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精密儀器

鋼材斷裂的基本分析

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(lèi)和含量而具有不同的商品名稱(chēng)。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。

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主要原因有:第一,因?yàn)樵阡摰囊睙挄r(shí)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(jiǎn)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^(guò)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(shí)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(huì)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。


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鐵素體-可溶合金元素的影響


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(cè)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^(guò)提高δi預(yù)測(cè)單個(gè)合金元素可降低韌性的范圍。

鐵素體鋼的無(wú)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(wú)報(bào)導(dǎo),然而這些也僅限于加入單個(gè)合金元素對(duì)韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對(duì)鋼性能的影響作簡(jiǎn)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(shì)。

◆ 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(shuō)明NDT溫度隨著錳量的增加而降低,后兩種作用會(huì)引起夏比曲線峰值更尖。

鋼含碳量較高時(shí),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(duì)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(shí)實(shí)質(zhì)降低開(kāi)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(shí)含碳量低至正火后無(wú)碳化物出現(xiàn)時(shí),鎳對(duì)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。可能是由于鎳作為奧氏體的穩(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(huì)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(shí)有益于提高沖擊性能。如果鋼中同時(shí)存在錳和鋁,大部分硅在鐵素體中溶解,同時(shí)通過(guò)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(zhǎng)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(guò)了需要,“固化”游離氮的作用將變?nèi)酢?/span>

6)氧。鋼中的氧會(huì)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(huì)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(huì)使裂紋在晶界集中成核,然后穿晶擴(kuò)散。解決氧脆化問(wèn)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(zhǎng)和提高d-/2的有利物質(zhì)。


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 馬氏體鋼斷裂


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(shí)奧氏體化后如果冷卻速度足夠快,通過(guò)剪切工藝奧氏體會(huì)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^(guò)剪切發(fā)生轉(zhuǎn)變,奧氏體中的碳原子來(lái)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(zhǎng)導(dǎo)致晶格膨脹。

◆ 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變要超過(guò)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(gè)階段。

1)溫度達(dá)到約100℃時(shí),馬氏體某些過(guò)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(shí)Rp0.2降低。


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不銹鋼斷裂


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。抗蝕性隨著鉻、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(shuō)來(lái),不銹鋼利用顯微組織進(jìn)行分類(lèi)。

◆ 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(guò)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(lèi)似于鐵素體型,不能通過(guò)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(jí)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(huì)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(huì)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(chēng)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(mǎn)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(duì)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(shí),受高溫作用,鈮或鈦碳化物會(huì)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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