金属材料的低温脆性

金属材料的低温脆性

低温可靠性是金属的一个重要特征之一。随着屈服强度的增加，金属和合金的断裂强度减少。1材料的冷脆破坏金属材料低温拉伸试验表明,温度降低,金属材料会发生由韧变脆的现象。金属材料的冷脆断裂与常温下的脆性破坏基本相同。断裂前无明显塑性变形,突然发生,断口齐平,裂纹起源于材料组织中的缺陷或构件应力集中处,并快速扩展。构件的冷脆破坏无法预告和控制,危害性极大,一旦发生,瞬间整个结构崩溃。并非所有的金属在低温下都会发生冷脆,金属的冷脆性与晶格类型有关。金属晶格有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格等3种类型,见图1。体心立方晶格的立方体的8个顶角和中心各有1个原子,例如钨、铬、钼、钠以及室温下的铁(普通钢材);面心立方晶格的立方体的8个顶角和6个面的中心各有一个原子,铜、银、镍、金、铝及合金、高温下的铁(奥氏体钢)属于这种晶格;密排六方晶格棱体的12个顶角和上下底面的中心处各有1个原子,中心平面有3个原子,锌、镁、钛(α-Ti)均属这一类型。1.1面心晶面的滑移将低温性能不同的材料分别称为冷脆材料和非冷脆材料。体心和密排六方晶格的金属是冷脆材料,随着温度的降低,强度指标增加,塑性和韧性指标下降,变为脆性状态。低温脆性主要发生在结构钢件中,铁素体、珠光体及马氏体钢最为敏感。面心立方晶格的金属是非冷脆材料,不发生低温脆性。低温下强度指标增加,韧性和塑性指标不变或稍有增加。如Al合金薄板在液氮温度下仍有相当的塑性,而切口敏感性较低。根据位错理论,当作用在晶体上的外力超过一定限度时,受反向力的2个部分便沿着某一晶面滑移,见图2。面心晶格由于晶面原子比较多,2排原子滑移时阻力小,易产生变形,金属韧性好。而体心和六方晶格的晶面原子少,排列稀疏,滑移阻力较大,金属变形困难,表现出脆性。此外,原子在晶格中的排列有“位错”现象,温度降低时,体心和六方晶格中的某些杂质元素(如氧、碳、氢等)在位错区聚集,增加了滑移阻力。在外力作用下,材料组织开始被破坏,在位错区形成裂口,而原子来不及移动,所以裂口很快扩展。面心晶格金属由于滑移阻力小,断开部分的原子通过滑移调整位置,使裂口头部不再尖锐,从而阻止了裂纹的扩展,所以韧性较好。1.2冲击韧性试验材料的选择结构钢低温脆性研究的主要问题是用冲击试验确定韧—脆转化温度。将带有V型槽的方试样浸入不同温度的液体中,然后迅速将它们移至设备上进行试验。结果表明,面心立方金属有较高的冲击值,且对温度不敏感。体心立方金属有明显的脆性转变温度,在该温度下呈现脆性。利用切口冲击韧性对材料内部组织变化的敏感性,可以确定结构钢的冷脆倾向及韧—脆转变温度,供低温结构设计时选用材料和抗脆断作参考。另一种确定韧—脆转化温度的方法是断口形貌。冲击试件的断口上有纤维区、放射区(结晶区)和剪切唇,见图3。不同温度下,3个区的相对面积不同,放射区面积增大,表示材料变脆。通常取结晶状断口面积占50%时的温度为韧—脆转化温度。低碳钢试样从韧性变为脆性,断口形貌明显不同。高温下存在剪切唇,在极低温度下不存在这种特征。在物理上,把使材料发生脆化的温度叫做临界脆化温度,或材料的脆性转变温度。不同材料,临界脆化温度不同。当环境温度低于该温度时,材料的冲击韧性急剧降低。温度愈低材料越脆,冷脆现象愈严重。临界脆性温度是选择低温材料的依据。由于低温材料的危害主要是韧性下降至脆性断裂。这就要求低温材料应具备足够的韧性以防止发生脆性破坏。1.3避免脆性断裂工程应用中,总希望结构件处于韧性状态,避免危险的脆性断裂。这不仅取决于材料本身的组织结构、合金种类、成分、结晶粒度等,还取决于应力状态、工作温度、加载速率等外部因素。1.3.1力学性能。当碳切口试件的切口根部处于多向拉伸应力状态,易发生脆性断裂,且韧—脆转变温度提高,这对构件的安全服役不利。普通碳钢在室温或高温下,断裂前有较大的塑性变形,是韧断;低于临界温度,发生脆性断裂。加载速率提高,易激发解理断裂,增加脆性倾向。因此,切口、低温和高速加载是诱发材料脆断的3个因素。1.3.2影响金属结构的微观结构钢的成分、组织和冶金质量对冲击韧性和韧—脆转化温度有很大的影响。(1)韧—晶格类型的影响。面心立方晶格的金属塑性、韧性好,是因为该金属滑移系多,而且易出现多系滑移,不会解理断裂,也没有韧—脆转变。它的韧性状态,可以维持到低温,常用于低温结构工程。体心和密排六方晶格的金属塑性、韧性较差,韧—脆转变受温度及加载速率的影响很大,在低温和高加载速率下,易发生孪晶、激发解理断裂。微量的氧、氮及间隙原子溶于体心立方晶格中都会阻碍滑移,促进其脆断。(2)晶界和断裂抗力晶粒细化能显著提高钢的断裂强度,降低韧—脆转变温度。晶粒细,滑移距离短,相邻晶粒位向不同,裂纹越过晶界要转向,需消耗多的能量,所以晶界对裂纹扩展有阻碍作用。晶粒越细,晶界越多,阻碍作用就越大。且晶粒细时,屈服应力低于断裂抗力,断裂前有较大的塑性应变,是韧性断裂。当晶粒尺寸大于某一数值时,则断裂前不再有屈服,是脆性断裂。(3)降低韧—成分的影响。钢中的O,N,P,S等杂质元素对韧性不利。P,O含量高,Si,Al含量超过一定值,晶粒粗大,形成上贝氏体以及应变实效,且P降低裂纹表面能,硅限制交滑移,促进出现孪晶,均提高韧—脆转化温度。钢中C含量增加,塑性变形抗力增加,冲击韧性降低,韧—脆转变温度明显提高,转变的温度范围加宽。合金元素Ni,Mn以固溶状态存在,增加Ni含量,可细化晶粒,形成低碳马氏体和回火索氏体,消除回火脆性等,降低韧—脆转变温度。在钢中形成化合物的合金元素Cr,Mo,Ti等通过细化晶粒和形成第二相质点,降低韧—脆转变温度。对于一种材料而言,它的性能是由显微组织决定的,而化学成分和热处理又决定显微组织。化学成分是基础,当合金成分一定时,通过不同的热处理方法可以得到不同的性能。例如,退火可以得到韧性好、面心晶格的奥氏体。因此,用控制化学成分和热处理的方法可消除“冷脆”。2低温下材料的状态很多低温结构如桥梁、船舶、石油钻机、管道等,既在低温下工作,承受静载荷及冲击载荷的作用,又要在常温下工作。因此,要求材料具备良好的常温与低温机械性能,这样才能保证机器、结构安全“过冬”。处于低温工作的科学技术,如液态氧、氢、天然气、石油气的制造储存技术;冷气、冷冻工业及低温医学等,也需要金属材料在低温,甚至接近绝对零度(-273℃)下工作。如一种液氦设备,在-269℃和20MPa下工作,“休息”时又要恢复到常温,温度差所引起的应力使材料产生冷热疲劳损伤。焊接是低温材料工艺中的关键环节,焊缝容易出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。国外曾多次发生过深冷设备的漏气事故,原因是焊剂在降温时变质而漏气。因此,对低温焊接质量必须严格要求。实践证明,金属在低温下的性能与常温表现不同,随着温度的升高或降低,物体的某些机械性质发生变化。常温下,金属材料中原子的结合较疏松,弹性好,金属能吸收较多的外部冲击能量;在低温情况下,原子结合得较紧密,由于弹性差,只能吸收极少的外来能量,材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而呈现脆性。因此,低温下的材料容易脆断。当温度下降到脆性转变温度时,材料的冲击韧性明显下降,给材料的应用带来限制。低温韧性指标规定:-40℃时,冲击韧性必须大于或等于3(kg·m)/cm2。在低温下服役的零件,最低工作温度必须高于材料的临界脆化温度。对于重要零件,工作温度必须高于韧—脆转化温度67℃。3采用低温粉碎技术低温用钢按化学成分不同分为3类:低合金铁素体钢、中合金钢及高合金奥氏体钢。寒冷地区的工程结构材料通常采用低合金铁素体钢。碳、磷、氧等杂质元素会引起冷脆性的加剧,因此低温钢冶炼必须控制杂质含量。而加入定量的硅、镍、锰等元素可以改善低温性能,它们使晶粒变细,降低临界脆性温度。为了提高低温钢的质量,消除各个方向性能上的差异,可以采用纵向和横向交替轧制的方法来生产低温钢板。面心立方晶格的铜、铝合金和奥氏体不锈钢是非冷脆材料的“主力”,尤其是不锈钢,是非常优良的低温材料。从食品冷冻工业到-100℃的天然气分馏、分离装置;从液体燃料火箭推进器到液态空气分离设备,都有广泛的应用。此外,利用脆化现象人们发明了“低温粉碎技术”,即用低温来粉碎废钢铁。电炉炼钢时,大量使用