钢低温脆性概论
第2讲 低温脆性、影响韧脆转变温度的冶金因素
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
结构钢的低温冷脆及断裂机理概述
结构钢的低温冷脆及断裂机理概述引言随着现代工业的发展，工程结构中越来越多地使用到了高强度钢材，但在低温使用条件下，高强度结构钢的断裂韧性下降，其冷脆性增加，给工程带来了很大的危害。
因此，研究结构钢在低温环境下的力学特性及其变化规律，对于保证工程安全至关重要。
本文将简单介绍结构钢的低温冷脆性及其断裂机理。
低温冷脆性的概念低温冷脆性是指在低温条件下，材料失去了韧性，而变得脆性，在受到应力时会迅速断裂的现象。
MDP试验是评价结构钢低温冷脆性的一种方法，其通过测定钢试样在低温条件下残余强度比例（MDP值）来评价结构钢的低温冷脆性。
低温冷脆性的影响因素化学成分结构钢的化学成分对其低温冷脆性影响较大。
对于富含碳的钢材，其含碳量越高，低温冷脆性就越明显。
而添加一些合金元素，如锰、钼、铬等，可以显著提高结构钢的低温韧性。
晶界强化效应晶界处是结构钢中容易发生裂纹扩展的部位，晶间的强化效应可以提高结构钢的力学性能。
而在低温下，结构钢中的晶界强化效应减弱，导致晶界更加容易断裂，从而影响结构钢的低温韧性。
微观结构综合各种因素来看，晶粒细小、结构均匀的结构钢在低温下具有更好的韧性，并能够避免冷脆断裂。
结构钢的断裂机理在低温条件下，结构钢的断裂机制会发生明显的变化。
一般来说，有两种断裂模式：韧性断裂在低温下，结构钢中的韧性断裂主要靠金属基体中针状铁素体细微断裂形变和顺性裂纹扩展。
裂纹从铁素体中间开始扩展，并沿着晶界扩展，最终导致断裂。
因此，增强结构钢的针状铁素体细微断裂形变能力，有助于提高结构钢的低温韧性，抑制韧性断裂的发生。
脆性断裂在低温下，结构钢中的脆性断裂主要靠晶间断裂或微孔断裂实现。
因此，在设计结构钢时，需要考虑其晶粒度以及包括控制焊接热输入在内的生产工艺因素，以提高结构钢的低温韧性，防止脆性断裂的发生。
结论结构钢的低温冷脆性及其断裂机理直接关系到工程结构的安全运行。
为了提高结构钢在低温使用条件下的韧性，可以通过增加合金元素、控制晶粒度以及改善其生产工艺等措施，进一步探究其断裂机理，促进结构钢在低温下的稳定使用。
低温脆性
中、低合金结构钢的低温脆性及选材低温脆性指温度低于某一温度时,材料由韧性状态变为脆性状态,冲击值明显下降的现象。
工程上常用的中、低强度结构钢经常发生此类现象。
我国东北许多矿山上用的进口大型机械，在冬季就有低温脆性引起的大梁、车架等断裂现象，另外，日本汽车在东北冬季也出现过车架低温脆断问题。
1935年比利时在Albert运河上建造了大约50座焊接大桥，这些桥梁在以后几年中不断发生脆性断裂事故：38年3月Albert 河上Hasseld桥全长74.5米在气温-20℃时发生脆性断裂，整个桥断成三段坠入河中；以后又陆续发生断裂事故，到1950年就有6座在低温下发生脆断。
在二战期间，美国焊接的轮船在使用中发生大量的破坏断裂事故，其中238艘完全报废，19艘沉没。
值得注意的是，大部分脆断是在气温较低的情况下发生的。
当时美国船舶技术标准中没有对船舶用钢的低温脆性和缺口敏感性提出要求。
人们没有认识到此问题的重要性。
这些是我们在设计、制造高原车需要注意的问题。
1．低温脆性产生的原因：金属材料在不同温度、应力状态、加载速度和环境的作用下，断裂形式各不相同。
在工程实际使用的钢材中，脆性断裂的微裂纹形成机理是个非常复杂的问题，目前许多文献发表了这方面的研究成果，主要认为：1.1.钢中的第二相颗粒(夹杂物、碳化物)对钢的脆性裂纹形成影响很大。
脆性微裂纹可以有碳化物本身破碎开始，也可起源于硫化锰夹杂物处。
另外，第二相颗粒的大小对裂纹成核也有一定的影响，小的颗粒不易引起裂纹的产生。
1.2.低温脆性可起源于晶界。
晶界裂纹形成除了晶界上碳化物影响之外，微量有害元素偏析于晶界引起晶界脆化也是个重要因素，磷、硫、锑等元素及溶解的氧、氢、氮等气体在晶界偏析，大幅度降低了晶界脆性断裂抗力，提高了脆性转变温度。
1.3.应力及位错理论：主要观点认为金属中脆性断裂可起源于：金属晶格中的滑移面阻塞处、机械孪晶的交叉处、应力集中处以及前述的晶界处等。
钢低温脆性概论
2.3 脆性及脆性转变温度
4、强化=脆性？4.1材料的屈服与断裂
4.2引起材料破坏的原因
4.2.1外在原因：内部夹杂、裂纹、气体含量超标及环境腐蚀。
4.2.2内在原因：
成分、组织结构影响；
缺陷：点缺陷：空位、
间隙原子、杂质原子等，
晶格畸变；线缺陷：位错；
面缺陷：晶界、亚晶界、
层错、相界等。
材料的薄
弱环节，引起材料的破坏。
水韧处理的一级晶粒度的试样分别在常温（a）、-70℃（b）下的断口形貌。
调整热处理3-4级晶粒度的试样分别在-70℃（a）、-120℃（b）下的断口形貌。
成分调整前后对照，降低碳，增加镍、钼含量。
将热处理工艺由正火+回火改为完全退火+调质
�控轧--有效地将铁素体晶粒细化
�控冷--进一步细化铁素体晶粒，抑制珠光体相变，生成含贝氏体组织的混合组织。
玻璃粘弹性
转变与此相似玻璃化转变温度。
低温钢概述
20世纪30年代以来，国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。
分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低，性质变脆。
这个温度(实际上足一个温度范围)叫做脆性临界转变温度。
随着科学技术的发展，为了适应低温的要求，人们研制了各种低温钢。
钢的低温机械性能与它的晶体结构有很大关系，几乎所有钢种的强度、硬度和弹性模量都随着温度的降低而提高。
而大部分钢的塑性和韧性却随温度的降低有不同程度的降低。
其中，一类钢种随着温度下降，屈服强度迅速提高到强度极限的数值，从而转向脆性破坏；另—类钢种则随着温度的下降，其强度提高，而塑性和韧性指标仍保持较高数值。
前者通常具有体心立方晶格，叫做冷脆体：后者一般具有面心立方晶格，叫做非冷脆体。
因此，具有面心立方晶格的金属材料，如奥氏体不锈钢，在低温技术中首先得到应用。
随着对低温钢需求量的增大和使用温区的多样化，各国已研制出许多低合金低温钢。
对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。
其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。
所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。
在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。
锰、镍等元素能使低温韧性提高。
每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。
低温钢一般在碱性感应电炉、电弧炉中进行冶炼。
出钢温度和浇铸温度均不宜过高，过高的出钢温度会使钢水中气体增多：过高的浇铸温度则导致晶粒粗大，因而降低低温韧性。
热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。
经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。
根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。
根据成分和金相组织的区别，低温钢可分为：低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。
名词解释钢的冷脆性
名词解释钢的冷脆性钢的冷脆性是指钢在低温环境下，其韧性和韧度明显降低，易于发生断裂的性质。
冷脆性是一个非常重要的物理性质，特别是在工程结构和制造领域中，对材料的选择和使用有着重要的指导作用。
1. 冷脆性的原因钢的冷脆性主要源于其晶体结构和形变能力的变化。
普通钢由铁和少量的碳组成，这些原子按一定的排列方式组成晶体结构。
在正常温度下，铁原子和碳原子之间会形成一种强固的晶间键，从而使钢具有一定的韧性。
然而，在低温下，晶间键受到温度的影响而变得脆弱，容易发生断裂。
此外，钢的冷脆性还与其成分和处理方式有关。
某些合金元素，如硫、磷等，会增加钢的冷脆性。
同时，通过热处理和控制合金元素的含量，可以降低钢的冷脆性，增强其韧性。
2. 冷脆性的影响钢的冷脆性对工程结构和制造具有重要的影响。
首先，冷脆性会降低材料的韧性和延展性，增加断裂的风险。
在低温环境下，工程结构如桥梁、压力容器等容易发生脆性断裂，给人们的生活和财产带来潜在的危害。
其次，冷脆性对材料的选用和使用提出了要求。
在寒冷的地区或低温环境下，需要选择具有较高韧性的钢材。
同时，在工程中需要考虑材料的使用温度和环境，选择适当的材料，以避免冷脆性的影响。
3. 钢的冷脆性的测试和控制为了评估钢的冷脆性，人们开发了许多测试方法。
最常用的方法是冲击试验，即通过对材料施加冲击载荷，观察其断裂性能。
冲击试验可以得到冷脆转变温度和脆性指数等参数，用于评估钢的冷脆性。
为了控制钢的冷脆性，可以采取一系列措施。
首先是优化合金元素的配比，控制杂质含量。
其次是采用适当的热处理工艺，如淬火、回火等，以改变钢的晶体结构和性能。
此外，还可以通过添加合适的合金元素或采用特殊处理工艺，如控制冷却速率等，来提高钢的韧性和抗冷脆性能。
4. 钢的冷脆性在实际应用中的例子钢的冷脆性在实际应用中具有重要的意义。
例如，在航空航天领域，机身和发动机零部件常常需要在极低温环境下运行，对钢材的抗冷脆性提出了很高的要求。
结构钢的低温冷脆及断裂机理概述
结构钢的低温冷脆及断裂机理概述
低温下结构钢的断裂问题，一直是工程结构设计和安全评估中的重要问题之一。
低温下的结构钢会出现低温冷脆性，引起钢材的断裂和失效，对工程的安全性产生严重的影响。
结构钢在低温下的行为与常温下存在很大的差异，主要表现在两个方面，一个是力学性能的改变，另一个是断裂机理的变化。
低温下的结构钢会呈现出低强度、高脆性的特点，即使是强度较高的钢也可能在低温下发生失效。
低温冷脆性是指当钢材在低温下受到冲击或载荷时容易发生韧性断裂或脆性断裂，这是由于钢材的冷脆性增加和塑性韧性降低所引起的。
低温冷脆性的发生机理主要涉及到结构钢的微观组织结构和晶界特征，包括晶粒的取向、晶界的纯度和形态等。
常见的低温冷脆性失效形式包括韧带断裂、半韧带断裂和完全断裂。
其中韧带断裂是指断口呈现出一定的韧性特征，而半韧带断裂则是在韧带断裂和完全断裂之间的一种失效形式。
低温下的断裂机理与常温下也存在很大的差异。
在常温下，断裂主要是由裂纹起始和裂纹扩展所引起，裂纹扩展的主要机制是晶界滑移和裂纹穿过晶界。
而低温下，断裂机理主要涉及到钢材的晶体结构和晶粒取向的变化。
钢材在低温下的晶粒组织结构会发生变化，晶粒的取向发生改变，这将导致新的晶界的产生，从而影响到断裂的扩展方向。
为了提高结构钢在低温下的使用安全性，需要采取一些措施，主要包括：选择冷脆性较小的钢材、提高钢材的韧性和降低钢材的硬度、控制结构钢的冷却速度、使用适当的焊接工艺、减少钢结构的热影响和提高钢结构的防腐蚀
性能等。
此外，需要在结构钢的设计和评估中考虑低温下的影响，对结构的安全性进行充分评估。
钢结构脆性破坏分析
钢结构脆性破坏分析结构的脆性破坏是各种结构可能破坏形式中让人最头痛的一种破坏。
脆性断裂破坏前结构没有任何征兆不出现异样的变形，没有早期裂缝。
脆性断裂破坏时，荷载可能很小，甚至没有任何荷载的作用。
脆性断裂的突发性，破坏过程的瞬间性，根本来不及补救，大大增加了结构破坏的危险性。
一、钢结构脆性断裂的特征脆性破坏，破坏时几乎不发生变形，而且是瞬间发生，破坏时应力低于极限承载力。
钢材晶格之间的剪切滑移受到限制，使变形无法发生，脆性破坏的结果是钢材晶格间被拉断。
发生的机会较多，因此非常危险。
在处于韧性状态的材料中，裂纹的扩展必须有外力做功。
如果外力停止做功，裂纹也就停止扩展。
在处于脆性状态的材料中，裂纹的扩展几乎不需要外力做功，仅在裂纹起裂的时候，从拉应力场中释放出的弹性能可驱动裂纹极为迅速的扩展。
对于钢结构，发生脆性破坏时，已经注意到主要有以下一些共同的特征：残余应力的存在在某些构件的空洞、缺口、尖锐凹角、截面突变及焊接部分引起三轴向拉力；所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感；板厚度过大影响；应力集中影响；多数破坏发生在低温情况下；焊接和钢材中冶金质量影响；脆性断裂在所有情况下发生都是突然的。
二、影响钢结构脆性断裂的因素2.1 裂纹断裂力学的出现，较好的解答了钢结构低应力脆断问题。
钢结构或构件的内部总是存在不同类型和不同程度的缺陷。
比如对接焊缝的未焊透，角焊缝的咬边，未熔合等。
这些缺陷通常可作为裂纹看待。
断裂力学认为，解答脆性断裂问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发进行分析。
断裂是在侵蚀性环境作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。
裂纹有大小之分。
尤其是尖锐的裂纹使构件受力时处于高度应力集中。
裂纹随应力的增大而扩展，起初是稳定的扩展，后来达临界状态，出现失稳扩展而断裂。
对于高强钢材制作的结构，构件中储存的应变能高，断裂的危险性也就大于用普通钢材的结构。
因此，对高强钢材的韧性应要求更高一些。
2.2 应力集中的影响钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免，在荷载作用下，这些部位将产生局部高峰应力，而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。
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2.3 脆性及脆性转变温度
4、强化=脆性？4.1材料的屈服与断裂
4.2引起材料破坏的原因
4.2.1外在原因：内部夹杂、裂纹、气体含量超标及环境腐蚀。
4.2.2内在原因：
成分、组织结构影响；
缺陷：点缺陷：空位、
间隙原子、杂质原子等，
晶格畸变；线缺陷：位错；
面缺陷：晶界、亚晶界、
层错、相界等。
材料的薄
弱环节，引起材料的破坏。
水韧处理的一级晶粒度的试样分别在常温（a）、-70℃（b）下的断口形貌。
调整热处理3-4级晶粒度的试样分别在-70℃（a）、-120℃（b）下的断口形貌。
成分调整前后对照，降低碳，增加镍、钼含量。
将热处理工艺由正火+回火改为完全退火+调质
�控轧--有效地将铁素体晶粒细化
�控冷--进一步细化铁素体晶粒，抑制珠光体相变，生成含贝氏体组织的混合组织。
玻璃粘弹性
转变与此相似玻璃化转变温度。