碳素钢脆性

碳素钢脆性(shortnessofcarbonsteel)

由于冶金、加工、温度、环境等因素使碳素钢的塑性和韧性很低，在断裂过程中无明显塑性变形，断裂时吸收的能量很低的性质。碳素钢脆性表现在热加工过程中极易发生开裂，或碳素钢制件在使用过程中无明显塑性变形，甚至在几乎不发生塑性变形的情况下发生断裂。自20世纪初以来，桥梁、船体、球形贮罐、石油化工合成容器、锅炉导汽管、汽轮机叶片、发电机转子、炮管、火箭发动机壳体等工程结构件，一再发生脆性断裂事故。这些脆性断裂事故与工程结构件的大型化、结构件截面的增厚、材料的高强度化和焊接结构的采用有关。

分类碳素钢脆性，按产生原因、发生脆性时的现象等分为冷脆性、热脆性、蓝脆性、石墨脆性和氢脆性。

冷脆性在低温，磷含量较高的钢塑性和韧性很低，容易引起脆性断裂的性质。磷引起冷脆性的原因是：(1)磷固溶在铁素体中，降低铁素体的塑性和韧性，增加钢的脆性。(2)磷容易在铁素体晶界上偏聚，降低晶界强度，引起脆性晶界断裂。(3)磷在铁素体中溶解度较大，室温时达0.7％。但由于钢中含有碳，碳溶入铁素体中使磷在铁素体中溶解度降低。并且，钢水凝固时磷极易产生枝晶偏析。所以钢中磷含量较高时，晶界上形成脆性磷化铁薄膜，增加钢的脆性。

热脆性硫含量较高，硫偏析严重的钢，在热加工时容易产生开裂的性质。硫在铁中溶解度很小，在室温几乎不溶于铁。但硫与铁化合生成硫化铁。钢水凝固时形成了γ-Fe+FeS共晶体，其共晶温度为989℃。钢水中的氧与铁化合生成氧化铁，形成γ-Fe+FeS+FeO三元共晶体，其共晶温度为940℃。钢水凝固时形成的三元共晶体量很少，它分布在γ-Fe晶界上。在热加工时低熔点的共晶体在γ-Fe晶界上处于熔融状态，所以变形时发生开裂。炼钢时锰作为脱氧剂加入。锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大，钢中硫优先与锰化合形成硫化锰，硫又与铁化合生成硫化铁，二者互相溶解而成为复合硫化物。其成分随钢中锰和硫含量比值而变化。随钢中锰和硫含量比值的增加，复合硫化物中硫化锰含量增加。硫化锰熔点很高(1620℃)，硫化锰含量高的复合硫化物的熔点也相当高，而且锰和硫含量比值高的钢的三元共晶温度也相当高。所以不会发生三元共晶体熔化引起的热脆性。为了防止热脆性，钢中锰含量要控制在硫含量的5～10倍。

蓝脆性氮含量较高的低碳钢在200～250℃发生时效，钢的强度升高，塑性和韧性明显降低所引起的脆性。因为在200～250℃加热时，钢的表面形成氧化物，其色呈蓝色，所以这种脆性称为蓝脆性。氮在铁素体中的溶解度随温度的下降而急剧变小，在590℃铁素体中可溶解0.115％，而在室温其溶解度只有(0.1～1)×10-6。因为氮在铁素体中扩散速度很慢，所以低碳钢在热加工后即使是空冷也将得到氮所过饱和的铁素体。因此，氮含量较高的低碳钢在200～250℃加热时，铁素体中析出极细的氮化物质点，提高钢的强度，降低钢的塑性和韧性，引起钢的脆性。低碳钢经过冷变形，在200～250℃加热时碳、氮原子与位错发生弹性交互作用，钢的强度提高，而塑性和韧性降低，也会引起钢的脆性。防止蓝脆性的途径，一是运用现代炼钢技术以减少钢水中氮含量，二是加入适量的铝、钛或铌，使其与氮形成化合物。

石墨脆性钢在较高温度长时间停留时，钢中的渗碳体分解为铁和石墨，使钢的强度和塑性都显著降低所引起的脆性。其断口因石墨呈黑色，故又称黑脆。钢的碳含量越高，石墨化越容易。硅促进石墨化，而锰阻碍石墨化。高碳钢锻后冷却速度过慢，退火保温时间过长，多次重复加热退火容易引起石墨脆性。石墨脆性一旦发生就无法消除，要注意预防。

氢脆性(见合金钢脆性)。

特点碳素钢脆性引起的工程结构件脆性断裂的特点是：(1)脆性断裂是突发性断裂，在断裂前没有任何征兆。(2)断裂时裂纹扩展速度极快，所以这种断裂往住是灾难性的。(3)断裂时工程结构件实际承受的应力往往比设计应力低。(4)工程结构件脆性断裂一般在较低温度发生，如桥梁、各种贮罐的脆性断裂常在气温较低的冬季发生，但是有的工程结构件，如石油化工设备、锅炉导汽管、汽轮机叶片在较高温度使用时发生脆性断裂。(5)分析这些事故表明，脆性断裂一般由结构件中缺陷处开始，如焊接裂缝、材料内部缺陷等，有的由结构设计和生产工艺不合理而引起的应力集中处开始。(6)脆性断裂的断口是晶间断口或穿晶解理断口。

影响因素脆性与钢的化学成分、钢中夹杂和气体、晶粒度、第二相颗粒、试样尺寸、试验温度、试验环境、加载速度等因素有关。钢中的硫和磷增加钢的脆性。硫引起热脆性，并增加钢的常温脆性。磷引起钢的冷脆性。钢中的氮、氢等气体也促进钢的脆性。氮引起低碳钢的蓝脆性，氢在钢中引起氢脆性和白点。钢中的锡、锑、砷等元素显著提高钢在回火状态的脆性。钒、钛、铌、锆、铝等元素在钢中形成稳定的化合物，它细化钢的晶粒，有利于钢的韧化，降低钢的脆性。稀土元素在钢中与有害元素硫形成化合物，降低硫的有害作用。应用电渣重熔、钢包吹氩、真空脱气和保护浇注等措旋，可降低钢中有害杂质和气体含量，降低成分偏析，提高铸造组织致密性。这些都有利于钢的韧化，降低钢的脆性。

试验方法钢的脆性一般以韧性值评定。试验方法有冲击韧性试验、缺口静弯试验、落锤试验、爆破鼓突试验、撕裂试验、宽板拉伸试验、深缺口试验、双重拉伸试验，罗伯逊(Robertson)试验、伊索(ESSO)试验和断裂韧性试验等。冲击韧性试验设备简单，方法简便，试样尺寸小，试验经费便宜，它是评定韧性的最常用方法。随着断裂力学的发展而建立的断裂韧性试验现已成为考核金属材料韧性的一个很重要的试验方法。但其试验方法繁杂，试验费用贵。近年来用不同的材料进行大量试验，研究了断裂韧性与冲击韧性之间的关系，并建立了一些适用于一定范围的经验关系式。这就有可能以冲击韧性值估算一定条件下的断裂韧性值。