用于各行業(yè)的鋼材品種達(dá)數(shù)千種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學(xué)成分或合金種類和含量而具有不同的商品名稱。雖然斷裂韌性值大大方便了每種鋼的選擇,然而這些參數(shù)很難適用于所有鋼材。
主要原因有:
第一,因?yàn)樵阡摰囊睙挄r(shí)需加入一定數(shù)量的某種或多種合金元素,成材后再經(jīng)簡(jiǎn)單熱處理便可獲得不同的顯微組織,從而改變了鋼的原有性能;
第二,因?yàn)闊掍摵蜐沧⑦^程中產(chǎn)生的缺陷,特別是集中缺陷(如氣孔、夾雜等)在軋制時(shí)極其敏感,并且在同一化學(xué)成分鋼的不同爐次之間,甚至在同一鋼坯的不同部位發(fā)生不同的改變,從而影響鋼材的質(zhì)量。
由于鋼材韌性主要取決于顯微結(jié)構(gòu)和缺陷的分散(嚴(yán)防集中缺陷)度,而不是化學(xué)成分。所以,經(jīng)熱處理后韌性會(huì)發(fā)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(xué)和顯微組織與鋼材韌性的關(guān)系。
1.鐵素體-珠光體鋼斷裂
鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大多數(shù)。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(qiáng)度及韌性而加入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(鐵素體)、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(碳化物)停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中。但當(dāng)碳含量高于0.02%時(shí),絕大多數(shù)的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結(jié)構(gòu),而稱為珠光體,同時(shí)趨向于作為“晶粒”和球結(jié)(晶界析出物)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(jiān)硬,但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上,并且圍繞鐵素體輕松地變形。通常,鐵素體的晶粒尺寸會(huì)隨著珠光體含量的增加而減小。因?yàn)橹楣怏w球結(jié)的形成和轉(zhuǎn)化會(huì)妨礙鐵素體晶粒長(zhǎng)大。因此,珠光體會(huì)通過升高d-1/2(d為晶粒平均直徑)而間接升高拉伸屈服應(yīng)力δy。
從斷裂分析的觀點(diǎn)看,在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼,其性能令人關(guān)注。一是含碳量在0.03%以下,碳以珠光體球結(jié)的形式存在,對(duì)鋼的韌性影響較小;二是含碳量較高時(shí),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(shí)踐得知,水淬火鋼的沖擊性能優(yōu)于退火或正火鋼的沖擊性能,原因在于快冷阻止了滲碳體在晶界形成,并促使鐵素體晶粒變細(xì)。
許多鋼材是在熱軋狀態(tài)下銷售,軋制條件對(duì)沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會(huì)降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度,增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細(xì),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?xiàng)l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。
熱軋也可生產(chǎn)各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋制方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長(zhǎng)后的夾雜粗大分散成鱗片狀,對(duì)夏比轉(zhuǎn)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(shù)合金元素加入低碳鋼,是為了生產(chǎn)在某些環(huán)境溫度下的固溶體硬化鋼,提高晶格摩擦應(yīng)力δi。但目前還不能僅用公式預(yù)測(cè)較低屈服應(yīng)力,除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應(yīng)力的決定因素是正火溫度和冷卻速度,然而這種研究方法仍很重要,因?yàn)榭梢酝ㄟ^提高δi預(yù)測(cè)單個(gè)合金元素可降低韌性的范圍。
鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變(NDT)溫度和夏比轉(zhuǎn)變溫度的回歸分析至今尚無報(bào)導(dǎo),然而這些也僅限于加入單個(gè)合金元素對(duì)韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對(duì)鋼性能的影響作簡(jiǎn)要介紹。
1)錳
絕大多數(shù)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形成的趨勢(shì)。
◆可稍減小鐵素體晶粒尺寸。
◆可產(chǎn)生大量而細(xì)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,后兩種作用會(huì)引起夏比曲線峰值更尖。
鋼含碳量較高時(shí),錳能顯著降低約50%轉(zhuǎn)變溫度。其原因可能是因珠光體量多,而不是滲碳體在邊界的分布。必須注意的是,如果鋼的含碳量高于0.15%,高錳含量對(duì)正火鋼的沖擊性能影響起到了決定性作用。因?yàn)殇摰母叽阃感砸饖W氏體轉(zhuǎn)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(dá)到2%就能防止熱軋態(tài)和正火鋼晶界滲碳體的形成,同時(shí)實(shí)質(zhì)降低開始轉(zhuǎn)變溫度TS,升高夏比沖擊曲線峰值。
進(jìn)一步增加鎳含量,改善沖擊韌性效果則降低。如果這時(shí)含碳量低至正火后無碳化物出現(xiàn)時(shí),鎳對(duì)轉(zhuǎn)變溫度的影響將變得很有限。在含碳約0.10%的正火鋼中加入鎳,最大的好處是細(xì)化晶粒和降低游離氮含量,但其機(jī)理目前尚不清楚。可能是由于鎳作為奧氏體的穩(wěn)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(huì)發(fā)生磷偏析降低了抗拉強(qiáng)度Rm而使晶粒之間脆化。此外,由于磷還是鐵素體的穩(wěn)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(fā)生穿晶斷裂。
4)硅
鋼中加硅是為了脫氧,同時(shí)有益于提高沖擊性能。如果鋼中同時(shí)存在錳和鋁,大部分硅在鐵素體中溶解,同時(shí)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(jié)果是,在穩(wěn)定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入硅,使50%轉(zhuǎn)變溫度升高約44℃。此外,硅與磷相似,是鐵素鐵的穩(wěn)定劑,能促進(jìn)鐵素體晶粒長(zhǎng)大。按重量百分?jǐn)?shù)計(jì),硅加入正火鋼中將提高平均能量轉(zhuǎn)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(xì)化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結(jié)果是,每增加0.1%的鋁,將使轉(zhuǎn)變溫度降低約40℃。然而,當(dāng)鋁的加入量超過了需要,“固化”游離氮的作用將變?nèi)酢?/span>
6)氧
鋼中的氧會(huì)在晶界產(chǎn)生偏析導(dǎo)致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧含量高至0.01%,斷裂就會(huì)沿著脆化晶粒的晶界產(chǎn)生的連續(xù)通道發(fā)生。即使鋼中含氧量很低,也會(huì)使裂紋在晶界集中成核,然后穿晶擴(kuò)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(jié)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(zhǎng)和提高d-/2的有利物質(zhì)。
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%,先共析鐵素體是連續(xù)相并首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內(nèi)形成,同時(shí)占顯微組織的35%~100%。此外,還有多種聚集組織在每一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)形成,使珠光體成為多晶體。
由于珠光體強(qiáng)度比先共析鐵素體高,所以限制了鐵素體的流動(dòng),從而使鋼的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率隨著珠光體含碳量的增加而增加。限制作用隨硬化塊數(shù)量增加,珠光體對(duì)先共析晶粒尺寸的細(xì)化而增強(qiáng)。
鋼中有大量珠光體時(shí),形變過程中會(huì)在低溫和/或高應(yīng)變率時(shí)形成微型解理裂紋。雖然也有某些內(nèi)部聚集組織斷面,但斷裂通道最初還是沿著解理面穿行。所以,在鐵素體片之間、相鄰聚集組織中的鐵素體晶粒內(nèi)有某些擇優(yōu)取向。