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鋼材

   用于各行業(yè)的鋼材品種達數千種之多。每種鋼材都因不同的性能、化學(xué)成分或合金種類(lèi)和含量而具有不同的商品名稱(chēng)。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(shí)需加入一定數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，因為煉鋼和澆注過(guò)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構和缺陷的分散（嚴防集中缺陷）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。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(shí)，絕大多數的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結構，而稱(chēng)為珠光體，同時(shí)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(huì )隨著(zhù)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(huì )妨礙鐵素體晶粒長(cháng)大。因此，珠光體會(huì )通過(guò)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(guān)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，碳以珠光體球結的形式存在，對鋼的韌性影響較小；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(xiàn)。

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。

許多鋼材是在熱軋狀態(tài)下銷(xiāo)售，軋制條件對沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會(huì )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(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(cháng)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(chǎn)在某些環(huán)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(guò)提高δi預測單個(gè)合金元素可降低韌性的范圍。

鐵素體鋼的無(wú)塑性轉變（NDT）溫度和夏比轉變溫度的回歸分析至今尚無(wú)報導，然而這些也僅限于加入單個(gè)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(jiǎn)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(chǎn)生大量而細小的珠光體顆粒。

前兩種作用說(shuō)明NDT溫度隨著(zhù)錳量的增加而降低，后兩種作用會(huì )引起夏比曲線(xiàn)峰值更尖。

鋼含碳量較高時(shí)，錳能顯著(zhù)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(tài)和正火鋼晶界滲碳體的形成，同時(shí)實(shí)質(zhì)降低開(kāi)始轉變溫度TS，升高夏比沖擊曲線(xiàn)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(wú)碳化物出現時(shí)，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(huì )發(fā)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(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(guò)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(jìn)鐵素體晶粒長(cháng)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(guò)了需要，“固化”游離氮的作用將變弱。

6）氧

鋼中的氧會(huì )在晶界產(chǎn)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(huì )沿著(zhù)脆化晶粒的晶界產(chǎn)生的連續通道發(fā)生。即使鋼中含氧量很低，也會(huì )使裂紋在晶界集中成核，然后穿晶擴散。解決氧脆化問(wèn)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(cháng)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(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(dòng)，從而使鋼的屈服強度和應變硬化率隨著(zhù)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(shí)，形變過(guò)程中會(huì )在低溫和/或高應變率時(shí)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(zhù)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(yōu)取向。

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