低温脆性.doc

低温脆性中、低合金结构钢的低温脆性及选材低温脆性指温度低于某一温度时,材料由韧性状态变为脆性状态,冲击值明显下降的现象。工程上常用的中、低强度结构钢经常发生此类现象。我国东北许多矿山上用的进口大型机械，在冬季就有低温脆性引起的大梁、车架等断裂现象，另外，日本汽车在东北冬季也出现过车架低温脆断问题。1935年比利时在Albert运河上建造了大约50座焊接大桥，这些桥梁在以后几年中不断发生脆性断裂事故：38年3月Albert河上Hasseld桥全长74.5米在气温-20时发生脆性断裂，整个桥断成三段坠入河中；以后又陆续发生断裂事故，到1950年就有6座在低温下发生脆断。在二战期间，美国焊接的轮船在使用中发生大量的破坏断裂事故，其中238艘完全报废，19艘沉没。值得注意的是，大部分脆断是在气温较低的情况下发生的。当时美国船舶技术标准中没有对船舶用钢的低温脆性和缺口敏感性提出要求。人们没有认识到此问题的重要性。这些是我们在设计、制造高原车需要注意的问题。1 低温脆性产生的原因：金属材料在不同温度、应力状态、加载速度和环境的作用下，断裂形式各不相同。在工程实际使用的钢材中，脆性断裂的微裂纹形成机理是个非常复杂的问题，目前许多文献发表了这方面的研究成果，主要认为：1.1. 钢中的第二相颗粒(夹杂物、碳化物)对钢的脆性裂纹形成影响很大。脆性微裂纹可以有碳化物本身破碎开始，也可起源于硫化锰夹杂物处。另外，第二相颗粒的大小对裂纹成核也有一定的影响，小的颗粒不易引起裂纹的产生。1.2. 低温脆性可起源于晶界。晶界裂纹形成除了晶界上碳化物影响之外，微量有害元素偏析于晶界引起晶界脆化也是个重要因素，磷、硫、锑等元素及溶解的氧、氢、氮等气体在晶界偏析，大幅度降低了晶界脆性断裂抗力，提高了脆性转变温度。1.3. 应力及位错理论：主要观点认为金属中脆性断裂可起源于：金属晶格中的滑移面阻塞处、机械孪晶的交叉处、应力集中处以及前述的晶界处等。2影响低温脆性的因素：影响钢的低温脆性的因素很多,几乎方方面面,主要的因素如下：2.1.合金元素：合金元素对钢的脆性有一定影响，添加合金元素可使金属基体固溶强化，对防止低温脆性可能起一定作用。钢中添加锰、镍可使脆性转变温度显著降低；碳含量增加时脆性转变温度升高；磷、铜、硅、钼等使脆性转变温度升高；矾、钛在最初使脆性转变温度升高，到达一含量后使脆性转变温度显著降低。因此，材料工程上用降碳加锰、镍元素来设计低温用钢。2.2.冶金工艺对低温脆性有影响：冶金因素直接影响到钢中的夹杂物、气体含量以及钢的晶粒度。这些对钢的脆性及转变温度影响较大。试验表明，Si-Al镇静钢比半镇静钢、沸腾钢脆性转变温度低得多。这是因为Si-Al镇静钢脱氧完全，钢中氢、氮含量低，夹杂物少，残留铝能细化晶粒。2.2.热处理的影响：显微组织对钢的韧性和脆性转变温度有较大影响，一般情况下，热处理能改善钢的脆性倾向。对16MnCu来讲，4070mm厚板在热轧状态时无朔性转变温度为10，而经过910正火后，无塑性转变温度下降到3040。金相观察表明：该钢热轧状态时晶粒度为56级，铁素体+珠光体中组织不均匀性大；而正火处理后晶粒细化，组织均匀，改善了钢的低温脆性。2.3.焊接的影响：焊接过程中多数缺陷是产生在焊缝金属和热影响区，在热影响区又存在较大的焊接残余应力区。缺陷是否会引起开裂将取决于缺陷尖端附近区域的材料韧性，而其材料韧性又取决于钢材显微组织、化学成分、焊接工艺和规范，为了防止熔融的金属在刚刚凝固时发生热裂或冷到200以下发生冷裂，主要对钢的S、P含量加以限制，焊接用钢的S、P含量一般在0.05%以下（个别含P合金钢除外）。在焊接过程中原始焊条成分、药皮、和焊剂种类、焊接工艺都会影响焊接区韧性。2.4.加工硬化的影响：有些零件在制造过程中需要冷弯、剪切和冷加工等，会产生局部塑性变形，出现应变时效而导致变脆。研究结果证实,06MnNb钢板（20mm厚）经正火处理，当冷变形为23%时，脆性转化温度上升约1015。2.5.应力集中及缺口效应：结构件的横截面突然改变、结构中存在机械缺口、表面或内部缺陷，如：裂纹、夹渣、气孔、尖角等，都会引起应力应变的局部集中，有利于裂纹的萌生及扩展，特别是尖锐裂纹尖端会产生很大的应力集中，加速裂纹扩展而突然脆断。另外，钢板的厚度、使用环境的温度等也对低温脆性产生影响，在此，不再一一叙述。3.鉴于上述原因及影响因素，为防止高原冬季出现低温脆断现象,我们在设计、制造及加工高原车过程中，需要做到：3.1. 选择抗低温脆性较好的材料：这些材料主要以低合金钢为主，有06MnNb、09Mn2V、09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、12MnV、16Mn、16MnCu、16MnRE、15MnV、15MnTi、16MnNb、15MnVN、14MnVTiRe等。广泛应用于船舶、锅炉、压力容器、桥梁、机械等行业。其中：3.1.1. 16Mn,是我国解放初期设计并投入使用的第一批低合金钢种，属于35kg/mm2级，目前，是普通低合金钢中生产量及使用量最大的钢号。16Mn可在大、中、小平炉及转炉中冶炼，生产工艺简单，综合机械、可焊性、加工性能良好，时效脆化敏感性不高和低温性能较好，一般在热轧状态下使用，使用温度在40150范围内。缺点是：强度较低；热轧后一般不正火，组织波动大，冶炼方法多，化学成分范围宽，室温冲击韧性会出现大幅度的下降和上下波动，使钢从韧性状态转化为脆性状态，出现脆性转化温度升高现象。16MnRE主要机械性能与16Mn相近，由于加入稀土元素，冲击韧性和弯曲性能有显著提高，在船舶制造中大量使用。16MnCu含铜，耐大气腐蚀，为耐气候用钢。3.1.2. 15MnV、15MnTi、16MnNb都属于40kg/mm2级钢，在热轧状态下塑性及冲击韧性易出现剧烈降低，常采用正火处理。3.1.3. 15MnVN、14MnVTiRe属于45kg/mm2级钢，正火后综合性能良好。正火状态下冲击值k14-17 kg .M/mm2 , -40时k14-17 kg .M/mm2 常用低合金钢机械性能一览表 钢 号板 厚16mm机 械 性 能交货状态skg/mm2bkg/mm2%冲击aK J/cm2 d=a(板厚)室温-4009MnV09MnNb32422362热轧09Mn2212Mn30452162热轧12MnV216Mn3552216302热轧15MnTi4054197216MnRE215MnV4054186215MnVN6402正火14MnVTiRe4556186402正火06MnNb703.52正火09Mn2V304521703.52正火3.1.4. 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、12MnV为低强度合金钢，一般在热轧状态使用。3.1.5. 06MnNb、09Mn2V为低温用钢，可适用于7090低温；即使在热轧状态，80，冲击韧性仍大于5kg.m/cm2；若正火处理，甚至在100，冲击值仍保持812kg.m/cm2。 3.1.6 通过以上分析，结合我们国家的气候情况最低温度大约为-40左右，本着经济实用的原则，建议我公司可选材料为16Mn、16MnRE。这两种材料都要选用E型材料，这样可以保证冶金精度，使材料在较低的温度下具有较高的抗脆断能力。16MnRE因为加入了一点稀土元素，材料成本可能会高一点，但其冲击韧性和冷弯性能要比16Mn好。3.2.做好原料检验: 为了保证我们所购的钢材质量,除了化学成分检查外,还应增加对塑性、冲击韧性、金相组织、夹杂物的检查，做到心中有数，发现问题，及时解决。3.3.用热处理方法，可改善钢的金相组织、减少气体含量、消除焊接残余应力，提高塑性及冲击韧性，降低脆性转化温度。3.4.重视焊接工艺及质量控制:由于低温脆性主要出现于焊接结构,而焊接过程会出现脆化倾向：焊接接头区冶金组织变化引起韧性降低、焊接热循环过程中塑性应变引起热应力脆化；另外，焊接缺陷是难以避