第2讲 低温脆性、影响韧脆转变温度的冶金因素
《工程材料力学性能》考试复习题
名词解释名词解释1，循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力应力状态软性系数材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。
：2，缺口效应：缺口材料在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生的变化。
3，缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。
抗拉强度的比值表示。
4，冲击吸收功：冲击弯曲试验中试样变形和断裂所消耗的功5，过载损伤界：抗疲劳过载损伤的能力用过载损伤界表示。
6，应力腐蚀：材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏7，氢蚀：，氢蚀： 由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导 8，金属脆化。
氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。
微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
断裂。
9，磨损：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。
1010，耐磨性：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，，耐磨性：机件表面相互接触并产生相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的现象。
论述论述1，影响屈服强度的因素：，影响屈服强度的因素：①内因：①内因：a a 金属本性及晶格类型b 晶粒大小和亚结构c 溶质元素d 第二相第二相②外因：②外因：a a 温度b 应变速率c 应力状态应力状态2，影响韧脆转变的因素：，影响韧脆转变的因素：①冶金因素：①冶金因素：a a 晶体结构，体心立方金属及其合金存在低温脆性。
b 化学成分化学成分,1,1,1）间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑）间隙溶质元素↑→韧脆转变温度↑2置换型溶质元素一般也能提高韧脆转变温度，但Ni 和一定量Mn 例外。
3杂质元素S 、P 、As As、、Sn Sn、、Sb 等使钢的韧性下降等使钢的韧性下降c 晶粒大小，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。
材料力学性能 9
（一）名词解释：第一章：滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。
穿晶断裂：裂纹穿过晶界。
从宏观看，穿晶断裂可以是韧性断裂或脆性断裂；两者有时可混合发生。
沿晶断裂：裂纹沿晶扩展。
从宏观看，沿晶断裂多数是脆性。
韧脆转变：材料力学性能从韧性状态转变到脆性状态的现象。
第二章应力状态软性系数：材料最大切应力与最大正应力的比值，记为α。
α越大τmax越大，应力状态越软，金属易变性，韧性断裂；反之α越小σmax越大，应力状态越硬，不易变形，脆性断裂。
缺口敏感度：金属材料的缺口敏感性指标，用缺口试样的抗拉强度与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度的比值表示。
第三章冲击韧度：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。
低温脆性：体心立方晶体金属及其合金或某些密派六方晶体金属及其合金在试验温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态的现象。
韧脆转变温度：材料呈现低温脆性的临界转变温度。
第四章低应力脆断：当机件（包括构件）存在宏观裂纹时，在应力水平不高，甚至低于材料屈服极限的情况下所发生的突然断裂现象称为低应力脆断。
应力场强度因子K I：对于给定材料，裂纹尖端附近确定点P(r，θ)，KI决定了裂纹尖端应力场的大小或强弱程度；即：表示I型裂纹的应力场强弱程度。
有效裂纹长度：有塑性区存在时，引入有效裂纹长度：a*=a+r y；即把塑性区松弛弹性应力场的作用等效地看成是裂纹长度增加r y的松弛弹性应力场的作用。
裂纹扩展K判据：应力场强度因子K I≥K Ic(只适用于弹性状态下的断裂分析)。
第六章：应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象——应力腐蚀断裂（SCC）。
第七章：接触疲劳：接触材料作滚动或滚动加滑动摩擦时，工件表面在交变接触压应力长期作用后所引起的一种局部区域发生小片(块)状剥落的表面疲劳损伤现象，称接触疲劳(表面疲劳磨损、疲劳磨损)第八章：蠕变：金属在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，称为蠕变。
韧脆转变温度
韧脆转变温度韧脆转变温度是指物质在加热或冷却过程中从韧性状态转变为脆性状态的温度。
这个概念在材料科学中非常重要，因为它可以帮助我们了解材料的性质和行为，并且在制造和设计材料时提供重要的信息。
本文将探讨韧脆转变温度的基本概念、影响因素和应用。
一、基本概念韧脆转变温度是指在加热或冷却过程中，材料从韧性状态转变为脆性状态的温度。
这个温度通常被称为转变温度或临界温度。
在韧性状态下，材料可以承受较大的应力和变形，而在脆性状态下，材料会发生断裂和破坏。
因此，韧脆转变温度是材料在不同温度下表现出的韧性和脆性之间的过渡点。
这个概念对于理解材料的性质和行为，以及在材料制造和设计中的应用非常重要。
二、影响因素韧脆转变温度受到多种因素的影响，其中最重要的因素是材料的化学成分、晶体结构和温度。
不同的化学成分、晶体结构和温度会导致不同的韧脆转变温度。
例如，金属的韧脆转变温度通常比非金属低，因为金属具有更紧密的晶体结构和更高的熔点。
此外，材料的缺陷和处理方式也会影响韧脆转变温度。
例如，材料中的裂纹和气孔会降低韧脆转变温度，而热处理和冷却过程可以改变材料的晶体结构和缺陷，从而影响韧脆转变温度。
三、应用韧脆转变温度在材料科学中有广泛的应用。
首先，韧脆转变温度可以用来评估材料的耐用性和安全性。
例如，在航空航天工业中，韧脆转变温度可以用来评估航空发动机材料的可靠性和安全性。
其次，韧脆转变温度可以用来指导材料的设计和制造。
例如，在汽车工业中，韧脆转变温度可以用来指导汽车发动机的设计和材料的选择。
此外，韧脆转变温度还可以用来研究材料的性质和行为。
例如，在材料科学中，研究韧脆转变温度可以帮助我们了解材料的强度、塑性和断裂机制。
总之，韧脆转变温度是材料科学中非常重要的概念。
它可以帮助我们了解材料的性质和行为，并且在制造和设计材料时提供重要的信息。
通过深入研究韧脆转变温度，我们可以更好地理解材料在不同温度下的行为和性能，为材料科学和工程提供更好的基础。
韧脆转变温度的调控方法-概述说明以及解释
韧脆转变温度的调控方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述韧脆转变温度的调控方法是一项关键的研究领域，对于材料工程和材料科学领域来说具有重要意义。
通过调控材料的韧脆转变温度，我们可以改变材料的性能和应用范围，从而满足不同领域的需求。
韧性和脆性是材料的两种基本力学性质。
在低温下，大多数材料表现出韧性，即能够吸收较大的变形能量而不破裂。
而当温度升高时，部分材料会出现韧脆转变现象，即由韧性转变为脆性。
这一现象使得材料在高温环境下容易发生失效和破坏，限制了其应用范围。
因此，如何有效调控材料的韧脆转变温度成为了研究的热点之一。
通过确定和改变影响韧脆转变的因素，我们可以找到适合特定应用需求的材料和工艺。
本文将重点介绍影响韧脆转变温度的主要因素，并探讨如何通过不同的调控方法来改变韧脆转变温度。
我们将综述目前已有的研究成果，包括材料配方设计、微结构控制、热处理技术等方面的方法，并对其进行分析和比较。
最后，我们将总结目前已有的研究成果，并展望未来的研究方向。
我们希望通过本文的详细介绍和分析，可以为相关领域的科研人员提供一定的参考和指导，推动韧脆转变温度调控方法的进一步研究和应用。
1.2文章结构1.2 文章结构本文主要围绕韧脆转变温度的调控方法展开讨论，以下是文章各部分的内容概述：引言部分将对本文的主题进行概述，并介绍韧脆转变温度的意义和影响因素，为后续内容的阐述做铺垫。
正文部分将分为三个小节，分别探讨韧脆转变温度的意义、影响因素以及调控方法。
在“2.1 韧脆转变温度的意义”中，我们将阐述韧脆转变温度在材料科学领域的重要性，包括其对材料性能和应用的影响。
同时，我们还将介绍韧脆转变温度与材料微结构之间的关系，以及相关研究的现状和挑战。
“2.2 韧脆转变温度的影响因素”部分将对影响韧脆转变温度的因素进行详细探讨。
我们将介绍物质的成分、晶体结构、晶界、缺陷和杂质等因素对韧脆转变温度的影响机制，分析这些因素的作用机理和相互关系。
低冷脆转变温度
低冷脆转变温度一、低冷脆转变温度的定义低冷脆转变温度是指材料在低温下变得脆性的临界温度。
在低于该温度时，材料的韧性和抗冲击性大幅下降，容易发生断裂和破坏。
低冷脆转变温度是材料力学性能中的一个重要参数，对于一些应用于低温环境的材料尤为关键。
二、低冷脆转变温度的影响因素2.1 材料成分材料的成分是影响低冷脆转变温度的主要因素之一。
通常来说，含碳量较高的钢材具有较低的低冷脆转变温度。
这是因为碳元素可以形成碳化物，增加了材料的强度和韧性，提高了其抗冲击性能。
2.2 冷却速率冷却速率也是影响低冷脆转变温度的重要因素。
较快的冷却速率可以提高材料的韧性和抗冲击性能，降低低冷脆转变温度。
这是因为快速冷却可以抑制晶粒的生长和形成，减少了晶界的强化效应，提高了材料的塑性。
2.3 加工工艺加工工艺也会对低冷脆转变温度产生影响。
一些热处理工艺，如淬火和回火，可以改善材料的力学性能，降低低冷脆转变温度。
这是因为热处理可以调整材料的组织结构，消除内部应力，提高材料的韧性。
2.4 环境条件环境条件也会对低冷脆转变温度产生影响。
在低温环境中，材料的韧性和抗冲击性能会降低，低冷脆转变温度会相应降低。
因此，在低温环境中使用材料时，需要考虑其低冷脆转变温度以确保其性能。
三、低冷脆转变温度的测试方法3.1 断裂韧性测试断裂韧性测试是评估材料低冷脆转变温度的一种常用方法。
常用的测试方法有冲击试验和拉伸试验。
冲击试验通过对材料施加冲击载荷来评估其抗冲击性能，从而间接推测出低冷脆转变温度。
拉伸试验则通过测量材料在低温下的应变-应力曲线来评估其断裂韧性。
3.2 金相显微镜观察金相显微镜观察是一种直接观察材料组织结构的方法。
通过对材料进行金相制样和腐蚀处理，可以清晰地观察到晶粒的形态、尺寸和分布情况。
在低温下观察材料的金相组织，可以判断材料是否存在低冷脆转变温度。
四、低冷脆转变温度的应用4.1 钢铁行业在钢铁行业中，低冷脆转变温度是一个关键参数。
第2讲 低温脆性、影响韧脆转变温度的冶金因素
金属材料的韧脆转变
“泰坦尼克”号的沉没事故
普通铁驳船的断裂事故
“泰坦尼克”号的沉没事故
冲击试验断口照片
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
高分子材料的韧脆转变
钢的几个脆性转变温区
材料两个强度指标的变化
二、韧脆转变温度及其确定方法
从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度tk是温度区间， 而不是固定的某一个温度tk，这个区域的确定目前尚无简 单的判据，通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的 变化定义tk ① FTP (Fracture Transition Plastic)： 得到100%纤维状断 口的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现 ② NDT (Nil Ductility Temperature)：低阶能（低于某一个 温度，吸收冲击能不随温度变化）开始上升的温度（低于 此温度时，冲击断口为100%脆断口，解理断口）； ③ FTE (Fracture Temperature Elastic)：低阶能和高阶能 的平均值所对应的温度
ZG230-450铸钢金相组织(1)—铸态组织
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高温正火+高温淬火
对不合格的连杆螺钉进行高 温正火+高温淬火热处理后， 连杆螺钉的冲击韧度值得到 显著提高。其力学性能见表 6
连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 材料 不同热处理对连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 低温冲击性能的影响实验
实验二 低碳钢韧脆转化温度
T8钢（1#）及纯铁（2#）,成分（wt%）如表所示：
Steel No.
C
Si
Mn
P
S
Fe
1
0.32
0.30
0.80
0.025
0.037
Bal.
2
0.0014
0.03
0.05
0.012
0.087
Bal.
试样外型尺寸：10mm*10mm*55mm。缺口部位为U型槽。
实验仪器：
冲击试样机：JB-30B，最大吸收功300/150J.
53
20
20
7
-1
Ak/J
>208
70(T)
>244
>262
16(T)
8
134
断口脆性区面积%
0%
71%
0%
0%
99%
99%
25%
温Ak/J
56
68
8(T)
9
断口脆性区面积%
91%
61%
99%
78%
本人测得数据：
温度/oC
-38
Ak/J
17
断口脆性区面积%
74%
断口形貌见右图手绘：
[分析与讨论]
影响试验材料韧脆转变温度的因素有材料结构与性质，而对一定的材料来说，影响他们的因素有：
1．力学状态
2．温度
3．应变速率
本次试验的纯铁试样的结构属于BCC结构，因此在一定温度内表现为韧性，而在另外的温度内表现为脆性，所有存在一定的韧脆转变区间，而T8钢由于碳含量高，因此为脆断，不存在韧脆转变区间。
力学状态的影响：受力过程中，应力状态软性系数 ，破坏前产生明显塑性变形，产生韧性断裂。而 时，应力状态变硬，变为脆性断裂。
脆性转变温度的影响因素
脆性转变温度和其影响因素（一）第一类回火脆性1. 第一类回火脆性的主要特征及影响因素在200〜350C之间回火时出现的第一类回火脆性又称低温回火脆性。
如在出现第一类回火脆性后再加热到更高温度回火，可以将脆性消除，使冲击韧性重新升高。
此时若再在200〜350C温度范围内回火将不再会产生这种脆性。
由此可见，第一类回火脆性是不可逆的，故又可称之为不可逆回火脆性。
几乎所有的钢均存在第一类回火脆性。
如含碳不同的Cr-Mn钢回火后的冲击韧性均在350C出现一低谷。
第一类回火脆性不仅降低室温冲击韧性，而且还使冷脆转变温度50% FATTe［钢料的冲击韧性随测试温度的下降而出现显著下降时所对应的温度，即使钢料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为冷脆转变温度，用50％FATTf C）表示，详见金属力学性能］升高，断裂韧性KIe下降。
如Fe-0.28 C-0.6 4Mn-4.82Mo 钢经225C回火后KIe为117.4MN/m 而经300C回火后由于出现了第一类回火脆性，使KIe降至73.5MN/m出现第一类回火脆性时大多为沿晶断裂，但也有少数为穿晶解理断裂。
影响笫一类回火脆性的因素主要是化学成分。
可以将钢中元素按其作用分为三类。
1）有害杂质元素，其中包括S、P、As、Sn Sb Cu N、H、O等。
钢中存在这些元素时均将导致出现第一类回火脆性。
不含这些杂质元素的高纯钢没有或能减轻第一类回火脆。
2）促进第一类回火脆性的元素。
属于这一类的合金元素有M n、Si 、cr、Ni、V 等。
这一类合金元素的存在能促进第一类回火脆性的发展。
有的元素单独存在时影响不大，如Ni。
但当Ni与Si同时存在时则也能促进第一类回火脆性的发展。
部分合金元素还能将笫一类回火脆性推向较高的温度，如Cr 与Si。
3）减弱第一类回火脆性的元素。
属于这一类的合金元素有Mo、W、Ti 、A l 等。
钢中含有这一类合金元素时第一类回火脆性将被减弱。
在这几种合金元素中以Mo的效果最显著。
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现代化企业的雄姿
一、低温脆性的本质
材料在温度低于某一个温度t或者温度区间时，冲击 吸收功明显下降的现象称之为低温脆性，材料随之表 现为脆性。这种韧性材料转变为脆性材料的现象称之 为韧脆转变，所对应的温度t或者温度区间称之为韧 脆转变温度。但是，并不是所有的材料都存在韧脆转 变现象，例如，高强度及超高强度钢（面心立方金属 及其合金）在很宽的温度范围内没有低温脆性现象 （一般在20—42K的极低温度条件下，奥氏体钢和铝 合金有冷脆现象），部分材料的材料
连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 材料
磷含量影响连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 材料的低温冲击性能
影响冲击韧度的因素主要有淬透性差、金相组织不合格、第二类回火脆性， 以及杂质元素含量高形成第一类回火脆性等。18Cr2Ni4WA材料属于中合金 高强度钢，其淬透性非常好，可达100mm以上，因此不存在金相组织不合格 的问题。对于第二类回火脆性，采用回火后水冷与空冷的对比，发现冲击韧 度变化不明显，第二类回火脆性不明显。因此，杂质元素含量高就是一个重 要原因，这些杂质元素形成了第一类回火脆性，但分析其中的铅、锑、锡、 砷等四种杂质，其总量不超过0.1％，因而磷含量高也就是影响回火脆性的一 个主要原因。
三、落锤试验
NDT的确定：低强度钢防止脆性断裂的设计准则 ➢ NDT设计标准 保证结构件的工作温度高于材料本身
的NDT，构件在高应力区由于小裂纹的存在不会造 成脆性断裂的发生； ➢ NDT+33℃设计标准 适用于原子能反应堆压力容器 标准； ➢ NDT+67 ℃设计标准 适用于全塑性断裂情况下，仍 能保证最大限度的抗断能力，原子能反应堆压力容器 标准； ➢ 断裂分析图FAD（图3-9）。
金属材料的韧脆转变
“泰坦尼克”号的沉没事故
普通铁驳船的断裂事故
“泰坦尼克”号的沉没事故
冲击试验断口照片
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
高分子材料的韧脆转变
钢的几个脆性转变温区
材料两个强度指标的变化
二、韧脆转变温度及其确定方法
从以上的分析我们可以看出，韧脆转变温度tk是温度区间， 而不是固定的某一个温度tk，这个区域的确定目前尚无简 单的判据，通常根据能量、塑性变形或断口形貌随温度的 变化定义tk ① FTP (Fracture Transition Plastic)： 得到100%纤维状断 口的温度（偏于保守），有时该测定不可能实现 ② NDT (Nil Ductility Temperature)：低阶能（低于某一个 温度，吸收冲击能不随温度变化）开始上升的温度（低于 此温度时，冲击断口为100%脆断口，解理断口）； ③ FTE (Fracture Temperature Elastic)：低阶能和高阶能 的平均值所对应的温度
④ FATT50, t50(Fracture Appearance Transition Temperature)：50%解理断裂和50%塑性断裂所对应的温 度
各种定义如下图所示
含碳量对钢材韧脆转变的影响
合金成分对钢材（含碳量相同） 韧脆转变的影响
三、落锤试验
解决冲击试样尺寸小、冲击试验数据分散性大的特点， 20世纪50年代初，美国海军研究所W.S.Pellini等人提出 了对于厚钢板的NDT实验法，实验能量较大； 试样尺寸：25mmX90mmX350mm、 19mmX50mmX125mm、16mmX50mmX125mm； 试验装置：落锤式试验机（图3-8），锤头为半径为 25mm的钢制圆柱，硬度不小于50HRC，冲击能量为 340~1650J； 实验标准：GB/T6803《铁素体钢的无塑性转变温度落锤 试验方法》（美国ASTM E208，ASTM E208 Drop Weight Test for Nil-Ductility Temperature of Ferritic Steel）。
落锤试验与普通冲击实验比较
落锤试验装置
落锤试验装置
第四节 影响韧脆转变温度的冶金因 素
1、晶体结构的影响
2、化学成分的影响
（1）碳含量的影响
（2）其它元素的影响
s
合金元素对韧脆转变温度的影响
一般来说，置换型溶质 元素的影响不显著，Ni 和Mn例外(低温用钢)。 杂质元素的影响显著 （韧性下降），应该尽 量降低杂质元素。
1、钢在低温冲击时冲击功极低的现象称之为钢的冷脆 （在0.2~0.5 kgfm/cm2） 2、冷脆多发生在体心立方和密排六方金属及合金中 3、相关实验标准： GB/T 229-1994；GB 4158-84；GB5482-93； GB6803-86；GB8363-87；GB/T 3075-91
材料的韧脆转变
连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 材料
不同热处理对连杆螺钉 18Cr2Ni4WA 低温冲击性能的影响实验
方案A：亚温淬火工艺。通过亚温淬火将淬火温度降至760℃左右，这 样可以在一定程度上使晶粒得到细化。根据有关资料介绍，亚温淬火可获得 细小的铁素体，可在一定程度上提高冲击韧件；同时，由于晶粒的细化，晶 粒数量变多，磷的夹杂物分布晶界的密度及数量相对减少，从而有利于冲击 韧度的提高。
ZG230-450铸钢金相组织(1)—铸态组织
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（3）显微组织的影响
• 晶粒大小的影响：晶粒小——韧性高——韧脆转变温度下降 • 低碳马氏体钢中马氏体板条宽度下降，韧脆转变温度下降
（4）金相组织的影响
自学
焊接线能量对冲击韧性的影响
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