有成千上萬種鋼用于各種工業(yè)。每種鋼都有不同的商品名，因?yàn)樗鼈兊男再|(zhì)、化學(xué)成分或合金類型和含量不同。雖然斷裂韌性值極大地方便了每種鋼的選擇，但這些參數(shù)幾乎不適用于所有鋼。主要原因是:第一，由于在鋼鐵冶煉中需要加入一定量的一種或多種合金元素，經(jīng)過簡(jiǎn)單的熱處理就可以獲得不同的顯微組織，從而改變鋼的原有性能；其次，由于煉鋼和澆注過程中產(chǎn)生的缺陷，特別是集中缺陷(如氣孔和夾雜物等。)在軋制過程中極其敏感，在化學(xué)成分相同的鋼的不同爐次中，甚至在同一鋼坯的不同部位都發(fā)生變化，從而影響鋼的質(zhì)量。因?yàn)殇摰捻g性主要取決于微觀組織和缺陷的分散程度(防止集中缺陷)，而不是化學(xué)成分。所以熱處理后韌性會(huì)有很大的變化。為了深入探索鋼的性能和斷裂原因，必須掌握鋼的物理冶金與組織和韌性的關(guān)系。

1.鐵素體-珠光體鋼的斷裂

鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大部分。它們通常是碳含量在0.05%和0.20%之間的鐵碳合金，并加入其他少量合金元素以提高屈服強(qiáng)度和韌性。

鐵素體-珠光體顯微組織由BBC鐵(鐵素體)、0.01%C、可溶性合金和Fe3C組成。在低碳含量的碳鋼中，滲碳體顆粒(碳化物)停留在鐵素體晶界和晶粒中。而當(dāng)碳含量高于0.02%時(shí)，絕大多數(shù)的Fe3C與部分鐵素體形成片狀結(jié)構(gòu)，稱為珠光體，并傾向于以“晶?！焙颓驙钋蛄?晶界析出物)的形式彌散分布在鐵素體基體中。含碳量在0.10% ~ 0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體占10% ~ 25%。

珠光體顆粒雖然堅(jiān)硬，但能廣泛分散在鐵素體基體中，容易在鐵素體周圍變形。一般來說，鐵素體的晶粒尺寸隨著珠光體含量的增加而減小。因?yàn)橹楣怏w球的形成和轉(zhuǎn)變會(huì)阻礙鐵素體晶粒的長(zhǎng)大。所以珠光體會(huì)通過增加d-1/2(d為平均晶粒直徑)間接增加拉伸屈服應(yīng)力δy。

從斷口分析來看，低碳鋼中含碳量有兩種鋼，其性能備受關(guān)注。第一，當(dāng)碳含量低于0.03%時(shí)，碳以珠光體團(tuán)的形式存在，對(duì)鋼的韌性影響不大；第二，當(dāng)碳含量較高時(shí)，以球體的形式直接影響韌性和夏比曲線。

2.處理過程的影響

從實(shí)踐中可知，水淬鋼的沖擊性能比退火或正火鋼好，因?yàn)榭焖倮鋮s防止了晶界處滲碳體的形成并促進(jìn)了鐵素體晶粒的細(xì)化。

許多鋼材是以熱軋狀態(tài)銷售的，軋制條件對(duì)沖擊性能影響很大。較低的終軋溫度會(huì)降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度，提高冷卻速度，使鐵素體晶粒細(xì)化，從而提高鋼的韌性。因?yàn)楹癜宓睦鋮s速度比薄板慢，所以鐵素體晶粒比薄板粗。因此，在相同的熱處理?xiàng)l件下，厚板比薄板更脆。因此，熱軋后常采用正火處理來改善鋼板的性能。

熱軋還可以生產(chǎn)出各種混合組織、珠光體帶和夾雜物晶界在同一軋制方向的各向異性鋼和定向韌性鋼。珠光體帶和細(xì)長(zhǎng)夾雜物粗大彌散成鱗片狀，對(duì)夏比轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間低溫缺口韌性影響較大。

3.鐵素體可溶合金元素的影響

大多數(shù)合金元素被添加到低碳鋼中，以在一定的環(huán)境溫度下產(chǎn)生固溶體硬化鋼，并增加晶格摩擦應(yīng)力δ i。然而，目前僅通過公式無法預(yù)測(cè)較低的屈服應(yīng)力，除非晶粒尺寸已知。雖然屈服應(yīng)力的決定因素是正火溫度和冷卻速度，但這種研究方法仍然非常重要，因?yàn)樗梢灶A(yù)測(cè)單一合金元素通過增加δ I來降低韌性的范圍。

到目前為止，還沒有關(guān)于鐵素體鋼的非塑性轉(zhuǎn)變(NDT)溫度和夏比轉(zhuǎn)變溫度的回歸分析的報(bào)道，但這些只是添加單一合金元素對(duì)韌性影響的定性討論。簡(jiǎn)要介紹了下列合金元素對(duì)鋼性能的影響。

1)錳。大多數(shù)錳含量在0.5%左右。作為脫氧劑或固硫劑加入，可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還具有以下功能。

◆含碳量為0.05%的鋼，空冷或爐冷后有減少晶界滲碳體膜形成的趨勢(shì)。

◆鐵素體晶粒尺寸可略有減小。

◆可產(chǎn)生大量細(xì)小的珠光體顆粒。

前兩種效應(yīng)表明無損檢測(cè)溫度隨錳含量的增加而降低，后兩種效應(yīng)使夏比曲線的峰值更尖銳。

當(dāng)鋼的含碳量較高時(shí)，錳能顯著降低相變溫度約50%。原因可能是由于大量的珠光體，而不是滲碳體在邊界的分布。必須注意的是，如果鋼的碳含量高于0.15%，高錳含量對(duì)正火鋼的沖擊性能起決定性作用。由于鋼的高淬透性，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘纳县愂象w，而不是鐵素體或珠光體。

2)鎳。鋼中加入錳可以提高鐵碳合金的韌性。效果取決于碳含量和熱處理。在含碳量極低(約0.02%)的鋼中，添加2%可以阻止熱軋和正火鋼中晶界滲碳體的形成，同時(shí)大幅降低初始相變溫度TS，提高夏比沖擊曲線峰值。

提高沖擊韌性的效果隨著鎳含量的增加而降低。如果碳含量低到正火后沒有碳化物出現(xiàn)，鎳對(duì)相變溫度的影響將是有限的。在含碳量為0.10%左右的正火鋼中加入鎳，最大的好處是細(xì)化晶粒，降低游離氮含量，但其機(jī)理尚不清楚。可能是鎳作為奧氏體的穩(wěn)定劑，從而降低了奧氏體的分解溫度。

3)磷。在純Fe-P合金中，磷在鐵素體晶界處發(fā)生偏析，降低了抗拉強(qiáng)度Rm并使晶粒變脆。此外，磷也是鐵素體的穩(wěn)定劑。所以加鋼會(huì)大大提高δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些效應(yīng)的結(jié)合將使磷成為極其有害的脆化劑，并引起穿晶斷裂。

4)硅。鋼中加入硅進(jìn)行脫氧，同時(shí)有利于提高沖擊性能。如果鋼中同時(shí)存在錳和鋁，硅大部分溶解在鐵素體中，固溶硬化使δi增大。這種效應(yīng)和添加硅對(duì)沖擊性能改善的綜合結(jié)果是，添加質(zhì)量百分比的硅使晶粒尺寸穩(wěn)定的鐵碳合金的50%轉(zhuǎn)變溫度提高了44℃左右。此外，硅和磷一樣，是鐵的穩(wěn)定劑，可以促進(jìn)鐵素體晶粒生長(zhǎng)。按重量百分比計(jì)算，正火鋼中加入硅會(huì)使平均能量轉(zhuǎn)換溫度提高60℃左右。

5)鋁。鋼中加入合金和脫氧劑有兩個(gè)原因:一是AlN與溶液中的氮形成，去除游離氮；其次，AlN的形成細(xì)化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結(jié)果是，鋁每增加0.1%，相變溫度將降低約40℃。但當(dāng)鋁的添加量超過要求時(shí)，對(duì)游離氮的“固化”作用就會(huì)減弱。

6)氧氣。鋼中的氧會(huì)在晶界上偏析，導(dǎo)致鐵合金沿晶斷裂。當(dāng)鋼中氧含量高達(dá)0.01%時(shí)，斷裂會(huì)沿著脆性晶粒的晶界產(chǎn)生的連續(xù)通道發(fā)生。即使鋼中氧含量很低，裂紋也會(huì)在晶界處集中形核，然后穿晶擴(kuò)展。為了解決氧脆化問題，可以加入碳、錳、硅、鋁、鋯等脫氧劑，與氧結(jié)合形成氧化物顆粒，將氧從晶界去除。氧化物顆粒也有利于延緩鐵素體生長(zhǎng)，增加d-/2。

4.碳含量在0.3% ~ 0.8%的影響

亞共析鋼的碳含量為0.3% ~ 0.8%，先共析鐵素體為連續(xù)相，首先在奧氏體晶界處形成。珠光體在奧氏體晶粒中形成，占顯微組織的35% ~ 100%。另外，在每個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)形成多種聚集結(jié)構(gòu)，使珠光體多晶化。

由于珠光體的強(qiáng)度高于共析鐵素體，限制了鐵素體的流動(dòng)，使鋼的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率隨珠光體中碳含量的增加而增加。隨著硬化塊數(shù)量的增加，珠光體對(duì)先共析晶粒尺寸的細(xì)化作用增強(qiáng)。

當(dāng)鋼中存在大量珠光體時(shí)，在低溫和/或高應(yīng)變速率變形時(shí)會(huì)形成微解理裂紋。雖然也有一些內(nèi)部聚集段，但裂縫通道最初是沿解理面延伸的。因此，在鐵氧體片之間和相鄰聚集結(jié)構(gòu)中的鐵氧體晶粒中存在一些優(yōu)選取向。

5.貝氏體鋼的斷裂

在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%的鉬和硼，可以優(yōu)化通常發(fā)生在700 ~ 850℃的奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變，不影響450℃和675℃奧氏體-貝氏體轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)條件。

貝氏體大約在525 ~ 675℃形成，通常稱為“上貝氏體”；在450 ~ 525℃之間形成的下貝氏體稱為“下貝氏體”。兩種組織都由針狀鐵素體和彌散碳化物組成。當(dāng)相變溫度從675℃降低到450℃時(shí)，未回火貝氏體的抗拉強(qiáng)度從585MPa提高到1170MPa。

因?yàn)橄嘧儨囟扔珊辖鹪氐暮繘Q定，并間接影響屈服和抗拉強(qiáng)度。這些鋼獲得的高強(qiáng)度是以下兩種作用的結(jié)果:

1)當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度降低時(shí)，貝氏體鐵素體片的尺寸不斷細(xì)化。

2)細(xì)小的碳化物連續(xù)分散在下貝氏體中。這些鋼的斷裂特性很大程度上取決于抗拉強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變溫度。

有兩個(gè)作用需要注意:第一，在一定的抗拉強(qiáng)度水平下，回火貝氏體的夏比沖擊性能比未回火的上貝氏體好得多。原因是在上貝氏體中，球體中的解理面切割了數(shù)個(gè)貝氏體晶粒，斷口的主要尺寸為奧氏體晶粒尺寸。

在下貝氏體中，針狀鐵素體中的解理面不對(duì)齊，所以決定準(zhǔn)解理斷口是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體的晶粒尺寸。因?yàn)檫@里針狀鐵素體的晶粒度只有上貝氏體奧氏體的1/2。因此，在相同強(qiáng)度水平下，下貝氏體的相變溫度遠(yuǎn)低于上貝氏體。

除了以上原因，就是碳化物分布。貝氏體中的碳化物沿晶界分布，抗拉強(qiáng)度Rm降低，脆性增加。在回火的下貝氏體中，碳化物均勻分布在鐵素體中，同時(shí)通過限制解理裂紋，提高了抗拉強(qiáng)度，促進(jìn)了球化珠光體細(xì)化。

其次，要注意非調(diào)質(zhì)合金相變溫度和抗拉強(qiáng)度的變化。在上貝氏體中，相變溫度的降低會(huì)細(xì)化針狀鐵素體的尺寸，提高延伸率Rp0.2。

在下貝氏體中，為了獲得830MPa或更高的抗拉強(qiáng)度，也可以通過降低轉(zhuǎn)變溫度和增加強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。但由于上貝氏體的斷裂應(yīng)力取決于奧氏體晶粒尺寸，而此時(shí)碳化物晶粒尺寸已經(jīng)很大，所以回火對(duì)提高抗拉強(qiáng)度的作用很小。

6.馬氏體鋼的斷裂

向鋼中添加碳或其他元素可以延遲奧氏體向鐵素體、珠光體或貝氏體的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，如果奧氏體化后冷卻速度足夠快，奧氏體會(huì)通過剪切過程變成馬氏體，而不會(huì)發(fā)生原子擴(kuò)散。

理想的馬氏體斷口應(yīng)具有以下特征。

◆四面體鐵素體或針狀馬氏體非常細(xì)小，因?yàn)橄嘧儨囟群艿?200℃或更低)。

◆由于剪切轉(zhuǎn)變，奧氏體中的碳原子來不及擴(kuò)散出晶體，使鐵素體中的碳原子飽和，馬氏體晶粒拉長(zhǎng)，導(dǎo)致晶格膨脹。

◆馬氏體相變必須超過一定的溫度范圍，因?yàn)樽畛跎傻鸟R氏體片增加了后期奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的阻力。因此，轉(zhuǎn)變組織是馬氏體和殘余奧氏體的混合組織。

為了保證鋼的性能穩(wěn)定，回火是必要的。高碳馬氏體(0.3%以上)，在以下范圍回火約1小時(shí)，經(jīng)歷以下三個(gè)階段。

1)當(dāng)溫度達(dá)到100℃左右時(shí)，馬氏體中的部分過飽和碳析出，形成非常細(xì)小的ε-碳化物顆粒，彌散在馬氏體中，降低碳含量。

2)當(dāng)溫度在100℃至300℃之間時(shí)，任何殘余奧氏體都可能轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和ε-碳化物。

3)在第三階段回火中，從200℃左右開始取決于碳含量和合金成分?；鼗饻囟壬凉参鰷囟葧r(shí)，碳化物析出物粗化，Rp0.2降低。

7.中等強(qiáng)度鋼的斷裂

回火除了消除應(yīng)力和提高沖擊韌性外，還有以下兩個(gè)作用:一是轉(zhuǎn)變殘余奧氏體。殘余奧氏體在30℃左右的低溫下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性的針狀下貝氏體。在更高的溫度下，如600℃，殘余奧氏體將轉(zhuǎn)化為脆性珠光體。因此，鋼在550 ~ 600℃進(jìn)行第一次回火，在300℃進(jìn)行第二次回火，以避免脆性珠光體的形成，稱為“二次回火”。

其次，增加彌散碳化物的含量(提高抗拉強(qiáng)度Rm)，降低屈服強(qiáng)度。如果提高回火溫度，兩者都會(huì)造成沖擊，相變回火范圍減小。因?yàn)轱@微組織變細(xì)，所以在相同強(qiáng)度水平下，拉伸塑性會(huì)提高。

回火脆性是可逆的。如果回火溫度太高而不能超過臨界范圍，并且轉(zhuǎn)變溫度降低，則可以在回火溫度再次升高之前，在臨界范圍內(nèi)重新加熱和處理材料。如果出現(xiàn)微量元素，脆性會(huì)得到改善。最重要的微量元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和硅，它們可以去脆化。如果有其他合金元素存在，鉬也能降低回火脆性，鎳和鉻也有一定作用。

8.高強(qiáng)度鋼(Rp0.2>1240MPa)的斷裂

高強(qiáng)度鋼可通過以下方法生產(chǎn):淬火和回火；淬火和回火前的奧氏體變形；以及退火和時(shí)效以生產(chǎn)沉淀硬化鋼。此外，鋼的強(qiáng)度可通過應(yīng)變和再回火或回火期應(yīng)變進(jìn)一步提高。

9.不銹鋼斷裂

不銹鋼主要由鐵鉻、鐵鉻鎳合金等元素組成，以提高機(jī)械性能和耐腐蝕性能。不銹鋼的防腐蝕是由于在金屬表面形成氧化鉻不滲透層，可以防止進(jìn)一步氧化。

因此，不銹鋼在氧化氣氛中具有防腐蝕和強(qiáng)化氧化鉻層的作用。然而，在還原氣氛中，氧化鉻層被損壞。耐蝕性隨著鉻和鎳含量的增加而增加。鎳可以改善鐵的鈍化。

添加碳是為了改善機(jī)械性能并確保奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性。一般來說，不銹鋼是按微觀結(jié)構(gòu)分類的。

◆馬氏體不銹鋼。它屬于鐵鉻合金，可以奧氏體化，隨后熱處理生成馬氏體。通常含有12%的鉻和0.15%的碳。

◆鐵素體不銹鋼。它含有大約14% ~ 18%的鉻和0.12%的碳。因?yàn)殂t是鐵素體的穩(wěn)定劑，奧氏體相被13%以上的鉻完全抑制，所以是完全的鐵素體相。

◆奧氏體不銹鋼。鎳是奧氏體的強(qiáng)穩(wěn)定劑。所以在室溫下，低于室溫或者高溫下，當(dāng)鎳含量為8%，鉻含量為18%(300型)時(shí)，奧氏體相可以非常穩(wěn)定。奧氏體類似于鐵素體，不能通過馬氏體轉(zhuǎn)變硬化。

并且鐵素體和馬氏體不銹鋼與同類的其他鐵素體和馬氏體鋼具有類似的特征，例如晶粒尺寸。

奧氏體不銹鋼FCC結(jié)構(gòu)在凍結(jié)溫度下不會(huì)裂開。310不銹鋼經(jīng)過80%冷軋后，具有極高的屈服強(qiáng)度和缺口敏感性，即使在低至-253℃的溫度下，缺口敏感性比為1.0。因此，它可用于導(dǎo)彈系統(tǒng)的液氫貯箱。類似的301型不銹鋼可用于溫度低至183℃的液氧儲(chǔ)罐。但是在這些溫度以下它是不穩(wěn)定的。如果發(fā)生任何塑性變形，不穩(wěn)定的奧氏體將變成脆性的非回火馬氏體。大多數(shù)奧氏體鋼用于防腐蝕環(huán)境。加熱到500 ~ 900℃時(shí)，碳化鉻會(huì)在奧氏體晶界析出，導(dǎo)致晶界附近鉻層完全貧化。這部分非常容易腐蝕和局部腐蝕，如果有應(yīng)力，還會(huì)導(dǎo)致晶體脆性斷裂。

為減輕上述危害，可加入少量性能比碳化鉻更強(qiáng)的元素，如鈦或鈮，與碳形成合金碳化物，防止鉻被耗盡和應(yīng)力腐蝕開裂。這種治療通常被稱為“穩(wěn)定治療”。

奧氏體也通常用于高溫，如壓力容器，以防止和滿足耐腐蝕性和抗蠕變性。由于焊后熱處理和高溫環(huán)境，一些鋼種對(duì)熱影響區(qū)及其附近的裂紋非常敏感。因此，焊接再加熱時(shí)，鈮或碳化鈦在高溫作用下會(huì)在晶粒和晶界析出，導(dǎo)致裂紋，影響使用壽命，必須引起高度重視。