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碳素鋼的脆性

碳素鋼的脆性

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由於冶金、加工、溫度、環境等因素使碳素鋼的塑性和韌性很低,在斷裂過程中無明顯塑性變形,斷裂時吸收的能量很低的性質。碳素鋼脆性表現在熱加工過程中極易發生開裂,或碳素鋼製件在使用過程中無明顯塑性變形,甚至在幾乎不發生塑性變形的情况下發生斷裂。自20世紀初以來,橋樑、船體、球形貯罐、石油化工合成容器、鍋爐導汽管、汽輪機葉片、發電機轉子、炮管、火箭發動機殼體等工程結構件,一再發生脆性斷裂事故。這些脆性斷裂事故與工程結構件的大型化、結構件截面的增厚、資料的高强度化和焊接結構的採用有關。

碳素鋼的分類

碳素鋼脆性,按產生原因、發生脆性時的現象等分為冷脆性、熱脆性、藍脆性、石墨脆性和氫脆性。

冷脆性在低溫,磷含量較高的鋼塑性和韌性很低,容易引起脆性斷裂的性質。磷引起冷脆性的原因是:(1)磷固溶在鐵素體中,降低鐵素體的塑性和韌性,新增鋼的脆性。(2)磷容易在鐵素體晶界上偏聚,降低晶界强度,引起脆性晶界斷裂。(3)磷在鐵素體中溶解度較大,室溫時達0.7%。但由於鋼中含有碳,碳溶入鐵素體中使磷在鐵素體中溶解度降低。並且,鋼水凝固時磷極易產生枝晶偏析。所以鋼中磷含量較高時,晶界上形成脆性磷化鐵薄膜,新增鋼的脆性。

熱脆性硫含量較高,硫偏析嚴重的鋼,在熱加工時容易產生開裂的性質。硫在鐵中溶解度很小,在室溫幾乎不溶於鐵。但硫與鐵化合生成硫化鐵。鋼水凝固時形成了%26gamma;-Fe+FeS共晶體,其共晶溫度為989℃。鋼水中的氧與鐵化合生成氧化鐵,形成%26gamma;-Fe+FeS+FeO三元共晶體,其共晶溫度為940℃。鋼水凝固時形成的三元共晶體量很少,它分佈在%26gamma;-Fe晶界上。在熱加工時低熔點的共晶體在%26gamma;-Fe晶界上處於熔融狀態,所以變形時發生開裂。煉鋼時錳作為去氧劑加入。錳與硫的親和力比鐵與硫的親和力大,鋼中硫優先與錳化合形成硫化錳,硫又與鐵化合生成硫化鐵,二者互相溶解而成為複合硫化物。其成分隨鋼中錳和硫含量比值而變化。隨鋼中錳和硫含量比值的新增,複合硫化物中硫化錳含量新增。硫化錳熔點很高(1620℃),硫化錳含量高的複合硫化物的熔點也相當高,而且錳和硫含量比值高的鋼的三元共晶溫度也相當高。所以不會發生三元共晶體熔化引起的熱脆性。為了防止熱脆性,鋼中錳含量要控制在硫含量的5~10倍。

藍脆性氮含量較高的低碳鋼在200~250℃發生時效,鋼的强度升高,塑性和韌性明顯降低所引起的脆性。因為在200~250℃加熱時,鋼的表面形成氧化物,其色呈藍色,所以這種脆性稱為藍脆性。氮在鐵素體中的溶解度隨溫度的下降而急劇變小,在590℃鐵素體中可溶解0.115%,而在室溫其溶解度只有(0.1~1)%26times;10-6。因為氮在鐵素體中擴散速度很慢,所以低碳鋼在熱加工後即使是空冷也將得到氮所過飽和的鐵素體。囙此,氮含量較高的低碳鋼在200~250℃加熱時,鐵素體中析出極細的氮化物質點,提高鋼的强度,降低鋼的塑性和韌性,引起鋼的脆性。低碳鋼經過冷變形,在200~250℃加熱時碳、氮原子與位錯發生彈性交互作用,鋼的强度提高,而塑性和韌性降低,也會引起鋼的脆性。防止藍脆性的途徑,一是運用現代煉鋼科技以减少鋼水中氮含量,二是加入適量的鋁、鈦或鈮,使其與氮形成化合物。

石墨脆性鋼在較高溫度長時間停留時,鋼中的滲碳體分解為鐵和石墨,使鋼的强度和塑性都顯著降低所引起的脆性。其斷口因石墨呈黑色,故又稱黑脆。鋼的碳含量越高,石墨化越容易。矽促進石墨化,而錳阻礙石墨化。高碳鋼鍛後冷卻速度過慢,退火保溫時間過長,多次重複加熱退火容易引起石墨脆性。石墨脆性一旦發生就無法消除,要注意預防。

氫脆性(見合金鋼脆性)。

碳素鋼的特點

碳素鋼脆性引起的工程結構件脆性斷裂的特點是:(1)脆性斷裂是突發性斷裂,在斷裂前沒有任何徵兆。(2)斷裂時裂紋擴展速度極快,所以這種斷裂往住是災難性的。(3)斷裂時工程結構件實際承受的應力往往比設計應力低。(4)工程結構件脆性斷裂一般在較低溫度發生,如橋樑、各種貯罐的脆性斷裂常在氣溫較低的冬季發生,但是有的工程結構件,如石油化工設備、鍋爐導汽管、汽輪機葉片在較高溫度使用時發生脆性斷裂。(5)分析這些事故表明,脆性斷裂一般由結構件中缺陷處開始,如焊接裂縫、資料內部缺陷等,有的由結構設計和生產工藝不合理而引起的應力集中處開始。(6)脆性斷裂的斷口是晶間斷口或穿晶解理斷口。

碳素鋼的影響因素

脆性與鋼的化學成分、鋼中夾雜和氣體、晶粒度、第二相顆粒、試樣尺寸、試驗溫度、試驗環境、加載速度等因素有關。鋼中的硫和磷新增鋼的脆性。硫引起熱脆性,並新增鋼的常溫脆性。磷引起鋼的冷脆性。鋼中的氮、氫等氣體也促進鋼的脆性。氮引起低碳鋼的藍脆性,氫在鋼中引起氫脆性和白點。鋼中的錫、銻、砷等元素顯著提高鋼在回火狀態的脆性。釩、鈦、鈮、鋯、鋁等元素在鋼中形成穩定的化合物,它細化鋼的晶粒,有利於鋼的韌化,降低鋼的脆性。稀土元素在鋼中與有害元素硫形成化合物,降低硫的有害作用。應用電渣重熔、鋼包吹氬、真空脫氣和保護澆注等措旋,可降低鋼中有害雜質和氣體含量,降低成分偏析,提高鑄造組織緻密性。這些都有利於鋼的韌化,降低鋼的脆性。

碳素鋼的試驗方法

鋼的脆性一般以韌性值評定。試驗方法有衝擊韌性試驗、缺口靜彎試驗、落錘試驗、爆破鼓突試驗、撕裂試驗、寬板拉伸試驗、深缺口試驗、雙重拉伸試驗,羅伯遜(Robertson)試驗、伊索(ESSO)試驗和斷裂韌性試驗等。衝擊韌性試驗設備簡單,方法簡便,試樣尺寸小,試驗經費便宜,它是評定韌性的最常用方法。隨著斷裂力學的發展而建立的斷裂韌性試驗現已成為考核金屬材料韌性的一個很重要的試驗方法。但其試驗方法繁雜,試驗費用貴。近年來用不同的資料進行大量試驗,研究了斷裂韌性與衝擊韌性之間的關係,並建立了一些適用於一定範圍的經驗關係式。這就有可能以衝擊韌性值估算一定條件下的斷裂韌性值。

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