不锈钢材料断裂的基本分(fēn)析

摘要：<p> 不锈钢材料断裂的基本分(fēn)析<br /> 用(yòng)于各行业的钢材品种达数千种之多(duō)。每种钢材都因不同的性能(néng)、化學(xué)成分(fēn)或合金种类和含量而具有(yǒu)不同的商(shāng)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(hěn)难适用(yòng)于所有(yǒu)钢材。<br /> 主要原因有(yǒu)：**，因為(wèi)在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多(duō)种合金元素，成材后再经简单热处理(lǐ)便可(kě)获得不同的显微组织，从而改变了钢的原有(yǒu)性能(néng)；**，因為(wèi)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，并且在同一化學(xué)成分(fēn)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。<br /> 由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分(fēn)散（严防集中缺陷）度，而不是化學(xué)成分(fēn)。所以，经热处理(lǐ)后韧性会发生很(hěn)大变化。要深入探究钢材性能(néng)及其断裂原因，还需掌握物(wù)理(lǐ)冶金學(xué)和显微组织与钢材韧性的关系。<br /> 1. 铁素體(tǐ)-珠光體(tǐ)钢断裂<br /> 铁素體(tǐ)-珠光體(tǐ)钢占钢总产量的绝大多(duō)数。它们通常是含碳量在0.05%～0.20%之间的铁-碳和為(wèi)提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。<br /> 铁素體(tǐ)-珠光體(tǐ)的显微组织由BBC铁（铁素體(tǐ)）、0.01%C、可(kě)溶合金和Fe3C组成。在碳含量很(hěn)低的碳钢中，渗碳體(tǐ)颗粒（碳化物(wù)）停留在铁素體(tǐ)晶粒边界和晶粒之中。但当碳含量高于0.02%时，绝大多(duō)数的Fe3C形成具有(yǒu)某些铁素體(tǐ)的片状结构，而称為(wèi)珠光體(tǐ)，同时趋向于作為(wèi)“晶粒”和球结（晶界析出物(wù)）分(fēn)散在铁素體(tǐ)基體(tǐ)中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光體(tǐ)含量占10%～25%。<br /> 尽管珠光體(tǐ)颗粒很(hěn)坚硬，但却能(néng)非常广泛地分(fēn)散在铁素體(tǐ)基體(tǐ)上，并且围绕铁素體(tǐ)轻松地变形。通常，铁素體(tǐ)的晶粒尺寸会随着珠光體(tǐ)含量的增加而减小(xiǎo)。因為(wèi)珠光體(tǐ)球结的形成和转化会妨碍铁素體(tǐ)晶粒長(cháng)大。因此，珠光體(tǐ)会通过升高d-1/2（d為(wèi)晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力δy。<br /> 从断裂分(fēn)析的观点看，在低碳钢中有(yǒu)两种含碳量范围的钢，其性能(néng)令人关注。一是，含碳量在0.03%以下，碳以珠光體(tǐ)球结的形式存在，对钢的韧性影响较小(xiǎo)；二是，含碳量较高时，以球光體(tǐ)形式直接影响韧性和夏比曲線(xiàn)。<br /> 2. 处理(lǐ)工艺的影响<br /> 实践得知，水淬火钢的冲击性能(néng)优于退火或正火钢的冲击性能(néng)，原因在于快冷阻止了渗碳體(tǐ)在晶界形成，并促使铁素體(tǐ)晶粒变细。<br /> 许多(duō)钢材是在热轧状态下销售，轧制条件对冲击性能(néng)有(yǒu)很(hěn)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體(tǐ)晶粒变细，从而提高钢材韧性。厚板因冷却速度比薄板慢，铁素體(tǐ)晶粒比薄板粗大。所以，在同样的热处理(lǐ)条件下厚板比薄板更脆性。因此，热轧后常用(yòng)正火处理(lǐ)以改善钢板性能(néng)。<br /> 热轧也可(kě)生产各向异性钢和各种混合组织、珠光體(tǐ)带、夹杂晶界与轧制方向一致的定向韧性钢。珠光體(tǐ)带和拉長(cháng)后的夹杂粗大分(fēn)散成鳞片状，对夏比转变温度范围低温处的缺口韧性有(yǒu)很(hěn)大影响。<br /> 3. 铁素體(tǐ)-可(kě)溶合金元素的影响<br /> 绝大多(duō)数合金元素加入低碳钢，是為(wèi)了生产在某些环境温度下的固溶體(tǐ)硬化钢，提高晶格摩擦应力δi。但目前还不能(néng)仅用(yòng)公式预测较低屈服应力，除非已知晶粒尺寸。虽然屈服应力的决定因素是正火温度和冷却速度，然而这种研究方法仍很(hěn)重要，因為(wèi)可(kě)以通过提高δi预测单个合金元素可(kě)降低韧性的范围。<br /> 铁素體(tǐ)钢的无塑性转变（NDT）温度和夏比转变温度的回归分(fēn)析至今尚无报导，然而这些也**于加入单个合金元素对韧性影响的定性讨论。以下就几种合金元素对钢性能(néng)的影响作简要介绍。<br /> 1）锰。绝大多(duō)数的锰含量约為(wèi)0.5%。作為(wèi)脱氧剂或固硫剂加入可(kě)防止钢的热裂。在低碳钢中还有(yǒu)以下作用(yòng)。<br /> ◆ 含碳量0.05%钢，空冷或炉冷后有(yǒu)降低晶粒边界渗碳體(tǐ)薄膜形成的趋势。<br /> ◆ 可(kě)稍减小(xiǎo)铁素體(tǐ)晶粒尺寸。<br /> ◆ 可(kě)产生大量而细小(xiǎo)的珠光體(tǐ)颗粒。 <br /> 前两种作用(yòng)说明NDT温度随着锰量的增加而降低，后两种作用(yòng)会引起夏比曲線(xiàn)峰值更尖。<br /> 钢含碳量较高时，锰能(néng)显著降低约50%转变温度。其原因可(kě)能(néng)是因珠光體(tǐ)量多(duō)，而不是渗碳體(tǐ)在边界的分(fēn)布。必须注意的是，如果钢的含碳量高于0.15%，高锰含量对正火钢的冲击性能(néng)影响起到了决定性作用(yòng)。因為(wèi)钢的高淬透性引起奥氏體(tǐ)转变成脆性的上贝氏體(tǐ)，而不是铁素體(tǐ)或珠光體(tǐ)。<br /> 2）镍。加入钢中的作用(yòng)似锰，可(kě)改善铁-碳合金韧性。其作用(yòng)大小(xiǎo)取决于含碳量和热处理(lǐ)。在含碳量（约0.02%）很(hěn)低的钢中，加入量达到2%就能(néng)防止热轧态和正火钢晶界渗碳體(tǐ)的形成，同时实质降低开始转变温度TS，升高夏比冲击曲線(xiàn)峰值。<br /> 进一步增加镍含量，改善冲击韧性效果则降低。如果这时含碳量低至正火后无碳化物(wù)出现时，镍对转变温度的影响将变得很(hěn)有(yǒu)限。在含碳约0.10%的正火钢中加入镍，*大的好处是细化晶粒和降低游离氮含量，但其机理(lǐ)目前尚不清楚。可(kě)能(néng)是由于镍作為(wèi)奥氏體(tǐ)的稳定剂从而降低了奥氏體(tǐ)分(fēn)解的温度。<br /> 3）磷。在纯净的铁-磷合金中，由于铁素體(tǐ)晶界会发生磷偏析降低了抗拉强度Rm而使晶粒之间脆化。此外，由于磷还是铁素體(tǐ)的稳定剂。所以，加入钢中将大大增加δi值和铁素體(tǐ)晶粒尺寸。这些作用(yòng)的综合将使磷成為(wèi)极其有(yǒu)害的脆化剂，发生穿晶断裂。<br /> 4）硅。钢中加硅是為(wèi)了脱氧，同时有(yǒu)益于提高冲击性能(néng)。如果钢中同时存在锰和铝，大部分(fēn)硅在铁素體(tǐ)中溶解，同时通过固溶化硬化作用(yòng)提高δi。这种作用(yòng)与加入硅提高冲击性能(néng)综合的结果是，在稳定晶粒尺寸的铁-碳合金中按重量百分(fēn)比加入硅，使50%转变温度升高约44℃。此外，硅与磷相似，是铁素铁的稳定剂，能(néng)促进铁素體(tǐ)晶粒長(cháng)大。按重量百分(fēn)数计，硅加入正火钢中将提高平均能(néng)量转换温度约60℃。<br /> 5）铝。以合金和脱氧剂的作用(yòng)加入钢中有(yǒu)以下两方面的原因：**，与溶體(tǐ)中的氮生成AlN，去除游离氮；**，AlN的形成细化了铁素體(tǐ)晶粒。这两种作用(yòng)的结果是，每增加0.1%的铝，将使转变温度降低约40℃。然而，当铝的加入量超过了需要，“固化”游离氮的作用(yòng)将变弱。<br /> 6）氧。钢中的氧会在晶界产生偏析导致铁合金晶间断裂。钢中氧含量高至0.01%，断裂就会沿着脆化晶粒的晶界产生的连续通道发生。即使钢中含氧量很(hěn)低，也会使裂纹在晶界集中成核，然后穿晶扩散。解决氧脆化问题的方法是，可(kě)加入脱氧剂碳、锰、硅、铝和锆，使其和氧结合生成氧化物(wù)颗粒，而将氧从晶界去除。氧化物(wù)颗粒也是延迟铁素體(tǐ)生長(cháng)和提高d-/2的有(yǒu)利物(wù)质。<br /> 4. 含碳量在0.3%～0.8%的影响<br /> 亚共析钢的含碳量在0.3%～0.8%，先共析铁素體(tǐ)是连续相并首先在奥氏體(tǐ)晶界形成。珠光體(tǐ)在奥氏體(tǐ)晶粒内形成，同时占显微组织的35%～100%。此外，还有(yǒu)多(duō)种聚集组织在每一个奥氏體(tǐ)晶粒内形成，使珠光體(tǐ)成為(wèi)多(duō)晶體(tǐ)。<br /> 由于珠光體(tǐ)强度比先共析铁素體(tǐ)高，所以限制了铁素體(tǐ)的流动，从而使钢的屈服强度和应变硬化率随着珠光體(tǐ)含碳量的增加而增加。限制作用(yòng)随硬化块数量增加，珠光體(tǐ)对先共析晶粒尺寸的细化而增强。<br /> 钢中有(yǒu)大量珠光體(tǐ)时，形变过程中会在低温和/或高应变率时形成微型解理(lǐ)裂纹。虽然也有(yǒu)某些内部聚集组织断面，但断裂通道*初还是沿着解理(lǐ)面穿行。所以，在铁素體(tǐ)片之间、相邻聚集组织中的铁素體(tǐ)晶粒内有(yǒu)某些择优取向。<br /> 5. 贝氏體(tǐ)钢断裂<br /> 在含碳量為(wèi)0.10%的低碳钢中加入0.05%钼和硼可(kě)优化通常发生在700～850℃奥氏體(tǐ)-铁素體(tǐ)转变，且不影响其后在450℃和675℃时奥氏體(tǐ)-贝氏體(tǐ)转变的动力學(xué)条件。<br /> 在大约525～675℃之间形成的贝氏體(tǐ)，通常称為(wèi)“上贝氏體(tǐ)”；在450～525℃之间形成的称為(wèi)“下贝氏體(tǐ)”。两种组织均由针状铁素體(tǐ)和分(fēn)散的碳化物(wù)组成。当转变温度从675℃降至450℃时，未回火贝氏體(tǐ)的抗拉强度会从585MPa升高至1170MPa。<br /> 因為(wèi)转变温度由合金元素含量决定，并间接影响屈服和抗拉强度。这些钢获得的高强度是以下两种作用(yòng)的结果：<br /> 1）当转变温度降低时，贝氏體(tǐ)铁素體(tǐ)片尺寸不断细化。<br /> 2）在下贝氏體(tǐ)内精细的碳化物(wù)不断分(fēn)散。这些钢的断口特征在很(hěn)大程度上取决于抗拉强度和转变温度。<br /> 有(yǒu)两种作用(yòng)要注意：**，一定的抗拉强度级别，回火下贝氏體(tǐ)的夏比冲击性能(néng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)优于未回火的上贝氏體(tǐ)。原因是在上贝氏體(tǐ)中，球光體(tǐ)内的解理(lǐ)小(xiǎo)平面切割了若干贝氏體(tǐ)晶粒，决定断裂的主要尺寸是奥氏體(tǐ)晶粒尺寸。<br /> 在下贝氏體(tǐ)中，针状铁素體(tǐ)内的解理(lǐ)面未排成一直線(xiàn)，因此决定准解理(lǐ)断裂面是否断裂的主要特征是针状铁素體(tǐ)晶粒尺寸。因為(wèi)这里的针状铁素體(tǐ)晶粒尺寸仅為(wèi)上贝氏體(tǐ)中的奥氏體(tǐ)晶粒尺寸的1/2。所以，在同一强度级别，下贝氏體(tǐ)转变温度比上贝氏體(tǐ)低许多(duō)。<br /> 除了上面的原因之外是碳化物(wù)分(fēn)布。在上贝氏體(tǐ)中碳化物(wù)位于晶界沿線(xiàn)，并通过降低抗拉强度Rm增加脆性。在回火的下贝氏體(tǐ)中，碳化物(wù)非常均匀地分(fēn)布的铁素體(tǐ)中，同时通过限制解理(lǐ)裂纹以提高抗拉强度并促进球化珠光體(tǐ)细化。<br /> **，要注意的是未回火合金中转变温度与抗拉强度的变化。在上贝氏體(tǐ)中，转变温度的降低会使针状铁素體(tǐ)尺寸细化同时升高延伸强度Rp0.2。<br /> 在下贝氏體(tǐ)中，為(wèi)获得830MPa或更高的抗拉强度，也可(kě)通过降低转变温度提高强度的方法实现。然而，因為(wèi)上贝氏體(tǐ)的断口应力取决于奥氏體(tǐ)晶粒尺寸，而此时的碳化物(wù)颗粒尺寸已经很(hěn)大，因此通过回火提高抗拉强度的作用(yòng)很(hěn)小(xiǎo)。<br /> 6. 马氏體(tǐ)钢断裂<br /> 碳或其它元素加入钢中可(kě)延迟奥氏體(tǐ)转变成铁素體(tǐ)和珠光體(tǐ)或贝氏體(tǐ)，同时奥氏體(tǐ)化后如果冷却速度足够快，通过剪切工艺奥氏體(tǐ)会变成马氏體(tǐ)而不需进行原子扩散。<br /> 理(lǐ)想的马氏體(tǐ)断裂应具有(yǒu)以下特征：<br /> ◆ 因為(wèi)转变温度很(hěn)低（200℃或更低），四面體(tǐ)铁素體(tǐ)或针状马氏體(tǐ)非常细。<br /> ◆ 因為(wèi)通过剪切发生转变，奥氏體(tǐ)中的碳原子来不及扩散出晶體(tǐ)，使铁素體(tǐ)中的碳原子饱和从而使马氏體(tǐ)晶粒拉長(cháng)导致晶格膨胀。<br /> ◆ 发生马氏體(tǐ)转变要超过一定的温度范围，因為(wèi)初始生成的马氏體(tǐ)片给以后的奥氏體(tǐ)转变成马氏體(tǐ)增加阻力。所以，转变后的结构是马氏體(tǐ)和残余奥氏體(tǐ)的混合结构。<br /> 為(wèi)了保证钢的性能(néng)稳定，必须进行回火。高碳（0.3%以上）马氏體(tǐ)，在以下范围内回火约1h，经历以下三个阶段。<br /> 1）温度达到约100℃时，马氏體(tǐ)某些过饱和碳沉淀并形成非常细小(xiǎo)的ε-碳化物(wù)颗粒，分(fēn)散于马氏體(tǐ)中而降低碳含量。<br /> 2）温度在100～300℃之间，任何残余奥氏體(tǐ)都可(kě)能(néng)转变成贝氏體(tǐ)和ε-碳化物(wù)。<br /> 3）在第3阶段回火中，大约200℃起取决于碳含量和合金成分(fēn)。当回火温度升至共析温度，碳化物(wù)沉淀变粗同时Rp0.2降低。<br /> 7.中强度钢（620MPa&lt;Rp0.2&lt;1240MPa）断裂<br /> 除了消除应力提高冲击韧性之外，回火还有(yǒu)以下两种作用(yòng)：**，转变残余奥氏體(tǐ)。残留奥氏體(tǐ)将在低温约30℃转变成韧性针状下贝氏體(tǐ)。在较高的温度如600℃，残余奥氏體(tǐ)会转变成脆性的珠光體(tǐ)。因此，钢在550～600℃进行**次回火，在300℃进行**次回火，以避免形成脆性珠光體(tǐ)，称这种回火制度為(wèi)“二次回火”。<br /> **，增加弥散性碳化物(wù)含量（抗拉强度Rm增加），降低屈服强度。如果升高回火温度，两者都将会引起冲击，转变回火范围降低。因為(wèi)显微组织变精细，在同样强度级别，将提高抗拉塑性。<br /> 回火脆性是可(kě)逆的。如果回火温度高到超过了临界范围而降低了转变温度，可(kě)将材料再加热后在临界范围处理(lǐ)，回火温度才可(kě)以再升高。如果出现微量元素，表明脆性将得到改善。*重要的微量元素是锑、磷、锡、砷，加上锰和硅都有(yǒu)去脆作用(yòng)。如果其它合金元素存在，钼也能(néng)降低回火脆性，同时镍和铬也有(yǒu)一定的作用(yòng)。<br /> 8. 高强度钢（Rp0.2&gt;1240MPa）断裂<br /> 高强钢可(kě)通过以下方法进行生产：淬火和回火；淬火和回火前奥氏體(tǐ)变形；退火和时效生产沉淀硬化钢。此外，还可(kě)通过应变和再回火或回火期应变，都可(kě)进一步提高钢的强度。<br /> 9. 不锈钢断裂<br /> 不锈钢主要由铁-铬、铁-铬-镍合金和其它改善力學(xué)性能(néng)与抗蚀能(néng)力的元素组成。不锈钢防蚀是因為(wèi)在金属表面生成了可(kě)防止进一步氧化的铬氧化物(wù)—不可(kě)渗透层。<br /> 因此，不锈钢在氧化气氛中能(néng)防止腐蚀并使铬氧化物(wù)层得到强化。但在还原气氛中，铬氧化层受到损害。抗蚀性随着铬、镍含量增加而增加。镍可(kě)**提升铁的钝化性。<br /> 增加碳是為(wèi)了改善力學(xué)性能(néng)和保证奥氏體(tǐ)不锈钢性能(néng)的稳定。一般说来，不锈钢利用(yòng)显微组织进行分(fēn)类。<br /> ◆ 马氏體(tǐ)不锈钢。属于铁-铬合金，可(kě)进行奥氏體(tǐ)化和后序热处理(lǐ)生成马氏體(tǐ)。通常含铬12%，含碳0.15%。<br /> ◆ 铁素體(tǐ)不锈钢。含铬约14%～18%，碳0.12%。因為(wèi)铬是铁素體(tǐ)的稳定剂，奥氏體(tǐ)相被超过13%的铬彻底抑制，因而是完全的铁素體(tǐ)相。<br /> ◆ 奥氏體(tǐ)不锈钢。镍是奥氏體(tǐ)的强稳定剂，因此，在室温、低于室温或高温状态下，镍含量為(wèi)8%，铬含量為(wèi)18%（300型）能(néng)使奥氏體(tǐ)相非常稳定。奥氏體(tǐ)不锈钢类似于铁素體(tǐ)型，不能(néng)通过马氏體(tǐ)转变而硬化。<br /> 铁素體(tǐ)和马氏體(tǐ)不锈钢特征，如晶粒尺寸等与同级别的其它铁素體(tǐ)钢和马氏體(tǐ)钢相似。<br /> 奥氏體(tǐ)不锈系FCC结构，在冷冻温度下都不可(kě)能(néng)解理(lǐ)断裂。大型件冷轧80%后，310型不锈钢有(yǒu)极高的屈服强度和缺口敏感性，甚至在温度低至-253℃还具有(yǒu)1.0的缺口敏感性比。因此，可(kě)用(yòng)于导弹系统的液氢贮存箱。相似的301型不锈钢可(kě)用(yòng)于温度低至183℃的液氧贮存箱。但在这些温度以下是不稳定的，如发生任何塑性变形，不稳定的奥氏體(tǐ)都会变成脆性的非回火马氏體(tǐ)。绝大多(duō)数奥氏體(tǐ)钢用(yòng)于防腐环境，被加热至500～900℃温度范围，铬碳化物(wù)会沉淀在奥氏體(tǐ)晶界，结果使晶界附近范围内的铬层被完全耗尽。该部位非常容易受到腐蚀和局部腐蚀，如果存在应力，还可(kě)导致晶脆性断裂。<br /> 為(wèi)了减轻上述危害，可(kě)加入少量性能(néng)强于铬碳化物(wù)的元素，例如钛或铌，与碳形成合金碳化物(wù)，防止铬被耗尽和随之而致的应力腐蚀裂纹。常称这种处理(lǐ)為(wèi)“稳定化处理(lǐ)”。<br /> 奥氏體(tǐ)不锈钢也常用(yòng)于高温，如压力容器，防止和满足抗腐蚀和抗蠕变。某些钢种因為(wèi)在焊后热处理(lǐ)和高温环境下对热影响區(qū)及其附近的裂纹十分(fēn)敏感。所以，当焊接再加热时，受高温作用(yòng)，铌或钛碳化物(wù)会在晶粒内和晶界沉淀，导致裂纹产生而影响使用(yòng)寿命，这必须给予高度重视。 </p> <p> <br /> </p>