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不銹鋼知識

鋼材斷裂原因分析

摘要:因为鋼材韌性主要取決于顯微結構和缺点的分散度,而不是化學身分..要深入探究鋼材性能及其斷裂原由,需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關系..

用于各行業的鋼材品種有千余種之多。每種鋼材因不同的性能、化學因素或合金種類和含量而具有区别的商品名稱。雖然斷裂韌性值大大便利了每種鋼的選擇,然而這些參數難適用于所有鋼材。

主要理由有:第一,因為在鋼的冶煉時需加入數量的某種或多種合金元素,成材后簡單熱處理便可獲得差别的顯微組織,從而改變了鋼的原有职能;第二,因為煉鋼和澆注過程中產生的瑕疵,特別是集中缺点在軋制時極其敏感,而且在同一化學因素鋼的区别爐次之間,以至在同一鋼坯的分别部位發生分别的改變,從而影響鋼材的質量。

由于鋼材韌性主要取決于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,經熱處理后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系。

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插手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、0.01%C、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中,滲碳體顆粒停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當碳含量高于0.02%時,絕大多數的Fe3C造成具有某些鐵素體的片狀結構,而稱為珠光體,同時趨向于作為“晶粒”和球結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,但卻能格外廣泛的分散在鐵素體基體上,而且圍繞鐵素體輕松的變形。,鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的补充而減小。因為珠光體球結的酿成和轉化會妨礙鐵素體晶粒長大。所以,珠光體會通過升高d-1/2而間接升高拉伸屈服應力δy。

不銹鋼的斷裂表面的掃描電子顯微照片

從斷裂分析的觀點看,在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼,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,水淬火鋼的沖擊性能優于退火或正火鋼的沖擊性能,原因在于快冷禁绝了滲碳體在晶界酿成,并促使鐵素體晶粒變細。

許多鋼材是在熱軋狀態下銷售,軋制條件對沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會降低沖擊轉變溫度,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,熱軋后常用正火處理以改善鋼板性能。

熱軋可生產各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋制目标的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長后的夾雜粗大分散成鱗片狀,對夏比轉變溫度范圍低溫處的缺口韌性有很大影響。

3. 鐵素體-可溶合金元素的影響

絕大多數合金元素插手低碳鋼,是為了生產在某些環境溫度下的固溶體坚硬鋼,提高晶格摩擦應力δi。但如今還不能僅用公式預測低屈服應力,除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應力的決定成分是正火溫度和冷速率,然而這種考究方法很重要,因為可能通過提高δi預測單個合金元素可降低韌性的范圍。

鐵素體鋼的無塑性轉變溫度比夏轉變溫度的回歸剖析尚無報導,然而這些僅限于参预單個合金元素對韌性影響的定性討論。以下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,空冷或爐冷后有降低晶粒邊界滲碳體薄膜变成的趨勢。

·可稍減小鐵素體晶粒尺寸。

·可產生多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,后兩種功用會引起夏比曲線峰值更尖。

鋼含碳量高時,錳能顯著降低50%轉變溫度。其原由能够是因珠光體量多,而不是滲碳體在邊界的分布。注意的是,要是鋼的含碳量高于0.15%,高錳含量對正火鋼的沖擊职能影響起到了決定性功用。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。其作用大小取決于含碳量和熱處理。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,升高夏比沖擊曲線峰值。

進一步添补鎳含量,改善沖擊韌性成果則降低。若是這時含碳量低火后無碳化物出現時,鎳對轉變溫度的影響變得有限。在含碳0.10%的正火鋼中插足鎳,最大的好處是細化晶粒和降低游離氮含量,但其機理目前尚不清楚。能够是因为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。在純凈的鐵-磷合金中,由于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,由于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。

煉鋼

4)硅。鋼中加硅是為了脫氧,同時有益于提高沖擊性能。如果鋼中同時存在錳和鋁,大部分硅在鐵素體中溶解,同時通過固溶化硬化作用提高δi。這種作用與加入硅提高沖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硅,使50%轉變溫度升高約44℃。此外,硅與磷相似,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,硅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”游離氮的作用將變弱。

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,然后穿晶擴散。解決氧脆化問題的方法是,可加入脫氧劑碳、錳、硅、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%,共析鐵素體是連續相并在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內变成,同時占顯微組織的35%~100%。其余,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。

由于珠光體強度共析鐵素體高,所以限制了鐵素體的流動,從而使鋼的屈服強度和應變硬化率隨著珠光體含碳量的添加而增补。限制效用隨强硬塊數量增加,珠光體對先共析晶粒尺寸的細化而增強。

鋼中有大批珠光體時,形變過程中會在低溫和/或高應變率時造成微型解理裂紋。雖然有某些內部聚集組織斷面,但斷裂通道最初還是沿著解理面穿行。以是,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%的低碳鋼中参预0.05%鉬和硼可優化發生在700~850℃奧氏體-鐵素體轉變,且不影響后来在450℃和675℃時奧氏體-貝氏體轉變的動力學條件。

在大約525~675℃之間变成的貝氏體,稱為“上貝氏體”;在450~525℃之間造成的稱為“下貝氏體”。兩種組織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,并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效用的結果:

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。這些鋼的斷口特性在很大程度上取決于抗拉強度和轉變溫度。

有兩種功效要注意:第一,的抗拉強度級別,回火下貝氏體的夏比沖擊性能優于未回火的上貝氏體。理由是在上貝氏體中,球光體內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,針狀鐵素體內的解理面未排成線,于是決定準解理斷裂面是否斷裂的主要特性是針狀鐵素體晶粒尺寸。因為這里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。因此,在同一強度級別,下貝氏體轉變溫度比上貝氏體低許多。

除了上面的原因之外是碳化物分布。在上貝氏體中碳化物位于晶界沿線,并通過降低抗拉強度Rm增加脆性。在回火的下貝氏體中,碳化物特别均勻的分布的鐵素體中,同時通過限制解理裂紋以提高抗拉強度并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蔓延強度Rp0.2。

在下貝氏體中,為獲得830MPa或高的抗拉強度,可通過降低轉變溫度提高強度的想法實現。然而,因為上貝氏體的斷口應力取決于奧氏體晶粒尺寸,而此時的碳化物顆粒尺寸很大,是以通過回火提高抗拉強度的功效很小。

6. 馬氏體鋼斷裂

碳或其余元素参预鋼中可延遲奧氏體轉變成鐵素體和珠光體或貝氏體,同時奧氏體化后假若冷速率足夠快,通過剪切工藝奧氏體會變成馬氏體而不需進行原子擴散。

理想的馬氏體斷裂應具有以下特点:

·因為轉變溫度低,四面體鐵素體或針狀馬氏體出格細。

·因為通過剪切發生轉變,奧氏體中的碳原子來不及擴散出晶體,使鐵素體中的碳原子飽和從而使馬氏體晶粒拉長導致晶格膨脹。

·發生馬氏體轉變要超過的溫度范圍,因為初始生成的馬氏體片給往后的奧氏體轉變成馬氏體增补阻力。以是,轉變后的結構是馬氏體和殘余奧氏體的混合結構。

為了保證鋼的性能穩定,必須進行回火。高碳(0.3%以上)馬氏體,在以下范圍內回火約1h,經歷以下三個階段。

1)溫度達到約100℃時,馬氏體某些過飽和碳沉淀并造成格外細小的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,任何余奧氏體可能轉變成貝氏體和ε-碳化物。

3)在第三階段回火中,200℃起取決于碳含量和合金成分。當回火溫度升至共析溫度,碳化物沉没變粗同時Rp0.2降低。

7.中強度鋼斷裂

除了消除應力提高沖擊韌性之外,回火有以下兩種作用:第一,轉變殘余奧氏體。殘留奧氏體在低溫約30℃轉變成韌性針狀下貝氏體。在較高的溫度如600℃,殘余奧氏體會轉變成脆性的珠光體。因而,鋼在550~600℃進行第一次回火,在300℃進行第二次回火,以避免酿成脆性珠光體,稱這種回火制度為“二次回火”。

第二,增补彌散性碳化物含量,降低屈服強度。若是升高回火溫度,兩者將會引起沖擊,轉變回火范圍降低。因為顯微組織變精細,在同樣強度級別,將提高抗拉塑性。

回火脆性是可逆的。倘使回火溫度高到超過了臨界范圍而降低了轉變溫度,可材料熱后在臨界范圍處理,回火溫度不妨升高。假设出現微量元素,表明脆性將得到改善。重要的微量元素是銻、磷、錫、砷,加上錳和硅有去脆功用。若是别的合金元素存在,鉬也能降低回火脆性,同時鎳和鉻有势必的效用。

8. 高強度鋼斷裂

高強鋼可通過以下主意進行生產:淬火和回火;淬火和回火前奧氏體變形;退火和時效生產沉没强硬鋼。别的,還可通過應變和再回火或回火期應變,可進一步提高鋼的強度。

9. 不銹鋼斷裂

不銹鋼主要由鐵-鉻、鐵-鉻-鎳合金和别的改善力學职能與抗蝕本事的元素組成。不銹鋼防蝕是因為在金屬外表天生了可防备進一步氧化的鉻氧化物—弗成滲透層。

因此,不銹鋼在氧化氣氛中能防范腐蝕并使鉻氧化物層得到強化。但在還原氣氛中,鉻氧化層受到損害。抗蝕性隨著鉻、鎳含量添加而增加。鎳可全面升迁鐵的鈍化性。

补充碳是為了改善力學职能和保證奧氏體不銹鋼职能的穩定。一般說來,不銹鋼利用顯微組織進行分類。

·馬氏體不銹鋼。屬于鐵-鉻合金,可進行奧氏體化和后序熱處理天生馬氏體。含鉻12%,含碳0.15%。

·鐵素體不銹鋼。含鉻14%~18%,碳0.12%。因為鉻是鐵素體的穩定劑,奧氏體相被超過13%的鉻徹底按捺,因而是全部的鐵素體相。

·奧氏體不銹鋼。鎳是奧氏體的強穩定劑,所以,在室溫、低于室溫或高溫狀態下,鎳含量為8%,鉻含量為18%能使奧氏體相特别穩定。奧氏體不銹鋼類鐵素體型,不能通過馬氏體轉變而强硬。

鐵素體和馬氏體不銹鋼特性,如晶粒尺寸等與同級別的其它鐵素體鋼和馬氏體鋼相似。

高強鋼制備

奧氏體不銹系FCC結構,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.彈系統的液氫貯存箱。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定的,如發生任何塑性變形,不穩定的奧氏體都會變成脆性的非回火馬氏體。絕大多數奧氏體鋼用于防腐環境,被加熱至500~900℃溫度范圍,鉻碳化物會沉淀在奧氏體晶界,結果使晶界附近范圍內的鉻層被完全耗盡。該部位非常容易受到腐蝕和局部腐蝕,如果存在應力,還可導致晶脆性斷裂。

為了減輕上述危害,可插足少数职能強于鉻碳化物的元素,比喻鈦或鈮,與碳造成合金碳化物,防范鉻被耗盡和隨之而致的應力腐蝕裂紋。常稱這種處理為“穩定化處理”。

奧氏體不銹鋼常用于高溫,如壓力容器,防范和滿足抗腐蝕和抗蠕變。某些鋼種因為在焊后熱處理和高溫環境下對熱影響區及其邻近的裂紋十分敏感。是以,當焊接再加熱時,受高溫功效,鈮或鈦碳化物會在晶粒內和晶界沉淀,導致裂紋產生而影響利用壽命,這給予高度重視。



關鍵詞:鋼材,韌性,金相,斷裂

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