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。隨著屈服強度的增加，金屬和合金的斷裂強度減少。1材料的冷脆破壞金屬材料低溫拉伸試驗表明,溫度降低,金屬材料會發生由韌變脆的現象。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,突然發生,斷口齊平,裂紋起源于材料組織中的缺陷或構件應力集中處,并快速擴展。構件的冷脆破壞無法預告和控制,危害性極大,一旦發生,瞬間整個結構崩潰。并非所有的金屬在低溫下都會發生冷脆,金屬的冷脆性與晶格類型有關。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,強度指標增加,塑性和韌性指標下降,變為脆性狀態。低溫脆性主要發生在結構鋼件中,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,不發生低溫脆性。低溫下強度指標增加,韌性和塑性指標不變或稍有增加。如Al合金薄板在液氮溫度下仍有相當的塑性,而切口敏感性較低。根據位錯理論,當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,表現出脆性。此外,原子在晶格中的排列有“位錯”現象,溫度降低時,體心和六方晶格中的某些雜質元素(如氧、碳、氫等)在位錯區聚集,增加了滑移阻力。在外力作用下,材料組織開始被破壞,在位錯區形成裂口,而原子來不及移動,所以裂口很快擴展。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整位置,使裂口頭部不再尖銳,從而阻止了裂紋的擴展,所以韌性較好。1.2沖擊韌性試驗材料的選擇結構鋼低溫脆性研究的主要問題是用沖擊試驗確定韌—脆轉化溫度。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備上進行試驗。結果表明,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變溫度,在該溫度下呈現脆性。利用切口沖擊韌性對材料內部組織變化的敏感性,可以確定結構鋼的冷脆傾向及韌—脆轉變溫度,供低溫結構設計時選用材料和抗脆斷作參考。另一種確定韌—脆轉化溫度的方法是斷口形貌。沖擊試件的斷口上有纖維區、放射區(結晶區)和剪切唇,見圖3。不同溫度下,3個區的相對面積不同,放射區面積增大,表示材料變脆。通常取結晶狀斷口面積占50%時的溫度為韌—脆轉化溫度。低碳鋼試樣從韌性變為脆性,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,把使材料發生脆化的溫度叫做臨界脆化溫度,或材料的脆性轉變溫度。不同材料,臨界脆化溫度不同。當環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,冷脆現象愈嚴重。臨界脆性溫度是選擇低溫材料的依據。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具備足夠的韌性以防止發生脆性破壞。1.3避免脆性斷裂工程應用中,總希望結構件處于韌性狀態,避免危險的脆性斷裂。這不僅取決于材料本身的組織結構、合金種類、成分、結晶粒度等,還取決于應力狀態、工作溫度、加載速率等外部因素。1.3.1力學性能。當碳切口試件的切口根部處于多向拉伸應力狀態,易發生脆性斷裂,且韌—脆轉變溫度提高,這對構件的安全服役不利。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,發生脆性斷裂。加載速率提高,易激發解理斷裂,增加脆性傾向。因此,切口、低溫和高速加載是誘發材料脆斷的3個因素。1.3.2影響金屬結構的微觀結構鋼的成分、組織和冶金質量對沖擊韌性和韌—脆轉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,而且易出現多系滑移,不會解理斷裂,也沒有韌—脆轉變。它的韌性狀態,可以維持到低溫,常用于低溫結構工程。體心和密排六方晶格的金屬塑性、韌性較差,韌—脆轉變受溫度及加載速率的影響很大,在低溫和高加載速率下,易發生孿晶、激發解理斷裂。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,促進其脆斷。(2)晶界和斷裂抗力晶粒細化能顯著提高鋼的斷裂強度,降低韌—脆轉變溫度。晶粒細,滑移距離短,相鄰晶粒位向不同,裂紋越過晶界要轉向,需消耗多的能量,所以晶界對裂紋擴展有阻礙作用。晶粒越細,晶界越多,阻礙作用就越大。且晶粒細時,屈服應力低于斷裂抗力,斷裂前有較大的塑性應變,是韌性斷裂。當晶粒尺寸大于某一數值時,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變實效,且P降低裂紋表面能,硅限制交滑移,促進出現孿晶,均提高韌—脆轉化溫度。鋼中C含量增加,塑性變形抗力增加,沖擊韌性降低,韌—脆轉變溫度明顯提高,轉變的溫度范圍加寬。合金元素Ni,Mn以固溶狀態存在,增加Ni含量,可細化晶粒,形成低碳馬氏體和回火索氏體,消除回火脆性等,降低韌—脆轉變溫度。在鋼中形成化合物的合金元素Cr,Mo,Ti等通過細化晶粒和形成第二相質點,降低韌—脆轉變溫度。對于一種材料而言,它的性能是由顯微組織決定的,而化學成分和熱處理又決定顯微組織。化學成分是基礎,當合金成分一定時,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,用控制化學成分和熱處理的方法可消除“冷脆”。2低溫下材料的狀態很多低溫結構如橋梁、船舶、石油鉆機、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械性能,這樣才能保證機器、結構安全“過冬”。處于低溫工作的科學技術,如液態氧、氫、天然氣、石油氣的制造儲存技術;冷氣、冷凍工業及低溫醫學等,也需要金屬材料在低溫,甚至接近絕對零度(-273℃)下工作。如一種液氦設備,在-269℃和20MPa下工作,“休息”時又要恢復到常溫,溫度差所引起的應力使材料產生冷熱疲勞損傷。焊接是低溫材料工藝中的關鍵環節,焊縫容易出現氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。國外曾多次發生過深冷設備的漏氣事故,原因是焊劑在降溫時變質而漏氣。因此,對低溫焊接質量必須嚴格要求。實踐證明,金屬在低溫下的性能與常溫表現不同,隨著溫度的升高或降低,物體的某些機械性質發生變化。常溫下,金屬材料中原子的結合較疏松,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“粘結力”減弱而呈現脆性。因此,低溫下的材料容易脆斷。當溫度下降到脆性轉變溫度時,材料的沖擊韌性明顯下降,給材料的應用帶來限制。低溫韌性指標規定:-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—脆轉化溫度67℃。3采用低溫粉碎技術低溫用鋼按化學成分不同分為3類:低合金鐵素體鋼、中合金鋼及高合金奧氏體鋼。寒冷地區的工程結構材料通常采用低合金鐵素體鋼。碳、磷、氧等雜質元素會引起冷脆性的加劇,因此低溫鋼冶煉必須控制雜質含量。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,降低臨界脆性溫度。為了提高低溫鋼的質量,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,是非常優良的低溫材料。從食品冷凍工業到-100℃的天然氣分餾、分離裝置;從液體燃料火箭推進器到液態空氣分離設備,都有廣泛的應用。此外,利用脆化現象人們發明了“低溫粉碎技術”,即用低溫來粉碎廢鋼鐵。電爐煉鋼時,大量使用