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金屬鋼材的冷脆現像

冷脆,即低溫脆性,指某些金屬或合金在低于再結晶溫度或低溫(一般為100~-100℃)時,沖擊韌性急劇下降的現象。有時也指含磷量較高的鋼在冷作加工過程中所發生的脆性現象。

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重,低溫脆性發生的溫度,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,晶界上有磷共品析出,可發生冷脆。斷口呈白色。

簡介

冷脆與材料的韌性和脆性聯系緊密。高韌性的材料不容易發生冷脆,反之就容易發生。在溫度低于一個特定溫度的時候,材料的吸收的沖擊功會突然減小,從韌性轉變為脆性,這一溫度即為冷脆轉變溫度。實驗上一般用沖擊試驗來確定這一溫度。

材料的晶體結構,基體相組織結構,溫度,引入新元素,相的大小及夾雜物等都會影響冷脆轉變溫度。磷在純鐵中有相當大的溶解度。磷能提高鋼的強度,但使其塑性和韌性降低,特別是它使鋼的脆性轉變溫度急劇升高,即提高了鋼的冷脆(低溫脆性)。

金屬的冷脆現象

有些金屬材料,如工程上用的中低強度鋼,當溫度降低到某一程度時,會出現沖擊吸收能量明顯下降并引起脆性破壞的現象,稱為冷脆。歷史上曾經發生過多次由于低溫脆性造成的壓力容器、船舶、橋梁等大型鋼結構脆斷的事故,造成巨大損失,如著名的泰坦尼克冰海沉船事故,美國二戰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。

通過測定材料在不同溫度下的沖擊吸收能量,就可測出某種材料沖擊吸收能量與溫度的關系曲線,如下圖所示。
擊吸收能量與溫度的關系擊吸收能量與溫度的關系

沖擊吸收能量隨溫度降低而減小,在某個溫度區間沖擊吸收能量發生急劇下降,試樣斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口,這個溫度區間就稱為韌脆轉變溫度范圍。

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、低強度結構鋼(鐵素體一珠光體鋼)有明顯的冷脆現象。而面心立方金屬及其合金一般沒有低溫脆性現象,但有實驗證明,在20—42K的極低溫度下,奧氏體鋼及鋁合金也有冷脆性。高強度的體心立方合金(如高強度鋼及高強度銅)在很寬溫度范圍內,沖擊吸收能量均較低,故韌脆轉變不明顯,如下圖所示。
三種不同冷脆材料三種不同冷脆材料

韌脆轉變溫度越低,金屬材料的低溫沖擊韌性就越好。在嚴寒地區使用的金屬材料必須有較低的韌脆轉變溫度,才能保證正常工作,如高緯度地區使用的輸油管道、極地考察船等建造用鋼的韌脆轉變溫度應在-50℃以下。

金屬韌脆轉變溫度的測定

韌脆轉變溫度一般使用標準夏比V型缺口沖擊試驗測定,試驗原理與常溫沖擊試驗相同,只是要增設一個試樣冷卻裝置,如低溫恒溫箱,也可使用廣口保溫瓶等,如下圖所示。

簡易低溫沖擊制冷器示意圖簡易低溫沖擊制冷器示意圖

冷卻介質由致冷劑和調溫劑組成,應無毒、安全和不腐蝕金屬。當使用液體介質冷卻試樣時,試樣應放置于一容器中的網柵上,網柵至少高于容器底部25 mm,液體浸過試樣的高度至少25 mm,試樣距容器側壁至少10mm,并應連續均勻攪拌介質以使溫度均勻。當使用氣體介質冷卻試樣時,試樣距低溫裝置內表面或試樣與試樣之間應保持足夠的距離,試樣應在規定溫度下保持至少20min。

低溫沖擊試驗大多數是人工操作。實踐表明,如試樣從低溫箱中取出到沖斷的整個時間少于2s,則試樣的溫度變化不大,冷卻介質的溫度一般不留附加過冷溫度。若試樣從取出到沖斷的時間大于5 s,則試樣溫度回升較多。因此,冷卻介質的溫度就應為規定冷卻溫度加上相應的過冷溫度。所需過冷溫度應預先通過試驗確定,當使用標準試樣,室溫為(20±5)℃時,可參考下圖給出的過冷溫度。
過冷溫度范圍過冷溫度范圍

每個試驗溫度一般用三支試樣,試驗溫度的間隔和試驗點應保證繪出完整、明確的曲線。根據不同溫度下的沖擊試驗結果,以沖擊吸收能量或脆性斷面(放射區)率為縱坐標,以試驗溫度為橫坐標繪制曲線,確定韌脆轉變溫度,如下圖所示。

測定金屬韌脆轉變溫度幾種方法測定金屬韌脆轉變溫度幾種方法


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