金属材料在低温下呈现的冷脆性

来源:实用热处理手册作者:杨满

  随着温度的降低,大多数钢材的强度有所增加,而韧性下降。金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。材料由延性破坏转变到脆性破坏的上限温度称为韧脆转变温度。为防止发生低温脆性破坏,钢材的最低允许工作温度就应高于韧脆转变温度的上限。

  值得一提的是,具有面心立方晶格结构的奥氏体不会发生低温脆性,因为温度降低时奥氏体会向铁素体转化,进而生成铁素体和渗碳体分层分布而成的珠光体,而体心立方晶格的铁素体会发生低温脆性。

  钢材中磷含量的增加会显著增加钢材的冷脆性。

  高锰钢材料的冷脆性很严重,在冬季,特别东北地区,因为高锰钢的 冷脆性的存在,高锰钢系列的衬板、锤头等零件更易断裂。

  冷脆性金属材料在低温下呈现的冲击值明显降低的现象。大多是含磷元素高引起,象当年泰坦尼克号沉船事件,后来有人分析是制船钢板冷脆性引起的。 另外碳也能增加钢的冷脆性和时效敏感性,使铁的可塑性和抗冲击性降低。

  钢的低温冷脆是自然规律,是无法彻底消除的,但可以降低,一般说来,降低钢中的磷含量是降低钢的冷脆性的有效方法。

  低温冷脆性是指钢在低温状态下由韧性转化为脆性进而发生破坏的现象。影响低温脆性的因素很多,它不仅取决于晶格类型,还受材料的成分、组织等因素的影响.分别讨论材料成分、晶粒尺寸、显微组织对低温脆性转变温度的影响。可以从两个方面来解释:宏观上材料的断裂强度与屈服强度与温度有关系,对称度低的金属这个特点就更明显,一般是材料的断裂强度随温度的降低而减小,屈服强度会增加。这两个函数在脆韧转变温度处相交,在这个温度以下材料的屈服强度比断裂强度大,因此材料在受力时还未发生屈服便断裂了,材料显示脆性。

  从微观机制来看低温脆性与位错在晶体点阵中运动的阻力有关,阻力增大,则材料屈服强度也相应增加,因为材料在塑性变形时主要依靠位错运动来完成的。对对称性低的金属,合金而言,温度降低位错运动的点阵阻力增加,原子热激活能力下降。因此材料屈服强度增加。

  影响材料脆韧转变的因素有:

  1.晶体结构,对称性低的体心立方以及密排六方金属,合金转变温度高,材料脆性断裂趋势明显,塑性差;

  2.化学成分,能够使材料硬度,强度提高的杂质或者合金元素都会引起材料塑性和韧性变差,材料脆性提高;

  3.显微组织,显微组织包含以下几个方面的影响:晶粒大小,细化晶粒可以同时提高材料的强度和塑性,韧性。细化晶粒提高材料韧性原因为,细化晶粒可以使基体变形更加均匀,晶界增多可以有效的阻止裂纹的扩张,因塑性变形引起的位错的塞积因晶界面积很大也不会很大,可以防止裂纹的产生;

  4.温度的影响:温度影响晶体中存在的杂质原子的热激活扩散过程,定扎位错原子气团的形成会使得材料塑性变差。

  5.加载速度的影响:提高加载速度如同降低材料的温度,使得材料塑性变差,脆化温度升高。

  6.试样形状以及尺寸的影响。