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金屬鋼材的冷脆現(xiàn)像

 

冷脆,即低溫脆性,指某些金屬或合金在低于再結(jié)晶溫度或低溫(一般為100~-100℃)時(shí),沖擊韌性急劇下降的現(xiàn)象。有時(shí)也指含磷量較高的鋼在冷作加工過(guò)程中所發(fā)生的脆性現(xiàn)象。
低溫脆性在體心立方晶體、六方晶體及三方晶體的金屬及合金中較為嚴(yán)重,低溫脆性發(fā)生的溫度,即使是同一金屬也是不固定的。黑心可鍛鑄鐵在含磷、硫量高或退火溫度在550℃以下緩冷時(shí),晶界上有磷共品析出,可發(fā)生冷脆。斷口呈白色。

簡(jiǎn)介

冷脆與材料的韌性和脆性聯(lián)系緊密。高韌性的材料不容易發(fā)生冷脆,反之就容易發(fā)生。在溫度低于一個(gè)特定溫度的時(shí)候,材料的吸收的沖擊功會(huì)突然減小,從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕@一溫度即為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)上一般用沖擊試驗(yàn)來(lái)確定這一溫度。
材料的晶體結(jié)構(gòu),基體相組織結(jié)構(gòu),溫度,引入新元素,相的大小及夾雜物等都會(huì)影響冷脆轉(zhuǎn)變溫度。磷在純鐵中有相當(dāng)大的溶解度。磷能提高鋼的強(qiáng)度,但使其塑性和韌性降低,特別是它使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇升高,即提高了鋼的冷脆(低溫脆性)。

金屬的冷脆現(xiàn)象

有些金屬材料,如工程上用的中低強(qiáng)度鋼,當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí),會(huì)出現(xiàn)沖擊吸收能量明顯下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象,稱(chēng)為冷脆。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多次由于低溫脆性造成的壓力容器、船舶、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)脆斷的事故,造成巨大損失,如著名的泰坦尼克冰海沉船事故,美國(guó)二戰(zhàn)期間建造的焊接油輪“Victory”斷裂事故,西伯利亞鐵路斷軌事故等。
通過(guò)測(cè)定材料在不同溫度下的沖擊吸收能量,就可測(cè)出某種材料沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系曲線,如下圖所示。
擊吸收能量與溫度的關(guān)系
沖擊吸收能量隨溫度降低而減小,在某個(gè)溫度區(qū)間沖擊吸收能量發(fā)生急劇下降,試樣斷口由韌性斷口過(guò)渡為脆性斷口,這個(gè)溫度區(qū)間就稱(chēng)為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。
體心立方晶格金屬及其合金或某些密排六方晶格金屬及其合金,特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(鐵素體一珠光體鋼)有明顯的冷脆現(xiàn)象。而面心立方金屬及其合金一般沒(méi)有低溫脆性現(xiàn)象,但有實(shí)驗(yàn)證明,在20—42K的極低溫度下,奧氏體鋼及鋁合金也有冷脆性。高強(qiáng)度的體心立方合金(如高強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)度銅)在很寬溫度范圍內(nèi),沖擊吸收能量均較低,故韌脆轉(zhuǎn)變不明顯,如下圖所示。
三種不同冷脆材料
韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低,金屬材料的低溫沖擊韌性就越好。在嚴(yán)寒地區(qū)使用的金屬材料必須有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度,才能保證正常工作,如高緯度地區(qū)使用的輸油管道、極地考察船等建造用鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在-50℃以下。

金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)定

韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般使用標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)測(cè)定,試驗(yàn)原理與常溫沖擊試驗(yàn)相同,只是要增設(shè)一個(gè)試樣冷卻裝置,如低溫恒溫箱,也可使用廣口保溫瓶等,如下圖所示。
簡(jiǎn)易低溫沖擊制冷器示意圖
冷卻介質(zhì)由致冷劑和調(diào)溫劑組成,應(yīng)無(wú)毒、安全和不腐蝕金屬。當(dāng)使用液體介質(zhì)冷卻試樣時(shí),試樣應(yīng)放置于一容器中的網(wǎng)柵上,網(wǎng)柵至少高于容器底部25 mm,液體浸過(guò)試樣的高度至少25 mm,試樣距容器側(cè)壁至少10mm,并應(yīng)連續(xù)均勻攪拌介質(zhì)以使溫度均勻。當(dāng)使用氣體介質(zhì)冷卻試樣時(shí),試樣距低溫裝置內(nèi)表面或試樣與試樣之間應(yīng)保持足夠的距離,試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持至少20min。
低溫沖擊試驗(yàn)大多數(shù)是人工操作。實(shí)踐表明,如試樣從低溫箱中取出到?jīng)_斷的整個(gè)時(shí)間少于2s,則試樣的溫度變化不大,冷卻介質(zhì)的溫度一般不留附加過(guò)冷溫度。若試樣從取出到?jīng)_斷的時(shí)間大于5 s,則試樣溫度回升較多。因此,冷卻介質(zhì)的溫度就應(yīng)為規(guī)定冷卻溫度加上相應(yīng)的過(guò)冷溫度。所需過(guò)冷溫度應(yīng)預(yù)先通過(guò)試驗(yàn)確定,當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)試樣,室溫為(20±5)℃時(shí),可參考下圖給出的過(guò)冷溫度。
過(guò)冷溫度范圍
每個(gè)試驗(yàn)溫度一般用三支試樣,試驗(yàn)溫度的間隔和試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)保證繪出完整、明確的曲線。根據(jù)不同溫度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,以沖擊吸收能量或脆性斷面(放射區(qū))率為縱坐標(biāo),以試驗(yàn)溫度為橫坐標(biāo)繪制曲線,確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度,如下圖所示。
測(cè)定金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度幾種方法

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