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          精密鑄造件斷裂原因及為什么沒有韌性

          文章來源:常州宏匯合機械制造有限公司  添加時間:2021/6/9 15:02:51

          用于各行業的鋼材品種達數千種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學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,然而這些參數很難適用于所有鋼材。


          主要原因有:


          第一,因為在鋼的冶煉時需加入一定數量的某種或多種合金元素,成材后再經簡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,因為煉鋼和澆注過程中產生的缺陷,特別是集中缺陷(如氣孔、夾雜等)在軋制時極其敏感,并且在同一化學成分鋼的不同爐次之間,甚至在同一鋼坯的不同部位發生不同的改變,從而影響鋼材的質量。


          由于鋼材韌性主要取決于顯微結構和缺陷的分散(嚴防集中缺陷)度,而不是化學成分。所以,經熱處理后韌性會發生很大變化。要深入探究鋼材性能及其斷裂原因,還需掌握物理冶金學和顯微組織與鋼材韌性的關系。


          1.鐵素體-珠光體鋼斷裂


          鐵素體-珠光體鋼占鋼總產量的絕大多數。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。但當碳含量高于0.02%時,絕大多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構,而稱為珠光體,同時趨向于作為“晶粒”和球結(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隨著珠光體含量的增加而減小。因為珠光體球結的形成和轉化會妨礙鐵素體晶粒長大。因此,珠光體會通過升高d-1/2(d為晶粒平均直徑)而間接升高拉伸屈服應力δy。


          從斷裂分析的觀點看,在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼,其性能令人關注。一是含碳量在0.03%以下,碳以珠光體球結的形式存在,對鋼的韌性影響較小;二是含碳量較高時,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


          實踐得知,水淬火鋼的沖擊性能優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。


          許多鋼材是在熱軋狀態下銷售,軋制條件對沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會降低沖擊轉變溫度,增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細,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,在同樣的熱處理條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。珠光體帶和拉長后的夾雜粗大分散成鱗片狀,對夏比轉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


          絕大多數合金元素加入低碳鋼,是為了生產在某些環境溫度下的固溶體硬化鋼,提高晶格摩擦應力δi。但目前還不能僅用公式預測較低屈服應力,除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應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,因為可以通過提高δi預測單個合金元素可降低韌性的范圍。


          鐵素體鋼的無塑性轉變(NDT)溫度和夏比轉變溫度的回歸分析至今尚無報導,然而這些也僅限于加入單個合金元素對韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對鋼性能的影響作簡要介紹。


          1)錳


          絕大多數的錳含量約為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。


          ◆可稍減小鐵素體晶粒尺寸。


          ◆可產生大量而細小的珠光體顆粒。


          前兩種作用說明NDT溫度隨著錳量的增加而降低,后兩種作用會引起夏比曲線峰值更尖。


          鋼含碳量較高時,錳能顯著降低約50%轉變溫度。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%,高錳含量對正火鋼的沖擊性能影響起到了決定性作用。因為鋼的高淬透性引起奧氏體轉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,加入量達到2%就能防止熱軋態和正火鋼晶界滲碳體的形成,同時實質降低開始轉變溫度TS,升高夏比沖擊曲線峰值。


          進一步增加鎳含量,改善沖擊韌性效果則降低。如果這時含碳量低至正火后無碳化物出現時,鎳對轉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,最大的好處是細化晶粒和降低游離氮含量,但其機理目前尚不清楚。可能是由于鎳作為奧氏體的穩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,由于鐵素體晶界會發生磷偏析降低了抗拉強度Rm而使晶粒之間脆化。此外,由于磷還是鐵素體的穩定劑。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,發生穿晶斷裂。


          4)硅


          鋼中加硅是為了脫氧,同時有益于提高沖擊性能。如果鋼中同時存在錳和鋁,大部分硅在鐵素體中溶解,同時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果是,在穩定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入硅,使50%轉變溫度升高約44℃。此外,硅與磷相似,是鐵素鐵的穩定劑,能促進鐵素體晶粒長大。按重量百分數計,硅加入正火鋼中將提高平均能量轉換溫度約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的形成細化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結果是,每增加0.1%的鋁,將使轉變溫度降低約40℃。然而,當鋁的加入量超過了需要,“固化”游離氮的作用將變弱。


          6)氧


          鋼中的氧會在晶界產生偏析導致鐵合金晶間斷裂。鋼中氧含量高至0.01%,斷裂就會沿著脆化晶粒的晶界產生的連續通道發生。即使鋼中含氧量很低,也會使裂紋在晶界集中成核,然后穿晶擴散。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和提高d-/2的有利物質。


          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相并首先在奧氏體晶界形成。珠光體在奧氏體晶粒內形成,同時占顯微組織的35%~100%。此外,還有多種聚集組織在每一個奧氏體晶粒內形成,使珠光體成為多晶體。


          由于珠光體強度比先共析鐵素體高,所以限制了鐵素體的流動,從而使鋼的屈服強度和應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量增加,珠光體對先共析晶粒尺寸的細化而增強。


          鋼中有大量珠光體時,形變過程中會在低溫和/或高應變率時形成微型解理裂紋。雖然也有某些內部聚集組織斷面,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有某些擇優取向。


          新聞來源:http://www.jndsb.net/list/?3_1.html

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