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爲何含碳量高的鋼材容易斷裂?

含碳量高的棒材發生過很多次斷裂,如45#鋼做的軸,使用不太長的時間就發生斷裂。從斷裂後部件上取樣,進行金相分析,往往找不到産生的原因,即算牽強附會找到了一些原因,也不是實際的原因。

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爲了确保更高的強度,還必須在鋼中添加碳,随之就會析出鐵碳化物。從電化學的觀點來看,鐵碳化物發揮了陰極作用,加快了基體周邊的陽極溶解反應。在顯微組織内的鐵碳化物體積分數的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。

鋼材表面易于産生并吸附氫,氫原子向鋼材内部滲入的同時,氫的體積分數就可能會增加,最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。

高強鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著降低不僅有害于鋼材的性能,還會極大地限制鋼材的應用。

如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環境中,在應力作用下,可能出現的應力腐蝕開裂(SCC)現象就會對車身的安全性造成嚴重的威脅。

碳含量越高,氫擴散系數減小,氫溶解度增大。學者Chan曾經提出,析出物(作爲氫原子的陷阱位置)、電位、空孔等各種晶格缺陷與碳含量成正比,碳含量增大,就會抑制氫擴散,因此氫擴散系數也較低。

由于碳含量與氫溶解度成正比關系,作爲氫原子陷阱的碳化物,體積分數越大,鋼材内部的氫擴散系數越小,氫溶解度增大,氫溶解度也包含了有關擴散性氫的信息,因而氫脆敏感性最高。随着碳含量的增加,氫原子的擴散系數減小,表面氫濃度增大,這是因爲鋼材表面的氫超電壓下降所緻。

從動電壓極化試驗結果來看,試樣的碳含量越高,酸性環境中就易于發生陰極還原反應(氫生成反應)以及陽極溶解反應。與具有低氫超電壓的周邊基體進行比較,碳化物發揮了陰極的作用,其體積分數增大。

根據電化學氫滲透試驗結果,試樣内的碳含量和碳化物的體積分數越大,氫原子的擴散系數就越小,溶解度增大。随着碳含量的增加,抗氫脆性也會降低。

慢應變速率拉伸試驗證實,碳含量越大,抗應力腐蝕開裂性能也會降低。與碳化物的體積分數成正比,随着氫還原反應及向試樣内部滲透的氫注入量增加,就會發生陽極溶解反應,也會加快形成滑移帶。

碳含量的增大,鋼材内部就會析出碳化物,在電化學腐蝕反應的作用下,氫脆可能性就會增大,爲了确保鋼具備優秀的耐腐蝕性和抗氫脆性,對碳化物的析出和體積分數的控制進行是有效的控制方法。

鋼材在汽車零配件上的應用受到一些限制,也要歸因于其抗氫脆性能的明顯下降,而氫脆是由水溶液腐蝕産生的。事實上,這種氫脆敏感性是與碳含量密切相關的,在低氫超電壓條件下析出鐵碳化物(Fe2.4C / Fe3C)。

一般針對應力腐蝕開裂現象或氫脆現象導緻的表面局部腐蝕反應,通過熱處理除去殘餘應力,增大氫陷阱效率等方面開展。要想開發兼具優秀耐腐蝕性和抗氫脆性的超高強汽車用鋼,也自然并非易事。

随着碳含量的增大,氫還原速率增大,而氫擴散速率顯著降低。使用中碳或高碳鋼做零部件或傳動軸等,技術關鍵就是對顯微組織中的碳化物組分進行有效控制。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網,作者:陳定乾

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