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钢材韧性及断裂原因研究

有成千上万的钢铁产品用于各个行业。每种钢制品因其性能、化学成分或合金类型和含量不同而有不同的名称。虽然断裂韧度值对每种钢材的选择都有很大的帮助,但这些参数很难适用于所有钢材。

主要原因是:

首先,由于钢在冶炼过程中加入一定量的一种或多种合金元素,经过简单的热处理,可获得不同的显微组织,从而改变钢的原有性能。

其次,由于炼钢和浇注过程中产生的缺陷,特别是集中的缺陷(如气孔、夹杂等)在轧制过程中极为敏感,在同一化学成分钢的不同炉次中,甚至在同一钢坯的不同部位也会发生不同的变化,从而影响质量。钢的

因为钢的韧性主要取决于组织和缺陷的分散(防止集中缺陷),而不是化学成分。因此,热处理后的韧性变化较大。为了研究钢的性能和断裂原因,还需要研究物理冶金与钢的显微组织和韧性之间的关系。

1。铁素体珠光体钢的断裂

铁素体-珠光体钢占钢铁总产量的绝大多数。它们通常是含碳量在0.05%到0.20%之间的铁碳合金,以及添加少量其他合金元素以提高屈服强度和韧性的合金。

铁素体珠光体的显微组织由BBC铁(铁素体)、0.01%C、可溶性合金和Fe3C组成,在含碳量极低的碳钢中,碳化物颗粒残留在铁素体晶界和晶粒中。但当碳含量大于0.02%时,大部分Fe3c与部分铁素体形成片状结构,称为珠光体,并倾向于以“晶粒”和球状(晶界沉淀)的形式分散在铁素体基体中。珠光体含量占低碳钢组织的10%~25%,含碳量为0.10%~0.20%。

虽然珠光体颗粒很硬,但它们可以广泛地分散在铁素体基体上,并容易在铁素体周围变形。一般来说,铁素体晶粒尺寸随珠光体含量的增加而减小。珠光体结核的形成和转变将阻碍铁素体晶粒的生长。因此,珠光体可以通过增加d-1/2(d是平均晶粒直径)间接增加拉伸屈服应力。

从断裂分析的角度来看,低碳钢中有两种含碳量的钢,它们的性能备受关注。一是含碳量在0.03%以下,碳以珠光体球结形式存在,对钢的韧性影响不大。其二,当碳含量较高时,其韧性和夏比曲线直接受球形的影响。

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2。处理过程的影响

实践证明,水淬火钢的冲击性能优于退火钢或正火钢,因为快速冷却可防止晶界形成渗碳体,促进铁素体晶粒的细化。

许多钢材在热轧条件下销售,轧制条件对冲击性能有很大影响。降低精轧温度可降低冲击转变温度,提高冷却速度,细化铁素体晶粒,从而提高钢的韧性。由于厚板的冷却速度比薄板慢,铁素体晶粒比薄板厚。因此,在相同的热处理条件下,厚板比薄板更脆。因此,常采用正火处理来改善热轧钢板的性能。

热轧还可以生产各种混合组织的各向异性钢和定向韧性钢,珠光体带和与轧制方向一致的夹杂晶界。在夏比转变温度范围内,珠光体带和长形夹杂大致分散在鳞片中,对低温下的缺口韧性有较大影响。

三。铁素体可溶性合金元素的影响

大多数合金元素添加到低碳钢中,以在某些环境温度下产生固溶硬化钢,并增加晶格摩擦应力delta i。但是,除非已知晶粒尺寸,否则仅用公式无法预测较低的屈服应力。虽然屈服应力的决定因素是正火温度和冷却速度,但这种方法仍然很重要,因为通过增加单个合金元素的δi可以减小韧性范围。

铁素体钢的无损检测和夏比转变温度的回归分析目前尚未报道,但这些仅限于定性讨论添加单一合金元素对韧性的影响。下面简要介绍几种合金元素对钢性能的影响。

1)锰

锰含量大部分在0.5%左右。加入脱氧剂或固硫剂可以防止钢的热裂。低碳钢还具有以下功能。

_含碳量为0.05%的钢,经空冷或炉冷后,在晶界处容易形成渗碳体薄膜。

_铁素体的晶粒尺寸可以稍微减小。

可以产生大量细小的珠光体颗粒。

前两种效应表明,随着锰含量的增加,无损检测温度降低,后两种效应可使曲线的峰值比曲线的峰值更尖锐。

当钢中含碳量较高时,锰能显著降低转变温度约50%。其原因可能是边界处珠光体多于渗碳体的分布。必须注意的是,如果钢中碳含量高于0.15%,则正火钢的冲击性能会受到高锰含量的影响。由于钢的高淬透性,奥氏体转变为脆性上贝氏体,而不是铁素体或珠光体。

2)镍

在钢中加入锰可以提高铁碳合金的韧性。其效果取决于含碳量和热处理。在含碳量很低(约0.02%)的钢中,加入2%的碳可以防止热轧和正火钢中晶界渗碳体的形成。同时,可以大幅度降低起动过渡温度ts,提高夏比冲击曲线的峰值。

提高冲击韧性的效果随镍含量的增加而减小。如果正火后碳含量低到没有碳化物出现,镍对过渡温度的影响将变得非常有限。在含碳量约为0.10%的正火钢中加入镍的最大优点是细化晶粒尺寸,降低游离氮含量,但其机理尚不清楚。镍作为奥氏体的稳定剂,可以降低奥氏体的分解温度。

3)磷

在纯铁磷合金中,磷偏析发生在铁素体晶界,降低了合金的拉伸强度Rm,使合金的晶粒脆化。此外,磷也是铁素体的稳定剂。因此,加入钢将大大增加δi值和铁素体晶粒尺寸。这些影响的结合将使磷成为一种非常有害的脆化剂,并导致穿晶断裂。

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4)硅

在钢中加入硅来脱氧和改善冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝,大多数硅会溶解在铁素体中,并通过固溶硬化改善δI。这种效应与添加硅以改善冲击性能的效果相结合。在晶粒尺寸稳定的铁碳合金中,以重量百分比的形式加入硅,使50%的转变温度提高约44摄氏度。此外,硅与磷类似,是铁素体的稳定剂,可以促进铁素体晶粒的生长。根据重量百分比,在正火钢中加入硅将使平均能量转换温度提高约60℃。

5)铝

在钢中加入合金和脱氧剂有两个原因:一是溶液中氮形成AlN,去除游离氮;二是AlN的形成细化了铁素体晶粒。这两种效应的结果是,每增加0.1%的铝,转变温度将降低40℃左右,但当铝量超过要求时,凝固游离氮的作用将减弱。

6)氧气

钢中的氧偏析导致铁合金的晶间断裂。当钢中氧含量高达0.01%时,沿脆性晶粒晶界产生的连续通道发生断裂。即使钢中含氧量很低,裂纹也会在晶界处形核,进而发生穿晶扩散。为解决氧脆化问题,可加入碳、锰、硅、铝、锆等脱氧剂与氧结合,形成氧化物颗粒,从晶界去除氧。氧化物颗粒也有利于延迟铁素体的生长,增加D-/2。

4。碳含量在0.3%-0.8%的影响

亚共析钢的含碳量在0.3%到0.8%之间。先共析铁素体是一个连续相,首先在奥氏体晶界形成。珠光体形成于奥氏体晶粒中,占显微组织的35%-100%。此外,在每个奥氏体晶粒中形成各种聚集结构,形成珠光体多晶。

由于珠光体的强度高于预共析铁素体,铁素体的流动受到限制,钢的屈服强度和应变硬化率随珠光体含碳量的增加而增加。随着硬化块数量的增加,珠光体细化了预共析晶粒尺寸。

当钢中存在大量珠光体时,在变形过程中,在低温和/或高应变率下会形成微解理裂纹。尽管存在一些内部聚集结构截面,但断裂通道最初沿解理面通过。因此,在铁素体片和相邻的聚集结构之间,铁素体晶粒中存在一些首选取向。


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