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鋼材斷裂的基本分析

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鋼材斷裂的基本分析

發布日期:2019-02-15 作者:客服 點擊:

  用於各行業的鋼材品種達數千種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學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,然而這些參數很難適用於所有鋼材。主要原因有:第一,因為在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種合金元素,成材後再經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,因為煉鋼和澆注過程中產生的缺陷,特別是集中缺陷(如氣孔、夾雜等)在軋製時極其敏感,並且在同一化學成分鋼的不同爐次之間,甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變,從而影響鋼材的質量。由於鋼材韌性主要取決於顯微結構和缺陷的分散(嚴防集中缺陷)度,而不是化學成分。所以,經熱處理後韌性會發生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因,還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關係。

  

  1. 鐵素體-珠光體鋼斷裂

  

  鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。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。但當碳含量高於0.02%時,絕大多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構,而稱為珠光體,同時趨向於作為“晶粒”和球結(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硬,但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上,並且圍繞鐵素體輕鬆地變形。通常,鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的增加而減小。因為珠光體球結的形成和轉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力δy。

  

  寧夏鋼材從斷裂分析的觀點看,在低碳鋼中有兩種含碳量範圍的鋼,其性能令人關注。一是,含碳量在0.03%以下,碳以珠光體球結的形式存在,對鋼的韌性影響較小;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。

  

  2. 處理工藝的影響

  

  實踐得知,水淬火鋼的衝擊性能優於退火或正火鋼的衝擊性能,原因在於快冷阻止了滲碳體在晶界形成,並促使鐵素體晶粒變細。

  

  許多鋼材是在熱軋狀態下銷售,軋製條件對衝擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會降低衝擊轉變溫度,增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細,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,在同樣的熱處理條件下厚板比薄板更脆性。因此,熱軋後常用正火處理以改善鋼板性能。

  

  熱軋也可生產各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋製方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長後的夾雜粗大分散成鱗片狀,對夏比轉變溫度範圍低溫處的缺口韌性有很大影響。

  

寧夏鋼材


  3. 鐵素體-可溶合金元素的影響

  

  絕大多數合金元素加入低碳鋼,是為了生產在某些環境溫度下的固溶體硬化鋼,提高晶格摩擦應力δi。但目前還不能僅用公式預測較低屈服應力,除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應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,因為可以通過提高δi預測單個合金元素可降低韌性的範圍。

  

  鐵素體鋼的無塑性轉變(NDT)溫度和夏比轉變溫度的回歸分析至今尚無報導,然而這些也僅限於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,空冷或爐冷後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。

  

  ◆ 可產生大量而細小的珠光體顆粒。

  

  前兩種作用說明NDT溫度隨著錳量的增加而降低,後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,如果鋼的含碳量高於0.15%,高錳含量對正火鋼的衝擊性能影響起到了決定性作用。因為鋼的高淬透性引起奧氏體轉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。其作用大小取決於含碳量和熱處理。在含碳量(約0.02%)很低的鋼中,加入量達到2%就能防止熱軋態和正火鋼晶界滲碳體的形成,同時實質降低開始轉變溫度TS,升高夏比衝擊曲線峰值。

  

  進一步增加鎳含量,改善衝擊韌性效果則降低。如果這時含碳量低至正火後無碳化物出現時,鎳對轉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,最大的好處是細化晶粒和降低遊離氮含量,但其機理目前尚不清楚。可能是由於鎳作為奧氏體的穩定劑從而降低了奧氏體分解的溫度。

  

  3)磷。在純淨的鐵-磷合金中,由於鐵素體晶界會發生磷偏析降低了抗拉強度Rm而使晶粒之間脆化。此外,由於磷還是鐵素體的穩定劑。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,發生穿晶斷裂。

  

  4)矽。鋼中加矽是為了脫氧,同時有益於提高衝擊性能。如果鋼中同時存在錳和鋁,大部分矽在鐵素體中溶解,同時通過固溶化硬化作用提高δi。這種作用與加入矽提高衝擊性能綜合的結果是,在穩定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入矽,使50%轉變溫度升高約44℃。此外,矽與磷相似,是鐵素鐵的穩定劑,能促進鐵素體晶粒長大。按重量百分數計,矽加入正火鋼中將提高平均能量轉換溫度約60℃。

  

  5)鋁。以合金和脫氧劑的作用加入鋼中有以下兩方麵的原因:第一,與溶體中的氮生成AlN,去除遊離氮;第二,AlN的形成細化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結果是,每增加0.1%的鋁,將使轉變溫度降低約40℃。然而,當鋁的加入量超過了需要,“固化”遊離氮的作用將變弱。

  

  6)氧。鋼中的氧會在晶界產生偏析導致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧含量高至0.01%,斷裂就會沿著脆化晶粒的晶界產生的連續通道發生。即使鋼中含氧量很低,也會使裂紋在晶界集中成核,然後穿晶擴散。解決氧脆化問題的方法是,可加入脫氧劑碳、錳、矽、鋁和鋯,使其和氧結合生成氧化物顆粒,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。

  

  4. 含碳量在0.3%~0.8%的影響

  

  亞共析鋼的含碳量在0.3%~0.8%,先共析鐵素體是連續相並首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內形成,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形成,使珠光體成為多晶體。

  

  由於珠光體強度比先共析鐵素體高,所以限製了鐵素體的流動,從而使鋼的屈服強度和應變硬化率隨著珠光體含碳量的增加而增加。限製作用隨硬化塊數量增加,珠光體對先共析晶粒尺寸的細化而增強。

  

  鋼中有大量珠光體時,形變過程中會在低溫和/或高應變率時形成微型解理裂紋。雖然也有某些內部聚集組織斷麵,但斷裂通道最初還是沿著解理麵穿行。所以,在鐵素體片之間、相鄰聚集組織中的鐵素體晶粒內有某些擇優取向。

  

  5. 貝氏體鋼斷裂

  

  在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和硼可優化通常發生在700~850℃奧氏體-鐵素體轉變,且不影響其後在450℃和675℃時奧氏體-貝氏體轉變的動力學條件。

  

  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。當轉變溫度從675℃降至450℃時,未回火貝氏體的抗拉強度會從585MPa升高至1170MPa。

  

  因為轉變溫度由合金元素含量決定,並間接影響屈服和抗拉強度。這些鋼獲得的高強度是以下兩種作用的結果:

  

  1)當轉變溫度降低時,貝氏體鐵素體片尺寸不斷細化。

  

  2)在下貝氏體內精細的碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程度上取決於抗拉強度和轉變溫度。

  

  有兩種作用要注意:第一,一定的抗拉強度級別,回火下貝氏體的夏比衝擊性能遠遠優於未回火的上貝氏體。原因是在上貝氏體中,球光體內的解理小平麵切割了若幹貝氏體晶粒,決定斷裂的主要尺寸是奧氏體晶粒尺寸。

  

  在下貝氏體中,針狀鐵素體內的解理麵未排成一直線,因此決定準解理斷裂麵是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體晶粒尺寸。因為這裏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,在同一強度級別,下貝氏體轉變溫度比上貝氏體低許多。

  

  除了上麵的原因之外是碳化物分布。在上貝氏體中碳化物位於晶界沿線,並通過降低抗拉強度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,同時通過限製解理裂紋以提高抗拉強度並促進球化珠光體細化。

  

  第二,要注意的是未回火合金中轉變溫度與抗拉強度的變化。在上貝氏體中,轉變溫度的降低會使針狀鐵素體尺寸細化同時升高延伸強度Rp0.2。

  

  在下貝氏體中,為獲得830MPa或更高的抗拉強度,也可通過降低轉變溫度提高強度的方法實現。然而,因為上貝氏體的斷口應力取決於奧氏體晶粒尺寸,而此時的碳化物顆粒尺寸已經很大,因此通過回火提高抗拉強度的作用很小。

  

  6. 馬氏體鋼斷裂

  

  碳或其它元素加入鋼中可延遲奧氏體轉變成鐵素體和珠光體或貝氏體,同時奧氏體化後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行原子擴散。

  

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