钢低温脆性概论

钢材低温脆性概论钢材低温脆性概论钢材低温脆性概论钢材低温脆性概论包石磊包石磊包石磊包石磊江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司总工办总工办总工办总工办1、前言2、材料的强度、韧性3、对韧性的理解4、强化与韧性的关系5、影响韧-脆转变的因素6、钢材强韧化进展及低温钢开发思路2、材料的强度、韧性2.1强度材料抵抗变形的能力。原子、离子之间相互作用，键合与力等。这是材料本身特有的属性。2.2韧性材料耐疲劳和抗断裂的标志，也是材料从变形到断裂过程中吸收能量大小的量度，是材料强度和塑性的综合反映。韧性—动态性，冲击速度越快。材料越容易破坏！实质：材料的基本单元活动与变形的能力，原子的活动能力与温度有关，即韧性具有温度敏感性2.3脆性及脆性转变温度影响脆性转变温度的因素主要是：材料的成分和内部组织结构。其中成分的选择和设计是开发新低温韧性钢产品的根本出发点;优化内部组织是为了充分挖掘已有材料低温韧性的潜力。3、韧性的通俗理解韧性--材料从变形到断裂所吸收能量大小。这涉及到两个基本物理参数：材料的强度和形变量。钢的屈服强度取决于位错等缺陷在塑性变形的难度，微观组织结构或位错本身的相互干扰等阻碍位错运动的因素都会增高钢的强度，裂纹的形成与材料的屈服强度有直接的关系，屈服强度越高，裂纹越难形成，及高屈服强度对应着材料高的裂纹形成功。材料屈服后位错开动，晶粒中出现塑性滑移带，凡是有利于位错运动的因素都增大了材料断裂过程所吸收能量，相应的增大了裂纹扩展功，因而都提高了钢的韧性。如果仅仅从位错运动难易来分析，则强度和韧性之间存在固有的矛盾。寻求在钢强韧化的研究成果中有强度和韧性同时显著提高的实例。4、强化=脆性？4.1材料的屈服与断裂4.2引起材料破坏的原因4.2.1外在原因：内部夹杂、裂纹、气体含量超标及环境腐蚀。4.2.2内在原因：成分、组织结构影响；缺陷：点缺陷：空位、间隙原子、杂质原子等，晶格畸变；线缺陷：位错；面缺陷：晶界、亚晶界、层错、相界等。材料的薄弱环节，引起材料的破坏。4.3强化及对韧性的影响4.3.1强化理论与实质（为何损失了韧性？）钢的强韧化取决于钢中晶体缺陷，晶体的缺陷分为三个层次：点缺陷（空位、间隙原子、杂质原子等），点缺陷--晶格畸变--固溶强化；线缺陷，主要是位错，位错运动难易。取决于钢微观组织结构因素及其间的相互作用，运动受到不同程度的阻碍。凡是使位错运动受到阻碍的因素都导致钢的强化，利于位错运动的因素增加塑性；面缺陷，晶界、亚晶界、层错、相界等。高能—终止位错—吸附杂质�4.3.2强化方式�1）固溶强化�合金元素以置换或者间隙的形式溶入基体晶格中，由于尺寸、弹性模量不同以及有序固溶体而导致钢的强化。固溶强化的实质是溶质原子造成了晶格畸变，晶格畸变能越大，位错运动阻力越大，抑制位错运动的效果越明显。�2）沉淀强化（析出强化）�典型的马氏体时效钢，即先由奥氏体发生同素异型转变为马氏体，而后在回火或者时效过程在过饱和固溶体中析出第二强化相质点，强化相质点起到对位错的阻碍作用，从而起到增强的作用。�3）形变强化（加工强化）�形变增殖大量位错，位错的交结塞积钉扎作用增强屈服强度，同时大大限制了塑性变形，脆性增加。�4）细晶强化晶界等界面是位错运动的障碍，一般在材料未达到屈服强度之前，多晶体在某些晶粒的某一晶面上已经开始滑移，当位错滑移到晶界时受阻而在晶界处塞积，造成应力集中。如果晶粒越大，在晶界处塞积的位错数目越多，应力集中越大，当应力集中到一定数值，便会产生裂纹。反之，晶粒越细，应力集中效应越弱，裂纹产生需要更大的载荷。另一方面，晶界处晶粒取向不同，裂纹扩展到晶界处被迫改变方向或者终止，这将大大增加裂纹扩展的能量！晶界由于是高能区域，大量溶质原子和杂质原子常偏聚于晶界，少量砷、锡、碲、磷会引起沿晶断裂。细化晶粒，增大晶界面积，减少杂质的偏聚量，降低了脆性。同理，相界面也能起到阻碍位错运动的做用，最直接的就是珠光体层间距、马氏体板条宽度越小强度越高。�4.3.3强化对韧性影响总结4.3.2强化小节，1）、2）、4）之所以实现强化的结果，是因为增加了位错移动的阻力，固溶体、析出相、晶界等都是位错运动需要克服的阻力，从而达到了强化的目的。3）形变强化，增加了位错密度，通过位错的塞积、钉扎作用实现强化。但是4）细晶强化由于包含晶粒细化，晶界面积扩大化两层作用同时起到了增强又增韧的效果。�5影响韧-脆的因素脆性转变温度公式：△T化学成分决定，△T非非金属夹杂、有害杂质决定，d奥氏体/铁素体晶粒度，f亚晶粒分数，de等效晶粒度，n控轧层数；nfdf1d)(x21ex21ECBATTTc−−−−+++∆+∆=∆−−）（固溶位错沉淀非σσσ�5.1成分及合金化对脆性转变温度的影响提高脆性转变温度的元素C、Si、W；P；C；降低脆性转变温度的元素Ni、Mn桥梁、船舶、汽车等用钢，主要为低碳钢，碳含量在0.2%以下，组织为铁素体加珠光体，具有良好的韧性，再辅以Nb、Ti、V等细化晶粒强化，使之脆性转变温度降低，具有良好的使用性能和综合性能。�上图是碳钢含碳量与冲击功和脆性转变温度的影响含碳量每增加0.1%,脆性转变温度升高13.9℃(按20J准则)。在退火或正火状态下，加入Mn不但可以细化晶粒，还可以改善材料的塑性。含Mn量每增加0.1%，脆性转变温度降低5.6℃(准则同上)。但是合金元素对钢性能的影响不是孤立的。在船体钢中，Mn/C对脆性转变温度有很大的影响，只有在Mn/C≥3时，船体钢才有比较满意的脆性转变温度。因此，对材质的分析和评价，不仅要考虑成分是否超标，还要考虑合金配比是否合理。�5.2减少钢中有害杂质含量夹杂物状态：非金属夹杂是钢材薄弱的环节，是裂纹产生的源点。去除钢中夹杂，气体含量（尤其是合金钢中的H含量）以及有害元素含量，降低含碳量是提高钢韧性、降低材料脆性转变的有效方法。提高钢的纯净度可以显著的提高钢的韧性。�5.3强化的影响：1)固溶元素对脆性转变温度的影响。强度每增加1MPa对Tt的影响。X系列管线钢，60年代X60，ωc0.19%;X70，ωc0.1%，X80，ωc0.03%。？：为何镍、锰降低脆性转变温度？2)沉淀强化：强度每提高1MPa，Tt增加0.2-0.5℃。3)形变强化：形变强化使强度每提高一个MPa，脆性转变温度提高0.2-0.6℃。4)组织细化是目前最有效的增强增韧手段。3.52.00.70.50.4-0.3-0.9对Tt影响PNCSiCuMnNi元素�5.4晶粒度对低温脆性的影响。许沂等研究了ZGM13不同晶粒度对断裂的影响主要成分如下0.0560.059140.4970.97SPMnSiC水韧处理的一级晶粒度的试样分别在常温（a）、-70℃（b）下的断口形貌。调整热处理3-4级晶粒度的试样分别在-70℃（a）、-120℃（b）下的断口形貌。0.0140.0030.0320.0510.010.040.02430.130.0040.0121.30.250.08TiMoNbVCuCrAlNiSPMnSiC�5.5热处理的作用刘明秀研究了正火对08MnVNb低温韧性影响。工艺：φ380大圆坯锻打成150*250矩形坯，正火温度940℃，锻比3.0。合金成分：-50℃环境下测得锻后与正火冲击功如下：292292238455冲击功横向厚度纵向横向厚度纵向正火后锻造�热处理：为何正火材相对于锻材冲击功大大增强？正火对材料强度和韧性的影响：锻材经过正火，使得锻材变形晶粒得以回复重结晶，晶粒得到细化、均匀化，减少了锻造缺陷，使得冲击韧性尤其是低温下的冲击韧性有了明显的提高，因此降低了材料的脆性转变温度。此外，经过正火后增加了材料内部的空位数目，使得晶格畸变，材料强化。�一般来说，在强度和硬度相同条件下，具有高温回火马氏体+索氏体组织的钢其冲击韧性最好，贝氏体组织较差，珠光体组织最差。所以，低温钢的调质处理比正火回火处理有较高的冲击值，使脆性转变温度有明显的向更低温度转移的趋势。�贺祖武等人分析了不同热处理工艺对低温钢-45℃下冲击性能的影响，材料采用美国ASTMA352-83a标准中的HCC低温用钢。实验前后对钢种成分做了有利于降低低温脆性转变温度方向的微调，开始按正火+回火工艺对该铸件进行了热处理，常温力学性能满足要求，但是在低温-46℃下的低温冲击韧性仅达到最低标准的40%。通过调整成分以及改善热处理工艺，提高了钢的冲击韧性，取得了显著的效果。成分调整前后对照，降低碳，增加镍、钼含量。将热处理工艺由正火+回火改为完全退火+调质显微组织是影响脆性转变温度的重要因素。对钢而言，钢中各种组织按其脆性转变温度Tt由高到低顺序依此为：珠光体、上贝氏体、铁素体、下贝氏体、回火马氏体。需要说明一点，对于中碳钢来说，经等温淬火获得的全部下贝氏体组织，与相同强度条件下的回火马氏体相比，具有更低的脆性转变温度。在连续冷却条件下，得到贝氏体和马氏体的混合组织，这时其韧性不如纯粹的回火马氏体。在低碳合金钢中，下贝氏体和马氏体的混合组织比纯低碳马氏体具有更强的韧性。补充：新型热处理强韧化技术循环热处理：快速加热到稍高于奥氏体化的温度，短暂保温或者不保温快速冷却至低于A1温度，反复多次循环达到细化晶粒目的。细化晶粒提高韧性的显著作用。快速奥氏体化多级热处理：高温奥氏体化淬火，然后在奥氏体化温度附近低温快速奥化，达到细化晶粒与复合组织强韧化的效果。形变热处理：形变强化和相变强化相结合的强韧化方法。增值位错、细化马氏体组织、析出强化相5.6轧制控制二战期间发生脆性断裂的船只都是美国生产的钢板建造的，当时美国采用新式的高速轧钢设备，生产效率比较高。相反采用英国生产的钢板建造的船只，未发生脆性断裂，当时英国钢厂采用老式轧钢设备，轧速低。轧速提高使终轧温度升高，导致晶粒长大，使脆性转变温度升高到室温，从而增加了海难事故的发生率。�控制轧制（CR）是通过热轧条件（加热温度、各轧制道次的轧制温度、压下量）的最佳化，人为地使奥氏体状态有利于相变成细晶组织的技术。运用控制轧制技术能使钢材获得强度与低温韧性均高的优良性能。�控制冷却（AcC）是在奥氏体相变的温度区间进行某种程度的快速冷却，使相变组织比单纯控制轧制更细微化，获得更高的强度。组合的控轧和控冷技术称为热形变控制技术。�控轧--有效地将铁素体晶粒细化�控冷--进一步细化铁素体晶粒，抑制珠光体相变，生成含贝氏体组织的混合组织。6、钢材强韧化进展及低温钢开发思路6.1钢材强韧化进展�第一阶段，强化高韧钢�主要思路：早期基体为铁素体/珠光体，依靠珠光体增强，随后以铁素体为主，通过细化铁素体晶粒度，使碳化物、氮化物析出弥散强化增强。从复合材料强韧化理论开发复合组织强韧化钢，如马氏体（强化相）/铁素体（韧性相）双相钢，双相钢通过在α+γ临界区热处理和控轧工艺获得在铁素体基体上有细小、分散、均匀分布的马氏体岛理想的组织形态，达到强韧性的良好配合。第二阶段：韧化高强钢在航空航天等其他用途的高强度钢，早期开发了淬火加低温回火工艺的低温回火马氏体钢，为了比铝更具竞争性，就要求钢的强度至少为铝的三倍以上，即钢的屈服强度要大于1370MPa以上。如此高强度的钢必须提高其断裂韧性和冲击韧性。韧化超高强度钢也是沿着合金化、采用新工艺或为了获得所需要的微观结构形貌而将合金化和工艺设计相结合的技术途径进行的。近30年来，韧化合金钢已经从低、中合金钢到高合金超高强度钢，故使强韧化水平也得到相应的提高。如，9Ni-4Co钢、18Ni马氏体时效钢相继出现，应用最广泛的是18Ni-Co-Mo-Ti马氏体时效钢，依靠高镍含量形成Fe-Ni马氏体，经过时效从马氏体基体上析出Ni3Mo、Ni3Ti金属间化合物达到超高强度。改善超高强度钢韧性的工艺技术途径包括采用冶金精炼技术以提高钢的纯净度；由强韧化处理工艺或由控轧与热处理工艺相结合以实现细晶强韧化、复合组织强韧化等途径达到超高强度钢增韧性进一步提高的目的。6．2低温钢开发思路性能—组织结构—成分、冶