鋼材斷裂的基本分析

1、鋼材斷裂的基本分析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。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

2、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。1.鐵素體鐵素體珠光體鋼斷裂珠光體鋼斷裂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

3、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(shí)，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(chēng)為珠光體，同時(shí)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

4、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(huì)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(huì)妨礙鐵素體晶粒長(zhǎng)大。因此，珠光體會(huì)通過(guò)升高d12（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(duì)鋼的韌性影響較?。欢?，含碳量較高時(shí)，以球光體形式直接影響韌性和夏比曲線。2.處理工

5、藝的影響處理工藝的影響實(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(xiāo)售，軋制條件對(duì)沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會(huì)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

6、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(zhǎng)后的夾雜粗大分散成鱗片狀，對(duì)夏比轉(zhuǎn)變溫度范圍低溫處的缺口韌性有很大影響。3.鐵素體鐵素體可溶合金元素的影響可溶合金元素的影響6）氧）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

7、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d2的有利物質(zhì)。4.含碳量在含碳量在0.3%～0.8%的影響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(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(shí)占顯微組織的35%～100%。此外，還有多種聚集組織在每一個(gè)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(dòng)，從而使鋼的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率隨

8、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(duì)先共析晶粒尺寸的細(xì)化而增強(qiáng)。鋼中有大量珠光體時(shí)，形變過(guò)程中會(huì)在低溫和或高應(yīng)變率時(shí)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。5.貝氏體鋼斷裂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(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℃

9、和675℃時(shí)奧氏體貝氏體轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)條件。在大約525～675℃之間形成的貝氏體，通常稱(chēng)為“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱(chēng)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(shí)，未回火貝氏體的抗拉強(qiáng)度會(huì)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(shí)，貝氏體鐵素體片尺寸不斷細(xì)化。2）

10、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(jí)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