碳素鋼脆性特點(diǎn)

碳素鋼脆性引起的工程結(jié)構(gòu)件脆性斷裂的特點(diǎn)是:

(1)脆性斷裂是突發(fā)性斷裂，在斷裂前沒有任何征兆;

(2)斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展速度極快，所以這種斷裂往住是災(zāi)難性的;

(3)斷裂時(shí)工程結(jié)構(gòu)件實(shí)際承受的應(yīng)力往往比設(shè)計(jì)應(yīng)力低;

(4)工程結(jié)構(gòu)件脆性斷裂一般在較低溫度發(fā)生，如橋梁、各種貯罐的脆性斷裂常在氣溫較低的冬季發(fā)生，但是有的工程結(jié)構(gòu)件，如石油化工設(shè)備、鍋爐導(dǎo)汽管、汽輪機(jī)葉片在較高溫度使用時(shí)發(fā)生脆性斷裂;

(5)脆性斷裂一般由結(jié)構(gòu)件中缺陷處開始，如焊接裂縫、材料內(nèi)部缺陷等，有的由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝不合理而引起的應(yīng)力集中處開始;

(6)脆性斷裂的斷口是晶間斷口或穿晶解理斷口。

碳素鋼脆性，按產(chǎn)生原因、發(fā)生脆性時(shí)的現(xiàn)象等分為冷脆性、熱脆性、藍(lán)脆性、石墨脆性和氫脆性。

冷脆性

在低溫中，磷含量較高的鋼塑性和韌性很低，容易引起脆性斷裂的性質(zhì)。磷引起冷脆性的原因是:

(1)磷固溶在鐵素體中，降低鐵素體的塑性和韌性，增加鋼的脆性;

(2)磷容易在鐵素體晶界上偏聚，降低晶界強(qiáng)度，引起脆性晶界斷裂;

(3)磷在鐵素體中溶解度較大，室溫時(shí)達(dá)0.7%。但由于鋼中含有碳，碳溶入鐵素體中使磷在鐵素體中溶解度降低。并且，鋼水凝固時(shí)磷極易產(chǎn)生枝晶偏析。所以鋼中磷含量較高時(shí)，晶界上形成脆性磷化鐵薄膜，增加鋼的脆性。

熱脆性

硫含量較高硫偏析嚴(yán)重的鋼，在熱加工時(shí)容易產(chǎn)生開裂的性質(zhì)。硫在鐵中溶解度很小，

在室溫幾乎不溶于鐵。但硫與鐵化合生成硫化鐵。鋼水凝固時(shí)形成了γ-Fe+FeS共晶體，其共晶溫度為989℃。鋼水中的氧與鐵化合生成氧化鐵，形成γ-Fe+FeS+FeO三元共晶體，其共晶溫度為940℃。鋼水凝固時(shí)形成的三元共晶體量很少，它分布在γ-Fe晶界上。在熱加工時(shí)低熔點(diǎn)的共晶體在γ-Fe晶界上處于熔融狀態(tài)，所以變形時(shí)發(fā)生開裂。

煉鋼時(shí)錳作為脫氧劑加入。錳與硫的親和力比鐵與硫的親和力大，鋼中硫優(yōu)先與錳化合形成硫化錳，硫又與鐵化合生成硫化鐵，二者互相溶解而成為復(fù)合硫化物。其成分隨鋼中錳和硫含量比值而變化。隨鋼中錳和硫含量比值的增加，復(fù)合硫化物中硫化錳含量增加。硫化錳熔點(diǎn)很高(1620℃)，硫化錳含量高的復(fù)合硫化物的熔點(diǎn)也相當(dāng)高，而且錳和硫含量比值高的鋼的三元共晶溫度也相當(dāng)高。所以不會(huì)發(fā)生三元共晶體熔化引起的熱脆性。為了防止熱脆性，鋼中錳含量要控制在硫含量的5~10倍。

藍(lán)脆性

氮含量較高的低碳鋼在200~250℃發(fā)生時(shí)效，鋼的強(qiáng)度升高，塑性和韌性明顯降低所引起的脆性。因?yàn)樵?00~250℃加熱時(shí)，鋼的表面形成氧化物，其色呈藍(lán)色，所以這種脆性稱為藍(lán)脆性。氮在鐵素體中的溶解度隨溫度的下降而急劇變小，在590℃鐵素體中可溶解0.115%，而在室溫其溶解度只有(0.1~1)×10-6。因?yàn)榈阼F素體中擴(kuò)散速度很慢，所以低碳鋼在熱加工后即使是空冷也將得到氮所過飽和的鐵素體。因此，氮含量較高的低碳鋼在200~250℃加熱時(shí)，鐵素體中析出極細(xì)的氮化物質(zhì)點(diǎn)，提高鋼的強(qiáng)度，降低鋼的塑性和韌性，引起鋼的脆性。低碳鋼經(jīng)過冷變形，在200~250℃加熱時(shí)碳、氮原子與位錯(cuò)發(fā)生彈性交互作用，鋼的強(qiáng)度提高，而塑性和韌性降低，也會(huì)引起鋼的脆性。防止藍(lán)脆性的途徑，一是運(yùn)用現(xiàn)代煉鋼技術(shù)以減少鋼水中氮含量，二是加入適量的鋁、鈦或鈮，使其與氮形成化合物。

石墨脆性

鋼在較高溫度長時(shí)間停留時(shí)，鋼中的滲碳體分解為鐵和石墨，使鋼的強(qiáng)度和塑性都顯著降低所引起的脆性。其斷口因石墨呈黑色，故又稱黑脆。鋼的碳含量越高，石墨化越容易。硅促進(jìn)石墨化，而錳阻礙石墨化。高碳鋼鍛后冷卻速度過慢，退火保溫時(shí)間過長，多次重復(fù)加熱退火容易引起石墨脆性。石墨脆性一旦發(fā)生就無法消除，要注意預(yù)防。

氫脆性

溶于鋼中的氫，聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋，又稱白點(diǎn)。在材料的冶煉過程和零件的制造與裝配過程(如電鍍、焊接)中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫(10-6量級(jí))在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。在尚未出現(xiàn)開裂的情況下可以通過脫氫處理(例如加熱到200℃以上數(shù)小時(shí)，可使內(nèi)氫減少)恢復(fù)鋼材的性能。因此氫脆性是可逆的。

碳素鋼脆性(shortnessofcarbonsteel)是指由于冶金、加工、溫度、環(huán)境等因素使碳素鋼的塑性和韌性很低，在斷裂過程中無明顯塑性變形，斷裂時(shí)吸收的能量很低的性質(zhì)。

碳素鋼脆性表現(xiàn)在熱加工過程中極易發(fā)生開裂，或碳素鋼制件在使用過程中無明顯塑性變形，甚至在幾乎不發(fā)生塑性變形的情況下發(fā)生斷裂。自20世紀(jì)初以來，橋梁、船體、球形貯罐、石油化工合成容器、鍋爐導(dǎo)汽管、汽輪機(jī)葉片、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、炮管、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等工程結(jié)構(gòu)件，一再發(fā)生脆性斷裂事故。這些脆性斷裂事故與工程結(jié)構(gòu)件的大型化、結(jié)構(gòu)件截面的增厚、材料的高強(qiáng)度化和焊接結(jié)構(gòu)的采用有關(guān)。

脆性與鋼的化學(xué)成分、鋼中夾雜和氣體、晶粒度、第二相顆粒、試樣尺寸、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)環(huán)境、加載速度等因素有關(guān)。鋼中的硫和磷增加鋼的脆性。硫引起熱脆性，并增加鋼的常溫脆性。磷引起鋼的冷脆性。鋼中的氮、氫等氣體也促進(jìn)鋼的脆性。氮引起低碳鋼的藍(lán)脆性，氫在鋼中引起氫脆性和白點(diǎn)。鋼中的錫、銻、砷等元素顯著提高鋼在回火狀態(tài)的脆性。釩、鈦、鈮、鋯、鋁等元素在鋼中形成穩(wěn)定的化合物，它細(xì)化鋼的晶粒，有利于鋼的韌化，降低鋼的脆性。稀土元素在鋼中與有害元素硫形成化合物，降低硫的有害作用。應(yīng)用電渣重熔、鋼包吹氬、真空脫氣和保護(hù)澆注等措旋，可降低鋼中有害雜質(zhì)和氣體含量，降低成分偏析，提高鑄造組織致密性。這些都有利于鋼的韌化，降低鋼的脆性。

鋼的脆性一般以韌性值評(píng)定。試驗(yàn)方法有沖擊韌性試驗(yàn)、缺口靜彎試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、爆破鼓突試驗(yàn)、撕裂試驗(yàn)、寬板拉伸試驗(yàn)、深缺口試驗(yàn)、雙重拉伸試驗(yàn)，羅伯遜(Robertson)試驗(yàn)、伊索(ESSO)試驗(yàn)和斷裂韌性試驗(yàn)等。沖擊韌性試驗(yàn)設(shè)備簡單，方法簡便，試樣尺寸小，試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)便宜，它是評(píng)定韌性的最常用方法。

隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展而建立的斷裂韌性試驗(yàn)現(xiàn)已成為考核金屬材料韌性的一個(gè)很重要的試驗(yàn)方法。但其試驗(yàn)方法繁雜，試驗(yàn)費(fèi)用貴。近年來用不同的材料進(jìn)行大量試驗(yàn)，研究了斷裂韌性與沖擊韌性之間的關(guān)系，并建立了一些適用于一定范圍的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。這就有可能以沖擊韌性值估算一定條件下的斷裂韌性值。