第三章 低温脆性

第三节低温脆性,一、低温脆性现象定义：体心立方晶体金属及合金或某些密排六方晶体金属及其合金，特别是工程上常用的中、低强度结构钢（铁素体-珠光体钢），在试验温度低于某一温度tk时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。,1912年当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号（Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国科学大众（PopularScience）杂志发表了RGannon的文章，标题是WhatReallySankTheTitanic,付标题是“为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜“。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果,右图是建造中的Titanic号。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。,建造中的Titanic号，可以看到船身上长长的焊缝,低温脆性是材料屈服强度随着温度的降低急剧增加的结果。见右图，屈服点随着温度的下降而升高；两线交点对应的温度就是tk。,二、韧脆转变温度,在不同温度下进行冲击弯曲试验：根据试验结果作出冲击吸收功-温度曲线、断口形貌中各区所占面积和温度的关系曲线，试样断裂后塑性变形量与温度的关系曲线等，根据这些曲线来求得tk。,定义：,1.按能量定义tk的方法,(1)当低于某一温度，金属材料吸收的冲击能量基本不随温度变化，形成一个平台，该能量称为“低阶能”，表现脆性断裂。(2)高于某一温度时，材料吸收的温度基本不变，出现一个上平台，称为“高阶能”，表现为韧性断裂。(3)在高阶能和低阶能之间，存在一个很陡的过渡区，该区冲击功变化较大，(4)以低阶能和高阶能平均值对应的温度定义tk，记为FTE（FractureTransitionElastic）。,2.按断口形貌定义tk的方法,冲击试样冲断后，断口形貌见下图：,试验表明，在不同试验温度下，纤维区、放射区与剪切唇三者之间的相对面积（或线尺寸）是不同的。温度下降，纤维区面积突然减少，结晶区面积突然增加，材料由韧变脆。通常取结晶区面积占整个断口面积的50%时的温度为tk，记为50%FATT或FATT50、t50。,裂纹扩展速率的变化：低-高-低,形成机理,韧脆转变温度tk可用于抗脆断设计、保证机件服役安全，但不能直接用来设计计算机件的承载能力或截面尺寸。机件的最低使用温度必须高于tk，两者相差越大越安全，所以选用的材料应该具有一定的韧性温度储备，也就是说具有一定的值，=t0-tk。,同一材料，使用同一定义方法，由于外界因素的变化（如试样尺寸、缺口尖锐度和加载速率等），tk也要变化。所以在一定条件下用试样测得的tk，由于和实际结构工况之间无直接联系，所以不能说明该材料制成的机件一定在该温度下脆裂。,三、落锤试验和断裂分析图,50年代初，美国海军研究所派林尼（W.S.Pellini）等人提出了落锤试验方法，用于测定全厚钢板的零塑性转变温度NDT，以作为评定材料的性能标准。,落锤试验机示意图,落锤试验机由垂直导轨（支持重锤）、能自由下落的重锤和砧座等组成，见右图。重锤锤头是一个半径为25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC。重锤可升到不同高度，以获得340-1650J的能量。砧座上除了两端的支承块外，中心部分还有一个挠度终止块，以限制试样产生过大的塑性变形。,落锤试验机实物图,TLC-300落锤冲击试验机适用于热塑性塑料管材、管件和硬质塑料板材的耐冲击试验。最大冲击能量300J最大冲击高度2m标尺误差落锤组合质量最大组合质量15KG0.1%冲头规格：AR=10mmBR=20mCR=5mmBBR=30mm冲击中心与夹具中心偏差不大于2mm电动提升机构最大提升力20kgf牵引电磁铁最大吸力不小于20kgf管材V型托板20030025mm3试样尺寸直径20-400mm,TLC-300落锤冲击试验机,试样冷却到一定温度后放在砧座上，使有焊肉的轧制面向下处于受拉侧，然后落下重锤进行打击。随着试样温度的下降，其力学行为发生如下变化：没有出现裂纹拉伸侧表面形成裂纹，但未发展到边缘拉伸侧表面裂纹发展到一侧边或两侧边试样断成两部分。,零塑性转变温度NDT已成为低强度钢构件防止脆性断裂设计根据的一部分，例如：,(1)NDT设计标准(2)NDT+33设计标准(3)NDT+67设计标准,落锤试验的缺点：,(1)不能定量评定脆性断裂(2)未考虑板厚的影响,通过落锤试验所得NDT可以建立断裂分析图（FAD，FractureAnalysisDiagram），表示许用应力、缺陷（裂纹）和温度之间的关系曲线，见下图：,CAT,断裂分析图的优点：,(1)为低强度钢构件防止脆断设计和选材提供了一个有效方法；(2)可用来分析脆性断裂事故，帮助积累防止脆性断裂的有关经验。,断裂分析图的缺点：,未考虑加载速率和板厚的影响,第四节影响韧脆转变温度的冶金因素,一、晶体结构二、化学成分三、显微组织,二、化学成分,间隙溶质元素溶入铁素体基体中，偏聚于位错线附近，阻碍位错运动，导致屈服强度的升高，钢的韧脆转变温度升高。,解释原因？,三、显微组织,（一）晶粒大小细化晶粒可使材料的韧性增加,细化晶粒提高韧性的原因：,(1)晶界是裂纹扩展的阻力；(2)晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；(3)晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减小，避免了产生沿晶脆性断裂。,（二）金相组织,1、较低强度水平时（如高温回火），强度相同而组织不同的钢，其冲击吸收功Ak与tk以马氏体高温回火（回火索氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差。球化处理可改善钢的韧性。,2、在较高强度水平时，如中、高碳钢在较低等温温度下获得下贝氏体组织，则Ak与tk优于同强度的淬火回火组织。3、相同强度水平下，典型上贝氏体的tk优于下贝氏体。4、在某些马氏体钢中存在奥氏体，可以抑制解理断裂。5、钢中夹杂物、碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，无论第二相位于晶界还是独立于基体中，当尺寸增大时材料韧性下降，tk升高。,1.硬度指什么？测定灰铸铁硬度时常用什么实验方法？而鉴别钢中的隐晶马氏体与残留奥氏体常用什么硬度试验方法？现场测定龙门刨床导轨硬度时常用什么硬度试验方法？,第二、三章习题,2.缺口试样拉伸时存在哪两种效应？NSR代表材料的缺口敏感度，NSR越大，缺口敏感性如何变化？,3.应力状态软性系数是指什么？不同试验方法加载方式也不同，值相差较大。值越大，表示试样中最大（切应力、正应力）分量越大，材料应力状态越（软、硬），对于陶瓷等脆性材料通常（采取、不采取）单向静拉伸试验方法。,4.图3.5为s和c随温度变化的示意图，两条曲线相交的温度tk称为，低于该