第三章 低温脆性

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,t,k,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,（,Popular Science,）杂志发表了,R Gannon,的文章，标题是,What Really Sank The Titanic,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,t,k,。,断裂强度,屈服强度,韧性断裂,脆性断裂,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,t,k,。,定义：,1.,按能量定义,t,k,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,t,k,，记为,FTE,（,Fracture Transition Elastic,）。,2.,按断口形貌定义,t,k,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,t,k,，记为,50%FATT,或,FATT,50,、,t,50,。,裂纹扩展速率的变化：,低,-,高,-,低,形成机理,韧脆转变温度,t,k,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,t,k,，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，,=t,0,-t,k,。,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），,t,k,也要变化。,所以在一定条件下用试样测得的,t,k,，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,15KG 0.1%,冲头规格：,A R=10mm,B R=20m,C R= 5mm,BB R=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,，,Fracture Analysis Diagram,），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,A,k,与,t,k,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,A,k,与,t,k,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,t,k,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，,t,k,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,，低于该温度时，材料受过载力,后产生,断裂；采用光滑试样拉伸与缺口试样,拉伸用相同试验方法测定该温度时，,试样测,得的该温度较高。,5.,下列哪种材料在冲击韧性试验中通常需开缺口？,A,20CrMnTi,B,W18Cr4V,C,铸铁,D,3Cr2W8V,6.,解释冲击韧性、韧脆转变温度、,FATT50,、,NDT,、,FTE,、,FTP,；缺口敏感度、维氏硬度,.,谢谢！,