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钢材断裂基本原因分析大全 用于各行业的钢材品种达数千种之多。每种钢材都因不同的性能、化学成分 或合金种类和含量而具有不同的商品名称。虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的 选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。主要原因有：第一，因为在钢的冶炼 时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同 的显微组织，从而改变了钢的原有性能；第二，因为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，并且在同一化学成 分钢的不同炉次之间，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。由于钢材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度， 而不是化学成分。所以，经热处理后韧性会发生很大变化。要深入探究钢材性能 及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。 1. 铁素体-珠光体钢断裂 铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。它们通常是含碳量在 0.05%～ 0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧性而加入的其它少量合金元素的合金。 铁素体-珠光体的显微组织由 BBC 铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和 Fe3C 组成。在碳含量很低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和 晶粒之中。但当碳含量高于 0.02%时，绝大多数的 Fe3C 形成具有某些铁素体的 片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为“晶粒”和球结（晶界析出物）分散在 铁素体基体中。含碳量在 0.10%～0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占 10%～25% 。 尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕 铁素体轻松地变形。通常，铁素体的晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。 因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。因此，珠光体会通过升高 d-1/2 （d 为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力 δy 。 从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。 一是，含碳量在 0.03% 以下，碳以珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小； 二是，含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。 2. 处理工艺的影响 实践得知，水淬火钢的冲击性能优于退火或正火钢的冲击性能，原因在于快 冷阻止了渗碳体在晶界形成，并促使铁素体晶粒变细。 许多钢材是在热轧状态下销售，轧制条件对冲击性能有很大影响。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体晶粒变细，从而提高钢 材韧性。厚板因冷却速度比薄板慢，铁素体晶粒比薄板粗大。所以，在同样的热 处理条件下厚板比薄板更脆性。因此，热轧后常用正火处理以改善钢板性能。 热轧也可生产各向异性钢和各种混合组织、珠光体带、夹杂晶界与轧制方向 一致的定向韧性钢。珠光体带和拉长后的夹杂粗大分散成鳞片状，对夏比转变温 度范围低温处的缺口韧性有很大影响。 3. 铁素体-可溶合金元素的影响 绝大多数合金元素加入低碳钢，是为了生产在某些环境温度下的固溶体硬化 钢，提高晶格摩擦应力 δi。但目前还不能仅用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 仍很重要，因为可以通过提高 δi 预测单个合金元素可降低韧性的范围。 铁素体钢的无塑性转变（NDT）温度和夏比转变温度的回归分析至今尚无报 导，然而这些也仅限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 金元素对钢性能的影响作简要介绍。 1）锰 绝大多数的锰含量约为 0.5% 。作为脱氧剂或固硫剂加入可防止钢的热裂。 在低碳钢中还有以下作用。 ◆ 含碳量 0.05%钢，空冷或炉冷后有降低晶粒边界渗碳体薄膜形成的趋势。 ◆ 可稍减小铁素体晶粒尺寸。 ◆ 可产生大量而细小的珠光体颗粒。 前两种作用说明 NDT 温度随着锰量的增加而降低，后两种作用会引起夏比 曲线峰值更尖。 钢含碳量较高时，锰能显著降低约 50%转变温度。其原因可能是因珠光体 量多，而不是渗碳体在边界的分布。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影响起到了决定性作用。因为钢的高淬透性引起奥 氏体转变成脆性的上贝氏体，而不是铁素体或珠光体。 2 ）镍 加入钢中的作用似锰，可改善铁-碳合金韧性。其作用大小取决于含碳量和 热处理。在含碳量（约 0.02% ）很低的钢中，加入量达到2%就能防止热轧态和 正火钢晶界渗碳体