钢材韧性及断裂的原因分析.docx

用 于 各 行 业 的 钢 材 品 种 达 数 千 种 之 多。每 种 钢 材 都 因不 同 的 性 能、化 学 成 分 或 合 金 种 类 和 含 量 而 具 有 不 同 的 商品 名 称。虽 然 断 裂 韧 性 值 大 大 方 便 了 每 种 钢 的 选 择，然 而这 些 参 数 很 难 适 用 于 所 有 钢 材。主 要 原 因 有：第 一，因 为 在 钢 的 冶 炼 时 需 加 入 一 定 数 量 的 某 种 或 多种 合 金 元 素，成 材 后 再 经 简 单 热 处 理 便 可 获 得 不 同 的 显 微组 织，从 而 改 变 了 钢 的 原 有 性 能；第 二，因 为 炼 钢 和 浇 注 过 程 中 产 生 的 缺 陷，特 别 是 集中 缺 陷（如 气 孔、夹 杂 等）在 轧 制 时 极 其 敏 感，并 且 在 同一 化 学 成 分 钢 的 不 同 炉 次 之 间，甚 至 在 同 一 钢 坯 的 不 同 部位 发 生 不 同 的 改 变，从 而 影 响 钢 材 的 质 量。由 于 钢 材 韧 性 主 要 取 决 于 显 微 结 构 和 缺 陷 的 分 散（严防 集 中 缺 陷）度，而 不 是 化 学 成 分。所 以，经 热 处 理 后 韧性 会 发 生 很 大 变 化。要 深 入 探 究 钢 材 性 能 及 其 断 裂 原 因，还 需 掌 握 物 理 冶 金 学 和 显 微 组 织 与 钢 材 韧 性 的 关 系。1、铁 素 体-珠 光 体 钢 断 裂铁 素 体-珠 光 体 钢 占 钢 总 产 量 的 绝 大 多 数。它 们 通 常 是含 碳 量 在 0.05%0.20%之 间 的 铁-碳 和 为 提 高 屈 服 强 度 及韧 性 而 加 入 的 其 它 少 量 合 金 元 素 的 合 金。铁 素 体-珠 光 体 的 显 微 组 织 由 BBC 铁（铁 素 体）、0.01%C、可 溶 合 金 和 Fe3C 组 成。在 碳 含 量 很 低 的 碳 钢 中，渗 碳 体 颗 粒（碳 化 物）停 留 在 铁 素 体 晶 粒 边 界 和 晶 粒 之 中。但 当 碳 含 量 高 于 0.02%时，绝 大 多 数 的 Fe3C 形 成 具 有 某些 铁 素 体 的 片 状 结 构，而 称 为 珠 光 体，同 时 趋 向 于 作 为“晶粒”和 球 结（晶 界 析 出 物）分 散 在 铁 素 体 基 体 中。含 碳 量 在0.10%0.20%的 低 碳 钢 显 微 组 织 中，珠 光 体 含 量 占 10%25%。尽 管 珠 光 体 颗 粒 很 坚 硬，但 却 能 非 常 广 泛 地 分 散 在 铁素 体 基 体 上，并 且 围 绕 铁 素 体 轻 松 地 变 形。通 常，铁 素 体的 晶 粒 尺 寸 会 随 着 珠 光 体 含 量 的 增 加 而 减 小。因 为 珠 光 体球 结 的 形 成 和 转 化 会 妨 碍 铁 素 体 晶 粒 长 大。因 此，珠 光 体会 通 过 升 高 d-1/2（d 为 晶 粒 平 均 直 径）而 间 接 升 高 拉 伸 屈服 应 力 y。从 断 裂 分 析 的 观 点 看，在 低 碳 钢 中 有 两 种 含 碳 量 范 围的 钢，其 性 能 令 人 关 注。一 是 含 碳 量 在 0.03%以 下，碳 以珠 光 体 球 结 的 形 式 存 在，对 钢 的 韧 性 影 响 较 小；二 是 含 碳量 较 高 时，以 球 光 体 形 式 直 接 影 响 韧 性 和 夏 比 曲 线。2、处 理 工 艺 的 影 响实 践 得 知，水 淬 火 钢 的 冲 击 性 能 优 于 退 火 或 正 火 钢 的冲 击 性 能，原 因 在 于 快 冷 阻 止 了 渗 碳 体 在 晶 界 形 成，并 促使 铁 素 体 晶 粒 变 细。许 多 钢 材 是 在 热 轧 状 态 下 销 售，轧 制 条 件 对 冲 击 性 能有 很 大 影 响。较 低 的 终 轧 温 度 会 降 低 冲 击 转 变 温 度，增 大冷 却 速 度 和 促 使 铁 素 体 晶 粒 变 细，从 而 提 高 钢 材 韧 性。厚板 因 冷 却 速 度 比 薄 板 慢，铁 素 体 晶 粒 比 薄 板 粗 大。所 以，在 同 样 的 热 处 理 条 件 下 厚 板 比 薄 板 更 脆。因 此，热 轧 后 常用 正 火 处 理 以 改 善 钢 板 性 能。热 轧 也 可 生 产 各 向 异 性 钢 和 各 种 混 合 组 织、珠 光 体 带、夹 杂 晶 界 与 轧 制 方 向 一 致 的 定 向 韧 性 钢。珠 光 体 带 和 拉 长后 的 夹 杂 粗 大 分 散 成 鳞 片 状，对 夏 比 转 变 温 度 范 围 低 温 处的 缺 口 韧 性 有 很 大 影