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钢管钢材韧性及断裂原因研究

用于各行业的钢管钢材品种达数千种之多。每种钢管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。

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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的形成,同时实质降低开始转变温度TS,升高夏比冲击曲线峰值。


进一步增加镍含量,改善冲击韧性效果则降低。如果这时含碳量低至正火后无碳化物出现时,镍对转变温度的影响将变得很有限。在含碳约0.10%的正火钢中加入镍,最大的好处是细化晶粒和降低游离氮含量,但其机理目前尚不清楚。可能是由于镍作为奥氏体的稳定剂从而降低了奥氏体分解的温度。


3)磷


在纯净的铁-磷合金中,由于铁素体晶界会发生磷偏析降低了抗拉强度Rm而使晶粒之间脆化。此外,由于磷还是铁素体的稳定剂。所以,加入钢中将大大增加δi值和铁素体晶粒尺寸。这些作用的综合将使磷成为极其有害的脆化剂,发生穿晶断裂。


4)硅


钢中加硅是为了脱氧,同时有益于提高冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝,大部分硅在铁素体中溶解,同时通过固溶化硬化作用提高δi。这种作用与加入硅提高冲击性能综合的结果是,在稳定晶粒尺寸的铁-碳合金中按重量百分比加入硅,使50%转变温度升高约44℃。此外,硅与磷相似,是铁素铁的稳定剂,能促进铁素体晶粒长大。按重量百分数计,硅加入正火钢中将提高平均能量转换温度约60℃。


5)铝


以合金和脱氧剂的作用加入钢中有以下两方面的原因:第一,与溶体中的氮生成AlN,去除游离氮;第二,AlN的形成细化了铁素体晶粒。这两种作用的结果是,每增加0.1%的铝,将使转变温度降低约40℃。然而,当铝的加入量超过了需要,“固化”游离氮的作用将变弱。


6)氧


钢中的氧会在晶界产生偏析导致铁合金晶间断裂。钢中氧含量高至0.01%,断裂就会沿着脆化晶粒的晶界产生的连续通道发生。即使钢中含氧量很低,也会使裂纹在晶界集中成核,然后穿晶扩散。解决氧脆化问题的方法是,可加入脱氧剂碳、锰、硅、铝和锆,使其和氧结合生成氧化物颗粒,而将氧从晶界去除。氧化物颗粒也是延迟铁素体生长和提高d-/2的有利物质。


4.含碳量在0.3%~0.8%的影响


亚共析钢的含碳量在0.3%~0.8%,先共析铁素体是连续相并首先在奥氏体晶界形成。珠光体在奥氏体晶粒内形成,同时占显微组织的35%~100%。此外,还有多种聚集组织在每一个奥氏体晶粒内形成,使珠光体成为多晶体。


由于珠光体强度比先共析铁素体高,所以限制了铁素体的流动,从而使钢的屈服强度和应变硬化率随着珠光体含碳量的增加而增加。限制作用随硬化块数量增加,珠光体对先共析晶粒尺寸的细化而增强。


钢中有大量珠光体时,形变过程中会在低温和/或高应变率时形成微型解理裂纹。虽然也有某些内部聚集组织断面,但断裂通道最初还是沿着解理面穿行。所以,在铁素体片之间、相邻聚集组织中的铁素体晶粒内有某些择优取向。

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