閵W氏體的穩(wěn)定劑從而降低了奧氏體分解的溫度。
3）磷。在純凈的鐵-磷合金中，由于鐵素體晶界會發(fā)生磷偏析降低了抗拉強(qiáng)度Rm而使晶粒之間脆化。此外，由于磷還是鐵素體的穩(wěn)定劑。所以，加入鋼中將大大增加δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些作用的綜合將使磷成為極其有害的脆化劑，發(fā)生穿晶斷裂。
4）硅。鋼中加硅是為了脫氧，同時有益于提高沖擊性能。如果鋼中同時存在錳和鋁，大部分硅在鐵素體中溶解，同時通過固溶化硬化作用提高δi。這種作用與加入硅提高沖擊性能綜合的結(jié)果是，在穩(wěn)定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入硅，使50%轉(zhuǎn)變溫度升高約44℃。此外，硅與磷相似，是鐵素鐵的穩(wěn)定劑，能促進(jìn)鐵素體晶粒長大。按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)，硅加入正火鋼中將提高平均能量轉(zhuǎn)換溫度約60℃。
5）鋁。以合金和脫氧劑的作用加入鋼中有以下兩方面的原因：第一，與溶體中的氮生成AlN，去除游離氮；第二，AlN的形成細(xì)化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結(jié)果是，每增加0.1%的鋁，將使轉(zhuǎn)變溫度降低約40℃。然而，當(dāng)鋁的加入量超過了需要，“固化”游離氮的作用將變?nèi)酢?/span>
6）氧。鋼中的氧會在晶界產(chǎn)生偏析導(dǎo)致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧含量高至0.01%，斷裂就會沿著脆化晶粒的晶界產(chǎn)生的連續(xù)通道發(fā)生。即使鋼中含氧量很低，也會使裂紋在晶界集中成核，然后穿晶擴(kuò)散。解決氧脆化問題的方法是，可加入脫氧劑碳、錳、硅、鋁和鋯，使其和氧結(jié)合生成氧化物顆粒，而將氧從晶界去除。氧化物顆粒也是延遲鐵素體生長和提高d-/2的有利物質(zhì)。
亞共析鋼的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵素體是連續(xù)相并首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內(nèi)形成，同時占顯微組織的35%～100%。此外，還有多種聚集組織在每一個奧氏體晶粒內(nèi)形成，使珠光體成為多晶體。
由于珠光體強(qiáng)度比先共析鐵素體高，所以限制了鐵素體的流動，從而使鋼的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率隨著珠光體含碳量的增加而增加。限制作用隨硬化塊數(shù)量增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細(xì)化而增強(qiáng)。
鋼中有大量珠光體時，形變過程中會在低溫和/或高應(yīng)變率時形成微型解理裂紋。雖然也有某些內(nèi)部聚集組織斷面，但斷裂通道最初還是沿著解理面穿行。所以，在鐵素體片之間、相鄰聚集組織中的鐵素體晶粒內(nèi)有某些擇優(yōu)取向。
在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和硼可優(yōu)化通常發(fā)生在700～850℃奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變，且不影響其后在450℃和675℃時奧氏體-貝氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)條件。
在大約525～675℃之間形成的貝氏體，通常稱為“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱為“下貝氏體”。兩種組織均由針狀鐵素體和分散的碳化物組成。當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度從675℃降至450℃時，未回火貝氏體的抗拉強(qiáng)度會從585MPa升高至1170MPa。
因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度由合金元素含量決定，并間接影響屈服和抗拉強(qiáng)度。這些鋼獲得的高強(qiáng)度是以下兩種作用的結(jié)果：
1） 當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度降低時，貝氏體鐵素體片尺寸不斷細(xì)化。
2） 在下貝氏體內(nèi)精細(xì)的碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程度上取決于抗拉強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變溫度。
有兩種作用要注意：第一，一定的抗拉強(qiáng)度級別，回火下貝氏體的夏比沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未回火的上貝氏體。原因是在上貝氏體中，球光體內(nèi)的解理小平面切割了若干貝氏體晶粒，決定斷裂的主要尺寸是奧氏體晶粒尺寸。
在下貝氏體中，針狀鐵素體內(nèi)的解理面未排成一直線，因此決定準(zhǔn)解理斷裂面是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體晶粒尺寸。因?yàn)檫@里的針狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中的奧氏體晶粒尺寸的1/2。所以，在同一強(qiáng)度級別，下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度比上貝氏體低許多。
除了上面的原因之外是碳化物分布。在上貝氏體中碳化物位于晶界沿線，并通過降低抗拉強(qiáng)度Rm增加脆性。在回火的下貝氏體中，碳化物非常均勻地分布的鐵素體中，同時通過限制解理裂紋以提高抗拉強(qiáng)度并促進(jìn)球化珠光體細(xì)化。
第二，要注意的是未回火合金中轉(zhuǎn)變溫度與抗拉強(qiáng)度的變化。在上貝氏體中，轉(zhuǎn)變溫度的降低會使針狀鐵素體尺寸細(xì)化同時升高延伸強(qiáng)度Rp0.2。
在下貝氏體中，為獲得830MPa或更高的抗拉強(qiáng)度，也可通過降低轉(zhuǎn)變溫度提高強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn)。然而，因?yàn)樯县愂象w的斷口應(yīng)力取決于奧氏體晶粒尺寸，而此時的碳化物顆粒尺寸已經(jīng)很大，因此通過回火提高抗拉強(qiáng)度的作用很小。
碳或其它元素加入鋼中可延遲奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體或貝氏體，同時奧氏體化后如果冷卻速度足夠快，通過剪切工藝奧氏體會變成馬氏體而不需進(jìn)行原子擴(kuò)散。
理想的馬氏體斷裂應(yīng)具有以下特征。
◆ 因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度很低（200℃或更低），四面體鐵素體或針狀馬氏體非常細(xì)。
◆ 因?yàn)橥ㄟ^剪切發(fā)生轉(zhuǎn)變，奧氏體中的碳原子來不及擴(kuò)散出晶體，使鐵素體中的碳原子飽和從而使馬氏體晶粒拉長導(dǎo)致晶格膨脹。
◆ 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變要超過一定的溫度范圍，因?yàn)槌跏忌傻鸟R氏體片給以后的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體增加阻力。所以，轉(zhuǎn)變后的結(jié)構(gòu)是馬氏體和殘余奧氏體的混合結(jié)構(gòu)。
為了保證鋼的性能穩(wěn)定，必須進(jìn)行回火。高碳（0.3%以上）馬氏體，在以下范圍內(nèi)回火約1h，經(jīng)歷以下三個階段。
1） 溫度達(dá)到約100℃時，馬氏體某些過飽和碳沉淀并形成非常細(xì)小的ε-碳化物顆粒，分散于馬氏體中而降低碳含量。
2） 溫度在100～300℃之間，任何殘余奧氏體都可能轉(zhuǎn)變成貝氏體和ε-碳化物。
3） 在第3階段回火中，大約200℃起取決于碳含量和合金成分。當(dāng)回火溫度升至共析溫度，碳化物沉淀變粗同時Rp0.2降低。
除了消除應(yīng)力提高沖擊韌性之外，回火還有以下兩種作用：
第一，轉(zhuǎn)變殘余奧氏體。殘留奧氏體將在低溫約30℃轉(zhuǎn)變成韌性針狀下貝氏體。在較高的溫度如600℃，殘余奧氏體會轉(zhuǎn)變成脆性的珠光體。因此，鋼在550～600℃進(jìn)行第一次回火，在300℃進(jìn)行第二次回火，以避免形成脆性珠光體，稱這種回火制度為“二次回火”。
第二，增加彌散性碳化物含量（抗拉強(qiáng)度Rm增加），降低屈服強(qiáng)度。如果升高回火溫度，兩者都將會引起沖擊，轉(zhuǎn)變回火范圍降低。因?yàn)轱@微組織變精細(xì)，在同樣強(qiáng)度級別，將提高抗拉塑性。
回火脆性是可逆的。如果回火溫度高到超過了臨界范圍而降低了轉(zhuǎn)變溫度，可將材料再加熱后在臨界范圍處理，回火溫度才可以再升高。如果出現(xiàn)微量元素，表明脆性將得到改善。最重要的微量元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和硅都有去脆作用。如果其它合金元素存在，鉬也能降低回火脆性，同時鎳和鉻也有一定的作用。
高強(qiáng)鋼可通過以下方法進(jìn)行生產(chǎn)：淬火和回火；淬火和回火前奧氏體變形；退火和時效生產(chǎn)沉淀硬化鋼。此外，還可通過應(yīng)變和再回火或回火期應(yīng)變，都可進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度。
不銹鋼主要由鐵-鉻、鐵-鉻-鎳合金和其它改善力學(xué)性能與抗蝕能力的元素組成。不銹鋼防蝕是因?yàn)樵诮饘俦砻嫔闪丝煞乐惯M(jìn)一步氧化的鉻氧化物—不可滲透層。
因此，不銹鋼在氧化氣氛中能防止腐蝕并使鉻氧化物層得到強(qiáng)化。但在還原氣氛中，鉻氧化層受到損害?？刮g性隨著鉻、鎳含量增加而增加。鎳可全面提升鐵的鈍化性。
增加碳是為了改善力學(xué)性能和保證奧氏體不銹鋼性能的穩(wěn)定。一般說來，不銹鋼利用顯微組織進(jìn)行分類。
◆ 馬氏體不銹鋼。屬于鐵-鉻合金，可進(jìn)行奧氏體化和后序熱處理生成馬氏體。通常含鉻12%，含碳0.15%。
◆ 鐵素體不銹鋼。含鉻約14%～18%，碳0.12%。因?yàn)殂t是鐵素體的穩(wěn)定劑，奧氏體相被超過13%的鉻徹底抑制，因而是完全的鐵素體相。
◆ 奧氏體不銹鋼。鎳是奧氏體的強(qiáng)穩(wěn)定劑，因此，在室溫、低于室溫或高溫狀態(tài)下，鎳含量為8%，鉻含量為18%（300型）能使奧氏體相非常穩(wěn)定。奧氏體不銹鋼類似于鐵素體型，不能通過馬氏體轉(zhuǎn)變而硬化。
鐵素體和馬氏體不銹鋼特征，如晶粒尺寸等與同級別的其它鐵素體鋼和馬氏體鋼相似。
奧氏體不銹系FCC結(jié)構(gòu)，在冷凍溫度下都不可能解理斷裂。大型件冷軋80%后，310型不銹鋼有極高的屈服強(qiáng)度和缺口敏感性，甚至在溫度低至-253℃還具有1.0的缺口敏感性比。因此，可用于導(dǎo)彈系統(tǒng)的液氫貯存箱。相似的301型不銹鋼可用于溫度低至183℃的液氧貯存箱。但在這些溫度以下是不穩(wěn)定的，如發(fā)生任何塑性變形，不穩(wěn)定的奧氏體都會變成脆性的非回火馬氏體。絕大多數(shù)奧氏體鋼用于防腐環(huán)境，被加熱至500～900℃溫度范圍，鉻碳化物會沉淀在奧氏體晶界，結(jié)果使晶界附近范圍內(nèi)的鉻層被完全耗盡。該部位非常容易受到腐蝕和局部腐蝕，如果存在應(yīng)力，還可導(dǎo)致晶脆性斷裂。
為了減輕上述危害，可加入少量性能強(qiáng)于鉻碳化物的元素，例如鈦或鈮，與碳形成合金碳化物，防止鉻被耗盡和隨之而致的應(yīng)力腐蝕裂紋。常稱這種處理為“穩(wěn)定化處理”。
奧氏體不銹鋼也常用于高溫，如壓力容器，防止和滿足抗腐蝕和抗蠕變。某些鋼種因?yàn)樵诤负鬅崽幚砗透邷丨h(huán)境下對熱影響區(qū)及其附近的裂紋十分敏感。所以，當(dāng)焊接再加熱時，受高溫作用，鈮或鈦碳化物會在晶粒內(nèi)和晶界沉淀，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生而影響使用壽命，這必須給予高度重視。
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