金屬鋼材的冷脆現(xiàn)像

作者：山東宏鉅天成鋼管有限公司來源：http://www.belns.cn 日期：2020/12/11 9:48:59

冷脆，即低溫脆性，指某些金屬或合金在低于再結(jié)晶溫度或低溫(一般為100~-100℃)時(shí)，沖擊韌性急劇下降的現(xiàn)象。有時(shí)也指含磷量較高的鋼在冷作加工過程中所發(fā)生的脆性現(xiàn)象。

低溫脆性在體心立方晶體、六方晶體及三方晶體的金屬及合金中較為嚴(yán)重，低溫脆性發(fā)生的溫度，即使是同一金屬也是不固定的。黑心可鍛鑄鐵在含磷、硫量高或退火溫度在550℃以下緩冷時(shí)，晶界上有磷共品析出，可發(fā)生冷脆。斷口呈白色。

簡介

冷脆與材料的韌性和脆性聯(lián)系緊密。高韌性的材料不容易發(fā)生冷脆，反之就容易發(fā)生。在溫度低于一個(gè)特定溫度的時(shí)候，材料的吸收的沖擊功會(huì)突然減小，從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕@一溫度即為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)上一般用沖擊試驗(yàn)來確定這一溫度。

材料的晶體結(jié)構(gòu)，基體相組織結(jié)構(gòu)，溫度，引入新元素，相的大小及夾雜物等都會(huì)影響冷脆轉(zhuǎn)變溫度。磷在純鐵中有相當(dāng)大的溶解度。磷能提高鋼的強(qiáng)度，但使其塑性和韌性降低，特別是它使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度急劇升高，即提高了鋼的冷脆（低溫脆性）。

金屬的冷脆現(xiàn)象

有些金屬材料，如工程上用的中低強(qiáng)度鋼，當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)沖擊吸收能量明顯下降并引起脆性破壞的現(xiàn)象，稱為冷脆。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次由于低溫脆性造成的壓力容器、船舶、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)脆斷的事故，造成巨大損失，如著名的泰坦尼克冰海沉船事故，美國二戰(zhàn)期間建造的焊接油輪“Victory”斷裂事故，西伯利亞鐵路斷軌事故等。

通過測定材料在不同溫度下的沖擊吸收能量，就可測出某種材料沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系曲線，如下圖所示。

擊吸收能量與溫度的關(guān)系

沖擊吸收能量隨溫度降低而減小，在某個(gè)溫度區(qū)間沖擊吸收能量發(fā)生急劇下降，試樣斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口，這個(gè)溫度區(qū)間就稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。

體心立方晶格金屬及其合金或某些密排六方晶格金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(鐵素體一珠光體鋼)有明顯的冷脆現(xiàn)象。而面心立方金屬及其合金一般沒有低溫脆性現(xiàn)象，但有實(shí)驗(yàn)證明，在20—42K的極低溫度下，奧氏體鋼及鋁合金也有冷脆性。高強(qiáng)度的體心立方合金(如高強(qiáng)度鋼及高強(qiáng)度銅)在很寬溫度范圍內(nèi)，沖擊吸收能量均較低，故韌脆轉(zhuǎn)變不明顯，如下圖所示。

三種不同冷脆材料

韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，金屬材料的低溫沖擊韌性就越好。在嚴(yán)寒地區(qū)使用的金屬材料必須有較低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，才能保證正常工作，如高緯度地區(qū)使用的輸油管道、極地考察船等建造用鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)在-50℃以下。

金屬韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定

韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般使用標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)測定，試驗(yàn)原理與常溫沖擊試驗(yàn)相同，只是要增設(shè)一個(gè)試樣冷卻裝置，如低溫恒溫箱，也可使用廣口保溫瓶等，如下圖所示。

簡易低溫沖擊制冷器示意圖

冷卻介質(zhì)由致冷劑和調(diào)溫劑組成，應(yīng)無毒、安全和不腐蝕金屬。當(dāng)使用液體介質(zhì)冷卻試樣時(shí)，試樣應(yīng)放置于一容器中的網(wǎng)柵上，網(wǎng)柵至少高于容器底部25 mm，液體浸過試樣的高度至少25 mm，試樣距容器側(cè)壁至少10mm，并應(yīng)連續(xù)均勻攪拌介質(zhì)以使溫度均勻。當(dāng)使用氣體介質(zhì)冷卻試樣時(shí)，試樣距低溫裝置內(nèi)表面或試樣與試樣之間應(yīng)保持足夠的距離，試樣應(yīng)在規(guī)定溫度下保持至少20min。

低溫沖擊試驗(yàn)大多數(shù)是人工操作。實(shí)踐表明，如試樣從低溫箱中取出到?jīng)_斷的整個(gè)時(shí)間少于2s，則試樣的溫度變化不大，冷卻介質(zhì)的溫度一般不留附加過冷溫度。若試樣從取出到?jīng)_斷的時(shí)間大于5 s，則試樣溫度回升較多。因此，冷卻介質(zhì)的溫度就應(yīng)為規(guī)定冷卻溫度加上相應(yīng)的過冷溫度。所需過冷溫度應(yīng)預(yù)先通過試驗(yàn)確定，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)試樣，室溫為(20±5)℃時(shí)，可參考下圖給出的過冷溫度。

過冷溫度范圍

每個(gè)試驗(yàn)溫度一般用三支試樣，試驗(yàn)溫度的間隔和試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)保證繪出完整、明確的曲線。根據(jù)不同溫度下的沖擊試驗(yàn)結(jié)果，以沖擊吸收能量或脆性斷面(放射區(qū))率為縱坐標(biāo)，以試驗(yàn)溫度為橫坐標(biāo)繪制曲線，確定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如下圖所示。