钢材的韧性及其控制

钢材的韧性及其控制杜林秀（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室）二oo九.十二首秦1.韧性的概念及意义2.材料的断裂3.钢材的冲击韧性4.钢材的断裂韧性5.钢材的韧化机制6.轧制过程韧性控制技术主要内容1、韧性的概念及意义对于薄板有时抗拉强度×延伸率来表示材料的韧性一般来讲，材料的韧性指断裂过程消耗能量的大小。冲击韧性：夏比冲击，DWTT断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能（KIc,GIc,JIc等）韧性综合反映了材料的强度和塑性；韧性是产品反映质量的一个重要指标；随着社会经济的发展，对结构安全性的要求越来越高，对材料的韧性要求也越来越高；所以，研究材料的韧性及其控制非常重要。1、韧性的概念及意义根据断裂前塑性变形的程度可以分为：韧性断裂和脆性断裂2、材料的断裂根据裂纹扩展路径可以分为：穿晶断裂和沿晶断裂根据断裂的晶体学特征可以分为：解理断裂，纯剪切断裂和微孔聚集型断裂光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。断口的宏观特征几种裂纹形成理论（1）甄纳－斯特罗位错塞积理论滑移面上的切应力作用下，刃型位错互相靠近。当切应力达到某一临界值时，塞积头处的位错互相挤紧聚合而成为一高为nb长为r的楔形裂纹（或孔洞位错）。斯特罗（A.N.Stroh）指出，如果塞积头处的应力集中不能为塑性变形所松弛，则塞积头处的最大拉应力能够等于理论断裂强度而形成裂纹。解理断裂过程包括：通过塑性变形形成裂纹、裂纹在同一晶粒内初期长大、以及越过晶界向相邻晶粒扩展三个阶段。解理裂纹可以通过两种基本方式扩展导致宏观脆性断裂。第一种是解理方式，裂纹扩展速度较快，如脆性材料在低温下试验就是这种状况。第二种方式是在裂纹前沿先形成一些微裂纹或微孔，而后通过塑性撕裂方式互相联结，开始时裂纹扩展速度比较缓慢，但到达临界状态时也迅速扩展而产生脆性断裂。（2）柯垂尔位错反应理论该理论是柯垂尔（A.H.Cottrell）为了解释晶内解理与bcc晶体中的解理而提出的。（3）史密斯碳化物开裂模型铁素体中的位错源在切应力作用下开动，位错运动至晶界碳化物处受阻而形成塞积，在塞积头处拉应力作用下使碳化物开裂。脆性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征－韧窝3、钢材的冲击韧性缺口效应缺口造成应力集中改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸。产生“缺口强化”效应在冲击载荷下，由于加载速率大，变形条件更为苛刻，塑性变形得不到充分发展，所以冲击试验更能灵敏地反映材料的变脆倾向。常用的缺口试样冲击试验是冲击弯曲。夏比冲击根据试样缺口形状不同，冲击功分别为AKV和AKU。AKV(AKU)＝G(H1－H2)，单位为J。AKV亦有用CVN或CV表示的。AKV(AKU)也可以表示材料的变脆倾向，但AKV(AKU)并非完全用于试样变形和破坏，其中有一部分消耗于试样掷出、机身振动、空气阻力以及轴承与测量机构中的摩擦消耗等。材料在一般摆锤冲击试验机上试验时，这些功是忽略不计的。但当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，上述功耗比较大。所以，在不同试验机上测定的AKV(AKU)值彼此可能相差较大。在摆捶冲击试验机上附加一套示波装置，可以记录材料在冲击载荷下的载荷－挠度（或载荷－时间）曲线，在曲线所包围的面积中只有断裂区的面积才表示裂纹扩展所消耗的功，亦即才能显示材料的韧性性质。缺口aa底部及边缘剪切唇区放射形结晶状区脚跟形纤维状区裂纹源二次纤维区材料的低温脆性任何金属材料都有屈服强度和断裂强度两个强度指标。断裂强度σc随温度变化很小，因为热激活对裂纹扩展的力学条件没有显著作用。但屈服强度σs却对温度变化十分敏感。温度降低，屈服强度急剧升高，故两曲线相交于一点，交点对应的温度即为TK。温度高于TK时，σcσs，材料受载后，先屈服再断裂，为韧性断裂；温度低于TK时，外加应力先达到σc，材料表现为脆性断裂。以AkV(CVN)=20.3J(15英尺磅)对应的温度作为Tk，并记为V15TT；以低阶能开始上升的温度定义为Tk，并记为NDT（NilDuctilityTemperature），称为无塑性或零塑性转变温度；以高阶能对应的温度为Tk，记为FTP(FractureTransitionPlastic)；以低阶能和高阶能平均值对应的温度FTE（FractureTransitionElastic）定义Tk；50％FATT或FATT50。影响韧脆转变温度的因素化学成分间隙溶质元素含量增加，高阶能下降，韧脆转变温度提高。间隙溶质元素溶入铁素体基体中，因与位错有交互作用而偏聚于位错线附近形成柯氏气团，既增加，又使增加，致升高，所以钢的脆性增大。置换型溶质元素对韧性影响不明显。钢中加入置换型溶质元素一般也降低高阶能，提高韧脆转变温度。杂质元素S、P、As、Sn、Sb等使钢的韧性下降。这是由于它们偏聚于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力所致。iyk显微组织细化晶粒使材料韧性增加21lnlnlndCBTK研究发现，不仅铁素体晶粒大小和韧脆转变温度之间呈线性关系，而且马氏体板条束宽度，上贝氏体铁素体板条束，原始奥氏体晶粒尺寸和韧脆转变温度之间也呈线性关系。细化晶粒提高韧性的原因有：晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力集中；晶界总面积增加，使晶界上杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。在较低强度水平时（如经高温回火），强度相等而组织不同的钢，其冲击值和韧脆转变温度以马氏体高温回火（回火屈氏体）最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体组织最差，（尤其有自由铁素体存在时，因为自由铁素体是珠光体钢中解理裂纹易于扩展的通道）。球化处理能改善钢的韧性。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，则其冲击值和韧脆转变温度优于同强度的淬火并回火组织。钢中夹杂物，碳化物等第二相质点对钢的脆性有重要影响，影响的程度与第二相质点的大小，形状，分布，第二相性质及其与基体的结合力等性质有关。无论第二相分布于晶界上还是独立在基体中，当其尺寸增大时均使材料的韧性下降，韧脆转变温度升高。按史密斯解理裂纹成核模型，晶界上碳化物厚度或直径增加，解理裂纹既易于形成又易于扩展，故使脆性增加。分布于基体中的粗大碳化物，可因本身裂开或其与基体界面上脱离形成微孔，微孔连接长大形成裂纹，最后导致断裂。第二相形状对钢的脆性也有一定影响。球状碳化物的韧性较好，拉长的硫化物又比片状硫化物好。提高加载速率如同降低温度，使金属材料脆性增大，韧脆转变温度提高。加载速率对钢脆性的影响和钢的强度水平有关。一般中、低强度钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强度钢，超高强度钢的韧脆转变温度则对加载速率的敏感性较小。在常用冲击速率范围内（4～6m/s），改变加载速率对韧脆转变温度影响不大。加载速率试样尺寸和形状当不改变缺口尺寸而增加试验宽度(或厚度)时，Tk升高。若试样各部分尺寸按比例增加时，Tk也升高。缺口尖锐度增加，Tk也显著升高，因此，V型缺口试样的Tk高于U型试样的Tk。试样尺寸增加，应力状态变硬，且缺陷概率增大，故脆性增大。强化方式固溶强化沉淀强化位错强化细晶强化只有细化晶粒能够提高强度，同时改善韧性4、钢材的断裂韧性1）传统强度设计方法：强度储备法，或安全系数法σ工作≤σ许用＝σs/n，2）高强钢和超高强度钢常常发生低应力脆断：工作应力低于屈服强度时产生的脆性断裂称为低应力脆性断裂，简称低应力脆断。低应力脆断的发生冲击了传统的设计思想，人们不得不开始研究工程构件为什么会突然断裂?又应该如何防止。3）低应力脆断是由宏观裂纹失稳扩展引起的：实际金属构件中，宏观裂纹往往难以避免（加工工程、服役过程）。必须针对金属构件中存在裂纹的实际情况，研究裂纹失稳扩展的力学条件。4）断裂力学：一种新的强度设计理论承认存在宏观裂纹，利用力学分析，定量研究裂纹扩展规律，裂纹体断裂强度。建立了材料性质、裂纹尺寸和工作应力之间的关系。5）断裂韧性：在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。综合反映了材料的强度和塑性，在防止低应力脆断选用材料时，根据材料的断裂韧性指标，可以对构件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算。1cacKacKa断裂强度裂纹深度常数断裂强度σc与裂纹深度a的平方根成反比IccKay1cay断裂应力与试样内部裂纹尺寸、裂纹形状、加载方式有关。y是一个和裂纹形状及加载方式有关的量，对每一种特定工艺状态下的材料，=常数，它与裂纹大小、几何形状及加载方式无关，此常数是材料的一种性能，将其称为断裂韧性。cay钢中的夹杂物，如硫化物、氧化物、某些第二相(如Fe3C)等，其韧性比基体差，称为脆性相。它们的存在，一般都使材料KⅠc下降。不仅夹杂物的数量对KⅠc有影响，其形状对KⅠc也有很大的影响。如球状渗碳体就比片状渗碳体的韧性高，因此，采用球化工艺可以大大改善钢的塑性和韧性。又如硫化锰，一般呈长条分布，横向韧性很差，若加了稀土、锆等，使它变成球状硫化物，即可大大提高韧性。虽然一般认为夹杂物对KⅠc有害，但具体有害程度的大小与材料和工艺有很大的关系，在某些情况下，夹杂物的多少对KⅠc影响不大，甚至也有随夹杂含量增加，KⅠc反而提高的情况。除了夹杂物降低KⅠc外，微量杂质元素(如锑、锡、砷、磷等)多富集在奥氏体晶界，降低晶界结合能，使断裂易于沿原始奥氏体晶界发生，亦会引起KⅠc大幅度降低。在多晶体材料中，由于晶界两边晶粒取向不同，晶界成为原子排列紊乱的区域，当塑性变形由一个晶粒横过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界困难。另外，穿过晶界后滑移方向又需改变，因此，与晶内相比，这种穿过晶界而又改变方向的变形需要消耗更多的能量，即穿过晶界所需的塑性变形能增加，裂纹扩展阻力增大，KⅠc也增大。材料的晶粒愈细，则晶界面积就愈大，产生一定塑性变形所需要消耗的能量就更大，KⅠc更高。细化晶粒也有强化作用，所以，细化晶粒是使强度和韧性同时提高的有效手段。对于钢铁材料，细化奥氏体晶粒也有助于减轻回火脆性。这是因为晶粒细，单位体积内的晶界面积增加，故在杂质含量一定的条件下，单位晶界面积富集的有害杂质含量也会降低，这样，就使回火脆性倾向降低，KⅠc增高。应当指出，细化晶粒对常规力学性能的影响和对KⅠc的影响并不一定相同。5、钢材的韧化机制裂纹扩展过程塑性功：r-裂纹尖端曲率半径；y-屈服强度；yf－断裂时流变应力；efr－断裂时应变B＝与应力状态有关的常数可以看出：增加强度和塑性均有利于提高塑性，但高塑性材料裂纹尖端曲率半径大。一般的规律是，对于给定的一类金属，低屈服强度材料的韧性要高于高屈服强度材料。EIc＝Byfefrr5、钢材的韧化机制对于每一类钢材来说，断裂韧性均随屈服强度的增加而下降。材料强韧化的目标5、钢材的韧化机制随着温度的降低，塑性区尺寸减小，纤维断裂的晶粒所占的比例也减小，导致韧性随温度的降低而下降。经历韧脆转变过程的裂纹扩展5、钢材的韧化机制（a）塑性区尺寸小，断裂起始于弹塑性交界的第二相的开裂，塑性区裂纹连接以晶粒的纤维状方式进行。裂纹扩展功决定于塑性区尺寸，裂纹扩展途径上有第二相粒子存在时，断裂功减小。（b）当材料强度降低时，塑性区尺寸增大，韧性增加，塑性区裂纹连接以逐步连接的方式进行韧性断裂过程的裂纹扩展6、轧制过程钢材韧性控制的工艺技术细化晶粒形核率生长率△G=–V(△Gv–△GE)+△GS……………(1)在形变时，形变能如果可以部分储存并转变成相变驱动力，则△G=–V(△Gv–△GE)+△GS–△GD……(2)这里：△Gv体积自由能变化△GE弹性应变能变化△GS表面自由能变化△GD形变储存能变化→相变过程中的自由能变化晶粒细化：高的形核率，低的长大速率。如何获得较大的形变能和相变过冷度是晶粒细化的关键！变形前奥氏体晶粒变形后应变硬化奥氏体再结晶轧制应变积累未再结晶区控制轧制是最有效的办法！存在问题：待温时