第三章 低温脆性

第三节低温脆性一、低温脆性现象定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国《科学大众》（PopularScience）杂志发表了RGannon的文章，标题是『WhatReallySankTheTitanic』,付标题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果右图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。建造中的Titanic号，可以看到船身上长长的焊缝低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。见右图，屈服点随着温度的下降而升高；两线交点对应的温度就是tk。断裂强度屈服强度韧性断裂脆性断裂二、韧脆转变温度在不同温度下进行冲击弯曲试验：根据试验结果作出冲击吸收功-温度曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等，根据这些曲线来求得tk。定义：1.按能量定义tk的方法(1)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”，表现脆性断裂。(2)高于某一温度时，材料吸收的温度基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”，表现为韧性断裂。(3)在高阶能和低阶能之间，存在一个很陡的过渡区，该区冲击功变化较大，(4)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE（FractureTransitionElastic）。2.按断口形貌定义tk的方法冲击试样冲断后，断口形貌见下图：试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk，记为50%FATT或FATT50、t50。裂纹扩展速率的变化：低-高-低形成机理韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的△值，△=t0-tk。同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），tk也要变化。所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。三、落锤试验和断裂分析图50年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。落锤试验机示意图落锤试验机由垂直导轨（支持重锤）、能自由下落的重锤和砧座等组成，见右图。重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度，以获得340-1650J的能量。砧座上除了两端的支承块外，中心部分还有一个挠度终止块，以限制试样产生过大的塑性变形。落锤试验机实物图TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试验。最大冲击能量300J最大冲击高度2m标尺误差±１％落锤组合质量最大组合质量15KG±0.1%冲头规格：AR=10mmBR=20mCR=5mmBBR=30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材V型托板200×300×25mm3试样尺寸直径20-400mmTLC-300落锤冲击试验机试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：没有出现裂纹→拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘→拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边→试样断成两部分。零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分，例如：(1)NDT设计标准(2)NDT+33℃设计标准(3)NDT+67℃设计标准落锤试验的缺点：(1)不能定量评定脆性断裂(2)未考虑板厚的影响通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（FAD，FractureAnalysisDiagram），表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线，见下图：CAT断裂分析图的优点：(1)为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方法；(2)可用来分析脆性断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的有关经验。断裂分析图的缺点：未考虑加载速率和板厚的影响第四节影响韧脆转变温度的冶金因素一、晶体结构二、化学成分三、显微组织二、化学成分间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，导致屈服强度的升高，钢的韧脆转变温度升高。解释原因？三、显微组织（一）晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加细化晶粒提高韧性的原因：(1)晶界是裂纹扩展的阻力；(2)晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；(3)晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。（二）金相组织1、较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火（回火索氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。球化处理可改善钢的韧性。2、在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则Ak与tk优于同强度的淬火回火组织。3、相同强度水平下，典型上贝氏体的tk优于下贝氏体。4、在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。5、钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，tk升高。1.硬度指什么？测定灰铸铁硬度时常用什么实验方法？而鉴别钢中的隐晶马氏体与残留奥氏体常用什么硬度试验方法？现场测定龙门刨床导轨硬度时常用什么硬度试验方法？第二、三章习题2.缺口试样拉伸时存在哪两种效应？NSR代表材料的缺口敏感度，NSR越大，缺口敏感性如何变化？3.应力状态软性系数α是指什么？不同试验方法加载方式也不同，值相差较大。α值越大，表示试样中最大（切应力、正应力）分量越大，材料应力状态越（软、硬），对于陶瓷等脆性材料通常（采取、不采取）单向静拉伸试验方法。4.图3.5为σs和σc随温度变化的示意图，两条曲线相交的温度tk称为，低于该温度时，材料受过载力后产生断裂；采用光滑试样拉伸与缺口试样拉伸用相同试验方法测定该温度时，试样测得的该温度较高。5.下列哪种材料在冲击韧性试验中通常需开缺口？A20CrMnTiBW18Cr4VC铸铁D3Cr2W8V6.解释冲击韧性、韧脆转变温度、FATT50、NDT、FTE、FTP；缺口敏感度、维氏硬度….