金屬材料的低溫脆性

低溫可靠性是金屬的一個重要特征之一。隨著屈服強(qiáng)度的增加，金屬和合金的斷裂強(qiáng)度減少。1材料的冷脆破壞金屬材料低溫拉伸試驗表明,溫度降低,金屬材料會發(fā)生由韌變脆的現(xiàn)象。金屬材料的冷脆斷裂與常溫下的脆性破壞基本相同。斷裂前無明顯塑性變形,突然發(fā)生,斷口齊平,裂紋起源于材料組織中的缺陷或構(gòu)件應(yīng)力集中處,并快速擴(kuò)展。構(gòu)件的冷脆破壞無法預(yù)告和控制,危害性極大,一旦發(fā)生,瞬間整個結(jié)構(gòu)崩潰。并非所有的金屬在低溫下都會發(fā)生冷脆,金屬的冷脆性與晶格類型有關(guān)。金屬晶格有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格等3種類型,見圖1。體心立方晶格的立方體的8個頂角和中心各有1個原子,例如鎢、鉻、鉬、鈉以及室溫下的鐵(普通鋼材);面心立方晶格的立方體的8個頂角和6個面的中心各有一個原子,銅、銀、鎳、金、鋁及合金、高溫下的鐵(奧氏體鋼)屬于這種晶格;密排六方晶格棱體的12個頂角和上下底面的中心處各有1個原子,中心平面有3個原子,鋅、鎂、鈦(α-Ti)均屬這一類型。1.1面心晶面的滑移將低溫性能不同的材料分別稱為冷脆材料和非冷脆材料。體心和密排六方晶格的金屬是冷脆材料,隨著溫度的降低,強(qiáng)度指標(biāo)增加,塑性和韌性指標(biāo)下降,變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。低溫脆性主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)鋼件中,鐵素體、珠光體及馬氏體鋼最為敏感。面心立方晶格的金屬是非冷脆材料,不發(fā)生低溫脆性。低溫下強(qiáng)度指標(biāo)增加,韌性和塑性指標(biāo)不變或稍有增加。如Al合金薄板在液氮溫度下仍有相當(dāng)?shù)乃苄?而切口敏感性較低。根據(jù)位錯理論,當(dāng)作用在晶體上的外力超過一定限度時,受反向力的2個部分便沿著某一晶面滑移,見圖2。面心晶格由于晶面原子比較多,2排原子滑移時阻力小,易產(chǎn)生變形,金屬韌性好。而體心和六方晶格的晶面原子少,排列稀疏,滑移阻力較大,金屬變形困難,表現(xiàn)出脆性。此外,原子在晶格中的排列有“位錯”現(xiàn)象,溫度降低時,體心和六方晶格中的某些雜質(zhì)元素(如氧、碳、氫等)在位錯區(qū)聚集,增加了滑移阻力。在外力作用下,材料組織開始被破壞,在位錯區(qū)形成裂口,而原子來不及移動,所以裂口很快擴(kuò)展。面心晶格金屬由于滑移阻力小,斷開部分的原子通過滑移調(diào)整位置,使裂口頭部不再尖銳,從而阻止了裂紋的擴(kuò)展,所以韌性較好。1.2沖擊韌性試驗材料的選擇結(jié)構(gòu)鋼低溫脆性研究的主要問題是用沖擊試驗確定韌—脆轉(zhuǎn)化溫度。將帶有V型槽的方試樣浸入不同溫度的液體中,然后迅速將它們移至設(shè)備上進(jìn)行試驗。結(jié)果表明,面心立方金屬有較高的沖擊值,且對溫度不敏感。體心立方金屬有明顯的脆性轉(zhuǎn)變溫度,在該溫度下呈現(xiàn)脆性。利用切口沖擊韌性對材料內(nèi)部組織變化的敏感性,可以確定結(jié)構(gòu)鋼的冷脆傾向及韌—脆轉(zhuǎn)變溫度,供低溫結(jié)構(gòu)設(shè)計時選用材料和抗脆斷作參考。另一種確定韌—脆轉(zhuǎn)化溫度的方法是斷口形貌。沖擊試件的斷口上有纖維區(qū)、放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))和剪切唇,見圖3。不同溫度下,3個區(qū)的相對面積不同,放射區(qū)面積增大,表示材料變脆。通常取結(jié)晶狀斷口面積占50%時的溫度為韌—脆轉(zhuǎn)化溫度。低碳鋼試樣從韌性變?yōu)榇嘈?斷口形貌明顯不同。高溫下存在剪切唇,在極低溫度下不存在這種特征。在物理上,把使材料發(fā)生脆化的溫度叫做臨界脆化溫度,或材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。不同材料,臨界脆化溫度不同。當(dāng)環(huán)境溫度低于該溫度時,材料的沖擊韌性急劇降低。溫度愈低材料越脆,冷脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重。臨界脆性溫度是選擇低溫材料的依據(jù)。由于低溫材料的危害主要是韌性下降至脆性斷裂。這就要求低溫材料應(yīng)具備足夠的韌性以防止發(fā)生脆性破壞。1.3避免脆性斷裂工程應(yīng)用中,總希望結(jié)構(gòu)件處于韌性狀態(tài),避免危險的脆性斷裂。這不僅取決于材料本身的組織結(jié)構(gòu)、合金種類、成分、結(jié)晶粒度等,還取決于應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、加載速率等外部因素。1.3.1力學(xué)性能。當(dāng)碳切口試件的切口根部處于多向拉伸應(yīng)力狀態(tài),易發(fā)生脆性斷裂,且韌—脆轉(zhuǎn)變溫度提高,這對構(gòu)件的安全服役不利。普通碳鋼在室溫或高溫下,斷裂前有較大的塑性變形,是韌斷;低于臨界溫度,發(fā)生脆性斷裂。加載速率提高,易激發(fā)解理斷裂,增加脆性傾向。因此,切口、低溫和高速加載是誘發(fā)材料脆斷的3個因素。1.3.2影響金屬結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)鋼的成分、組織和冶金質(zhì)量對沖擊韌性和韌—脆轉(zhuǎn)化溫度有很大的影響。(1)韌—晶格類型的影響。面心立方晶格的金屬塑性、韌性好,是因為該金屬滑移系多,而且易出現(xiàn)多系滑移,不會解理斷裂,也沒有韌—脆轉(zhuǎn)變。它的韌性狀態(tài),可以維持到低溫,常用于低溫結(jié)構(gòu)工程。體心和密排六方晶格的金屬塑性、韌性較差,韌—脆轉(zhuǎn)變受溫度及加載速率的影響很大,在低溫和高加載速率下,易發(fā)生孿晶、激發(fā)解理斷裂。微量的氧、氮及間隙原子溶于體心立方晶格中都會阻礙滑移,促進(jìn)其脆斷。(2)晶界和斷裂抗力晶粒細(xì)化能顯著提高鋼的斷裂強(qiáng)度,降低韌—脆轉(zhuǎn)變溫度。晶粒細(xì),滑移距離短,相鄰晶粒位向不同,裂紋越過晶界要轉(zhuǎn)向,需消耗多的能量,所以晶界對裂紋擴(kuò)展有阻礙作用。晶粒越細(xì),晶界越多,阻礙作用就越大。且晶粒細(xì)時,屈服應(yīng)力低于斷裂抗力,斷裂前有較大的塑性應(yīng)變,是韌性斷裂。當(dāng)晶粒尺寸大于某一數(shù)值時,則斷裂前不再有屈服,是脆性斷裂。(3)降低韌—成分的影響。鋼中的O,N,P,S等雜質(zhì)元素對韌性不利。P,O含量高,Si,Al含量超過一定值,晶粒粗大,形成上貝氏體以及應(yīng)變實效,且P降低裂紋表面能,硅限制交滑移,促進(jìn)出現(xiàn)孿晶,均提高韌—脆轉(zhuǎn)化溫度。鋼中C含量增加,塑性變形抗力增加,沖擊韌性降低,韌—脆轉(zhuǎn)變溫度明顯提高,轉(zhuǎn)變的溫度范圍加寬。合金元素Ni,Mn以固溶狀態(tài)存在,增加Ni含量,可細(xì)化晶粒,形成低碳馬氏體和回火索氏體,消除回火脆性等,降低韌—脆轉(zhuǎn)變溫度。在鋼中形成化合物的合金元素Cr,Mo,Ti等通過細(xì)化晶粒和形成第二相質(zhì)點(diǎn),降低韌—脆轉(zhuǎn)變溫度。對于一種材料而言,它的性能是由顯微組織決定的,而化學(xué)成分和熱處理又決定顯微組織。化學(xué)成分是基礎(chǔ),當(dāng)合金成分一定時,通過不同的熱處理方法可以得到不同的性能。例如,退火可以得到韌性好、面心晶格的奧氏體。因此,用控制化學(xué)成分和熱處理的方法可消除“冷脆”。2低溫下材料的狀態(tài)很多低溫結(jié)構(gòu)如橋梁、船舶、石油鉆機(jī)、管道等,既在低溫下工作,承受靜載荷及沖擊載荷的作用,又要在常溫下工作。因此,要求材料具備良好的常溫與低溫機(jī)械性能,這樣才能保證機(jī)器、結(jié)構(gòu)安全“過冬”。處于低溫工作的科學(xué)技術(shù),如液態(tài)氧、氫、天然氣、石油氣的制造儲存技術(shù);冷氣、冷凍工業(yè)及低溫醫(yī)學(xué)等,也需要金屬材料在低溫,甚至接近絕對零度(-273℃)下工作。如一種液氦設(shè)備,在-269℃和20MPa下工作,“休息”時又要恢復(fù)到常溫,溫度差所引起的應(yīng)力使材料產(chǎn)生冷熱疲勞損傷。焊接是低溫材料工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),焊縫容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。國外曾多次發(fā)生過深冷設(shè)備的漏氣事故,原因是焊劑在降溫時變質(zhì)而漏氣。因此,對低溫焊接質(zhì)量必須嚴(yán)格要求。實踐證明,金屬在低溫下的性能與常溫表現(xiàn)不同,隨著溫度的升高或降低,物體的某些機(jī)械性質(zhì)發(fā)生變化。常溫下,金屬材料中原子的結(jié)合較疏松,彈性好,金屬能吸收較多的外部沖擊能量;在低溫情況下,原子結(jié)合得較緊密,由于彈性差,只能吸收極少的外來能量,材料因其原子周圍的自由電子活動能力和“粘結(jié)力”減弱而呈現(xiàn)脆性。因此,低溫下的材料容易脆斷。當(dāng)溫度下降到脆性轉(zhuǎn)變溫度時,材料的沖擊韌性明顯下降,給材料的應(yīng)用帶來限制。低溫韌性指標(biāo)規(guī)定:-40℃時,沖擊韌性必須大于或等于3(kg·m)/cm2。在低溫下服役的零件,最低工作溫度必須高于材料的臨界脆化溫度。對于重要零件,工作溫度必須高于韌—脆轉(zhuǎn)化溫度67℃。3采用低溫粉碎技術(shù)低溫用鋼按化學(xué)成分不同分為3類:低合金鐵素體鋼、中合金鋼及高合金奧氏體鋼。寒冷地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)材料通常采用低合金鐵素體鋼。碳、磷、氧等雜質(zhì)元素會引起冷脆性的加劇,因此低溫鋼冶煉必須控制雜質(zhì)含量。而加入定量的硅、鎳、錳等元素可以改善低溫性能,它們使晶粒變細(xì),降低臨界脆性溫度。為了提高低溫鋼的質(zhì)量,消除各個方向性能上的差異,可以采用縱向和橫向交替軋制的方法來生產(chǎn)低溫鋼板。面心立方晶格的銅、鋁合金和奧氏體不銹鋼是非冷脆材料的“主力”,尤其是不銹鋼,是非常優(yōu)良的低溫材料。從食品冷凍工業(yè)到-100℃的天然氣分餾、分離裝置;從液體燃料火箭推進(jìn)器到液態(tài)空氣分離設(shè)備,都有廣泛的應(yīng)用。此外,利用脆化現(xiàn)象人們發(fā)明了“低溫粉碎技術(shù)”,即用低溫來粉碎廢鋼鐵。電爐煉鋼時,大量使用