第三章 低溫脆性

1、第三節(jié)第三節(jié) 低溫脆性低溫脆性n一、低溫脆性現(xiàn)象一、低溫脆性現(xiàn)象n定義：定義：n體心立方體心立方晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及晶體金屬及合金或某些密排六方晶體金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)鋼（鐵其合金，特別是工程上常用的中、低強度結(jié)構(gòu)鋼（鐵素體素體-珠光體鋼），在試驗溫度珠光體鋼），在試驗溫度低于低于某一溫度某一溫度tk時，會時，會由由韌性韌性狀態(tài)變?yōu)闋顟B(tài)變?yōu)榇嘈源嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷狀態(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由裂機理由微孔聚集微孔聚集型變?yōu)樾妥優(yōu)榇┚Ы饫泶┚Ы饫?，斷口特征由，斷口特征由纖維纖維狀變?yōu)闋钭優(yōu)榻Y(jié)晶狀結(jié)晶狀，這就是，這就是低溫脆性低溫脆性。

2、n1912年當年最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克號（年當年最為豪華、號稱永不沉沒的泰坦尼克號（Titanic）首航沉沒）首航沉沒于冰海，成了于冰海，成了20世紀令人難以忘懷的悲慘海難。世紀令人難以忘懷的悲慘海難。 n1985年以后，探險家們數(shù)次深潛到年以后，探險家們數(shù)次深潛到12,612英尺深的海底研究沉船，起出英尺深的海底研究沉船，起出遺物。遺物。1995年年2月美國月美國科學大眾科學大眾（Popular Science）雜志發(fā)表了）雜志發(fā)表了R Gannon 的文章，標題是的文章，標題是What Really Sank The Titanic,付標題是付標題是“為什么為什么不會沉沒的不會沉

3、沒的船在撞上一個冰山后船在撞上一個冰山后3小時就沉沒了？一項新小時就沉沒了？一項新的科學研究回答了的科學研究回答了80年未解之謎年未解之謎“。 n由于早年的由于早年的Titanic 號采用了含號采用了含硫高的鋼板，韌性很差硫高的鋼板，韌性很差，特別是在，特別是在低溫低溫呈脆性呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。n近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。 Titanic號鋼板號鋼板(左圖左圖)和近代船用鋼板和近代船用鋼板(右圖右圖)的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果 n右圖是建造中的右圖是建造中的Titanic 號。號。n

4、Gannon 的文章指出，的文章指出，在水線上下都由在水線上下都由10 張張30 英尺長英尺長的高含硫量的高含硫量脆性鋼板脆性鋼板焊接焊接成成300英英尺的船體。尺的船體。n船體上可見長長的焊船體上可見長長的焊縫。船在冰水中撞擊縫。船在冰水中撞擊冰山而裂開時，脆性冰山而裂開時，脆性的焊縫無異于一條的焊縫無異于一條300英尺長的大拉鏈，使英尺長的大拉鏈，使船體產(chǎn)生很長的船體產(chǎn)生很長的裂紋裂紋，海水大量涌入使船迅海水大量涌入使船迅速沉沒。速沉沒。n這是鋼材韌性與人身這是鋼材韌性與人身安全的一個突出例證。安全的一個突出例證。 建造中的建造中的Titanic 號，可以看到船身上長長號，可以看到船身上長

5、長的焊縫的焊縫n低溫脆性是低溫脆性是材料屈服強材料屈服強度隨著溫度的降低急劇度隨著溫度的降低急劇增加增加的結(jié)果。的結(jié)果。n見右圖，見右圖，屈服屈服點隨著溫點隨著溫度的下降而升高；度的下降而升高；n兩線交點對應的溫度就兩線交點對應的溫度就是是tk。斷裂強度斷裂強度屈服強度屈服強度韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度n在不同溫度下進行沖擊彎曲試驗：在不同溫度下進行沖擊彎曲試驗：n根據(jù)試驗結(jié)果作出沖擊吸收功根據(jù)試驗結(jié)果作出沖擊吸收功-溫度曲線、溫度曲線、n斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線，斷口形貌中各區(qū)所占面積和溫度的關(guān)系曲線，n試樣斷裂后塑性變形量與溫度的關(guān)系曲線

6、等，試樣斷裂后塑性變形量與溫度的關(guān)系曲線等，n根據(jù)這些曲線來求得根據(jù)這些曲線來求得tk。定義：定義：1. 按能量定義按能量定義tk的方法的方法n(1) 當?shù)陀谀骋粶囟龋饘俨漠數(shù)陀谀骋粶囟?，金屬材料吸收的沖擊能量基本不隨料吸收的沖擊能量基本不隨溫度變化，形成一個平臺，溫度變化，形成一個平臺，該能量稱為該能量稱為“低階能低階能”，表，表現(xiàn)脆性斷裂。現(xiàn)脆性斷裂。n(2) 高于某一溫度時，材料吸高于某一溫度時，材料吸收的溫度基本不變，出現(xiàn)一收的溫度基本不變，出現(xiàn)一個上平臺，稱為個上平臺，稱為“高階能高階能”，表現(xiàn)為韌性斷裂。表現(xiàn)為韌性斷裂。n(3) 在高階能和低階能之間，在高階能和低階能之間，存在一

7、個很陡的過渡區(qū)，該存在一個很陡的過渡區(qū)，該區(qū)沖擊功變化較大，區(qū)沖擊功變化較大，n(4)以低階能和高階能平均值以低階能和高階能平均值對應的溫度定義對應的溫度定義tk，記為，記為FTE（Fracture Transition Elastic）。）。2. 按斷口形貌定義按斷口形貌定義tk的方法的方法n沖擊試樣沖斷后，斷口形貌見下圖：沖擊試樣沖斷后，斷口形貌見下圖：試驗表明，在不同試驗溫度下，試驗表明，在不同試驗溫度下，纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇纖維區(qū)、放射區(qū)與剪切唇三者三者之間的相對面積（或線尺寸）之間的相對面積（或線尺寸）是不同的。是不同的。溫度下降，溫度下降，纖維纖維區(qū)面積突然減區(qū)面積突然減少，少，

8、結(jié)晶結(jié)晶區(qū)面積突然增加，材區(qū)面積突然增加，材料由料由韌變脆韌變脆。通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積的面積的50%時的溫度為時的溫度為tk，記，記為為50%FATT或或FATT50、t50。裂紋擴展速率的變化：裂紋擴展速率的變化： 低低-高高-低低形成機理形成機理n韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度tk可用于抗脆斷設計、保證機件可用于抗脆斷設計、保證機件服役安全，但服役安全，但不能不能直接用來設計計算機件的直接用來設計計算機件的承載能力或截面尺寸。承載能力或截面尺寸。n機件的最低使用溫度必須高于機件的最低使用溫度必須高于tk，兩者相差越，兩者相差越大越安全，所以選用的材料應該具有一

9、定的大越安全，所以選用的材料應該具有一定的韌性溫度儲備，也就是說具有一定的韌性溫度儲備，也就是說具有一定的值，值，=t0-tk。n同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素的同一材料，使用同一定義方法，由于外界因素的變化（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等），變化（如試樣尺寸、缺口尖銳度和加載速率等），tk也要變化。也要變化。n所以在一定條件下用試樣測得的所以在一定條件下用試樣測得的tk，由于和實際，由于和實際結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，所以不能說明該材料結(jié)構(gòu)工況之間無直接聯(lián)系，所以不能說明該材料制成的機件一定在該溫度下脆裂。制成的機件一定在該溫度下脆裂。三、落錘試驗和斷裂分析圖三、落錘試驗和斷裂分

10、析圖n50年代初，美國海軍研究所派林尼（年代初，美國海軍研究所派林尼（W. S. Pellini）等人提出了落錘試驗方法，用于測定）等人提出了落錘試驗方法，用于測定全厚全厚鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度鋼板的零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT，以作為評，以作為評定材料的性能標準。定材料的性能標準。落錘試驗機示意圖落錘試驗機示意圖n落錘試驗機由垂直導軌落錘試驗機由垂直導軌（支持重錘）、能自由下（支持重錘）、能自由下落的重錘和砧座等組成，落的重錘和砧座等組成，見右圖。見右圖。n重錘錘頭是一個半徑為重錘錘頭是一個半徑為25mm的鋼制圓柱，硬度的鋼制圓柱，硬度不小于不小于50HRC。n重錘可升到不同高度，以重錘可升到不同高度

11、，以獲得獲得340-1650J的能量。的能量。n砧座上除了兩端的支承塊砧座上除了兩端的支承塊外，中心部分還有一個撓外，中心部分還有一個撓度終止塊，以限制試樣產(chǎn)度終止塊，以限制試樣產(chǎn)生過大的塑性變形。生過大的塑性變形。落錘試驗機實物圖落錘試驗機實物圖nTLC-300落錘沖擊試驗機適用于落錘沖擊試驗機適用于熱塑性塑料管材、管件和硬質(zhì)塑熱塑性塑料管材、管件和硬質(zhì)塑料板材的耐沖擊試驗。料板材的耐沖擊試驗。n最大沖擊能量最大沖擊能量 300Jn最大沖擊高度最大沖擊高度 2m n標尺誤差標尺誤差 n落錘組合質(zhì)量落錘組合質(zhì)量 最大組合質(zhì)量最大組合質(zhì)量15KG 0.1%n沖頭規(guī)格：沖頭規(guī)格： A R=10mm

12、nB R=20mnC R= 5mmnBB R=30mmn沖擊中心與夾具中心偏差不大于沖擊中心與夾具中心偏差不大于2mmn電動提升機構(gòu)電動提升機構(gòu) 最大提升力最大提升力20kgfn牽引電磁鐵最大吸力不小于牽引電磁鐵最大吸力不小于20kgfn管材管材V型托板型托板 20030025mm3n試樣尺寸試樣尺寸 直徑直徑20-400mm TLC-300落錘沖擊試驗機落錘沖擊試驗機n試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使有焊試樣冷卻到一定溫度后放在砧座上，使有焊肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘肉的軋制面向下處于受拉側(cè)，然后落下重錘進行打擊。隨著試樣溫度的下降，其力學行進行打擊。隨著試樣溫度的下降，其力學

13、行為發(fā)生如下變化：為發(fā)生如下變化：n沒有出現(xiàn)裂紋沒有出現(xiàn)裂紋拉伸側(cè)表面形成裂紋，但未拉伸側(cè)表面形成裂紋，但未發(fā)展到邊緣發(fā)展到邊緣拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊拉伸側(cè)表面裂紋發(fā)展到一側(cè)邊或兩側(cè)邊或兩側(cè)邊試樣斷成兩部分。試樣斷成兩部分。零塑性轉(zhuǎn)變溫度零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT已成為低強度鋼構(gòu)件防止脆已成為低強度鋼構(gòu)件防止脆性斷裂設計根據(jù)的一部分，例如：性斷裂設計根據(jù)的一部分，例如：n(1) NDT設計標準設計標準n(2) NDT+33設計標準設計標準n(3) NDT+67設計標準設計標準落錘試驗的缺點：落錘試驗的缺點：n(1) 不能定量評定脆性斷裂不能定量評定脆性斷裂n(2) 未考慮板厚的影響未考慮板厚的影

14、響n通過落錘試驗所得通過落錘試驗所得NDT可以建立斷裂分析圖（可以建立斷裂分析圖（FAD，F(xiàn)racture Analysis Diagram），表示許用應力、缺陷），表示許用應力、缺陷（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線，見下圖：（裂紋）和溫度之間的關(guān)系曲線，見下圖：CAT斷裂分析圖的優(yōu)點：斷裂分析圖的優(yōu)點：n(1) 為低強度鋼構(gòu)件防止脆斷設計和選材提供了一個為低強度鋼構(gòu)件防止脆斷設計和選材提供了一個有效方法；有效方法；n(2) 可用來分析脆性斷裂事故，幫助積累防止脆性斷可用來分析脆性斷裂事故，幫助積累防止脆性斷裂的有關(guān)經(jīng)驗。裂的有關(guān)經(jīng)驗。斷裂分析圖的缺點：斷裂分析圖的缺點：n未考慮加載速率和板厚的影

15、響未考慮加載速率和板厚的影響第四節(jié)第四節(jié) 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金因素n一、晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)n 二、化學成分二、化學成分n 三、顯微組織三、顯微組織二、化學成分二、化學成分n間隙溶質(zhì)元素溶入間隙溶質(zhì)元素溶入鐵素體基體中，偏鐵素體基體中，偏聚于位錯線附近，聚于位錯線附近，阻礙位錯運動，導阻礙位錯運動，導致屈服強度的升高，致屈服強度的升高，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高。升高。解釋原因？解釋原因？三、顯微組織三、顯微組織n（一）晶粒大?。ㄒ唬┚Я４笮細化晶?？墒共牧霞毣Я？墒共牧系捻g性增加的韌性增加細化晶粒提高韌性的原因：細化晶粒提高韌性的原因：n(1) 晶界

16、是裂紋擴展的阻力；晶界是裂紋擴展的阻力；n(2) 晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應力集中；力集中；n(3) 晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，晶界總面積增加，使晶界上雜質(zhì)濃度減小，避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。避免了產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。（二）金相組織（二）金相組織n1、較低強度水平時（如高溫回火），強度相同而組、較低強度水平時（如高溫回火），強度相同而組織不同的鋼，其沖擊吸收功織不同的鋼，其沖擊吸收功Ak與與tk以以馬氏體高溫回火馬氏體高溫回火（回火索氏體）最佳，（回火索氏體）最佳，貝氏體貝氏體回火組織次之，回火組織次之，片狀珠片狀珠光體光體組織最差。組織最

17、差。n球化處理可改善鋼的韌性。球化處理可改善鋼的韌性。n2、在較高強度水平時，如中、高碳鋼在較低等、在較高強度水平時，如中、高碳鋼在較低等溫溫度下獲得溫溫度下獲得下貝氏體下貝氏體組織，則組織，則Ak與與tk優(yōu)于同強優(yōu)于同強度的度的淬火回火淬火回火組織。組織。n3、相同強度水平下，典型上貝氏體的、相同強度水平下，典型上貝氏體的tk優(yōu)于下貝優(yōu)于下貝氏體。氏體。n4、在某些馬氏體鋼中存在奧氏體，可以抑制解、在某些馬氏體鋼中存在奧氏體，可以抑制解理斷裂。理斷裂。n5、鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆、鋼中夾雜物、碳化物等第二相質(zhì)點對鋼的脆性有重要影響，無論第二相位于晶界還是獨立于性有重要影響，無

18、論第二相位于晶界還是獨立于基體中，當尺寸增大時材料韌性下降，基體中，當尺寸增大時材料韌性下降，tk升高。升高。1. 硬度指什么？測定灰鑄鐵硬度時常用什么實驗方法？硬度指什么？測定灰鑄鐵硬度時常用什么實驗方法？ 而鑒別鋼中的隱晶馬氏體與殘留奧氏體常用什么硬度而鑒別鋼中的隱晶馬氏體與殘留奧氏體常用什么硬度 試驗方法？現(xiàn)場測定龍門刨床導軌硬度時常用什么硬試驗方法？現(xiàn)場測定龍門刨床導軌硬度時常用什么硬 度試驗方法？度試驗方法？ 第二、三章第二、三章 習題習題2. 缺口試樣拉伸時存在哪兩種效應？缺口試樣拉伸時存在哪兩種效應？NSR代表材料的缺代表材料的缺 口敏感度，口敏感度，NSR越大，缺口敏感性如何變化？越大，缺口敏感性如何變化？ 3. 應力狀態(tài)軟性系數(shù)應力狀態(tài)軟性系數(shù)是指什么？不同試驗方法加載方是指什么？不同試驗方法加載方式也不同，值相差較大。式也不同，值相差較大。值越大，表示試樣中最大值越大，表示試樣中最大（切應力、正應力）分量越大，材料應力狀態(tài)越（軟、（切應力、正應力）分量越大，材料應力狀態(tài)越（軟、硬），對于陶瓷等脆性材料通常（采取、不采?。┯玻?，對于陶瓷等脆性材料通常（采取、不采?。﹩蜗蜢o拉伸試驗方法。單向靜拉伸試驗方法。4. 圖圖3.5為為s和和c隨溫度變化的示意圖，兩條曲線相交的隨溫度變化的示意圖，兩條曲