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金属钢材的冷脆现像

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冷脆,即低温脆性,指某些金属或合金在低于再结晶温度或低温(一般为100~-100℃)时,冲击韧性急剧下降的现象。有时也指含磷量较高的钢在冷作加工过程中所发生的脆性现象。
低温脆性在体心立方晶体、六方晶体及三方晶体的金属及合金中较为严重,低温脆性发生的温度,即使是同一金属也是不固定的。黑心可锻铸铁在含磷、硫量高或退火温度在550℃以下缓冷时,晶界上有磷共品析出,可发生冷脆。断口呈白色。

简介

冷脆与材料的韧性和脆性联系紧密。高韧性的材料不容易发生冷脆,反之就容易发生。在温度低于一个特定温度的时候,材料的吸收的冲击功会突然减小,从韧性转变为脆性,这一温度即为冷脆转变温度。实验上一般用冲击试验来确定这一温度。
材料的晶体结构,基体相组织结构,温度,引入新元素,相的大小及夹杂物等都会影响冷脆转变温度。磷在纯铁中有相当大的溶解度。磷能提高钢的强度,但使其塑性和韧性降低,特别是它使钢的脆性转变温度急剧升高,即提高了钢的冷脆(低温脆性)。

金属的冷脆现象

有些金属材料,如工程上用的中低强度钢,当温度降低到某一程度时,会出现冲击吸收能量明显下降并引起脆性破坏的现象,称为冷脆。历史上曾经发生过多次由于低温脆性造成的压力容器、船舶、桥梁等大型钢结构脆断的事故,造成巨大损失,如著名的泰坦尼克冰海沉船事故,美国二战期间建造的焊接油轮“Victory”断裂事故,西伯利亚铁路断轨事故等。
通过测定材料在不同温度下的冲击吸收能量,就可测出某种材料冲击吸收能量与温度的关系曲线,如下图所示。
击吸收能量与温度的关系击吸收能量与温度的关系
冲击吸收能量随温度降低而减小,在某个温度区间冲击吸收能量发生急剧下降,试样断口由韧性断口过渡为脆性断口,这个温度区间就称为韧脆转变温度范围。
体心立方晶格金属及其合金或某些密排六方晶格金属及其合金,特别是工程上常用的中、低强度结构钢(铁素体一珠光体钢)有明显的冷脆现象。而面心立方金属及其合金一般没有低温脆性现象,但有实验证明,在20—42K的极低温度下,奥氏体钢及铝合金也有冷脆性。高强度的体心立方合金(如高强度钢及高强度铜)在很宽温度范围内,冲击吸收能量均较低,故韧脆转变不明显,如下图所示。
三种不同冷脆材料三种不同冷脆材料
韧脆转变温度越低,金属材料的低温冲击韧性就越好。在严寒地区使用的金属材料必须有较低的韧脆转变温度,才能保证正常工作,如高纬度地区使用的输油管道、极地考察船等建造用钢的韧脆转变温度应在-50℃以下。

金属韧脆转变温度的测定

韧脆转变温度一般使用标准夏比V型缺口冲击试验测定,试验原理与常温冲击试验相同,只是要增设一个试样冷却装置,如低温恒温箱,也可使用广口保温瓶等,如下图所示。
简易低温冲击制冷器示意图简易低温冲击制冷器示意图
冷却介质由致冷剂和调温剂组成,应无毒、安全和不腐蚀金属。当使用液体介质冷却试样时,试样应放置于一容器中的网栅上,网栅至少高于容器底部25 mm,液体浸过试样的高度至少25 mm,试样距容器侧壁至少10mm,并应连续均匀搅拌介质以使温度均匀。当使用气体介质冷却试样时,试样距低温装置内表面或试样与试样之间应保持足够的距离,试样应在规定温度下保持至少20min。
低温冲击试验大多数是人工操作。实践表明,如试样从低温箱中取出到冲断的整个时间少于2s,则试样的温度变化不大,冷却介质的温度一般不留附加过冷温度。若试样从取出到冲断的时间大于5 s,则试样温度回升较多。因此,冷却介质的温度就应为规定冷却温度加上相应的过冷温度。所需过冷温度应预先通过试验确定,当使用标准试样,室温为(20±5)℃时,可参考下图给出的过冷温度。
过冷温度范围过冷温度范围
每个试验温度一般用三支试样,试验温度的间隔和试验点应保证绘出完整、明确的曲线。根据不同温度下的冲击试验结果,以冲击吸收能量或脆性断面(放射区)率为纵坐标,以试验温度为横坐标绘制曲线,确定韧脆转变温度,如下图所示。
测定金属韧脆转变温度几种方法测定金属韧脆转变温度几种方法

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