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為何含碳量高的鋼材容易斷裂?

2019-05-24 12:24:00

  含碳量高的棒材發(fā)生過(guò)很多次斷裂,如45#鋼做的軸,使用不太長(zhǎng)的時(shí)間就發(fā)生斷裂。從斷裂后部件上取樣,進(jìn)行金相分析,往往找不到產(chǎn)生的原因,即算牽強(qiáng)附會(huì)找到了一些原因,也不是實(shí)際的原因。

  為了確保更高的強(qiáng)度,還必須在鋼中添加碳,隨之就會(huì)析出鐵碳化物。從電化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看,鐵碳化物發(fā)揮了陰極作用,加快了基體周邊的陽(yáng)極溶解反應(yīng)。在顯微組織內(nèi)的鐵碳化物體積分?jǐn)?shù)的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。

  鋼材表面易于產(chǎn)生并吸附氫,氫原子向鋼材內(nèi)部滲入的同時(shí),氫的體積分?jǐn)?shù)就可能會(huì)增加,最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。高強(qiáng)鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著降低不僅有害于鋼材的性能,還會(huì)極大地限制鋼材的應(yīng)用。

  如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環(huán)境中,在應(yīng)力作用下,可能出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)現(xiàn)象就會(huì)對(duì)車身的安全性造成嚴(yán)重的威脅。(2019117日《中國(guó)冶金報(bào)》上鞍鋼副總經(jīng)理王義棟說(shuō):攻關(guān)高強(qiáng)韌性無(wú)碳化物1380兆帕貝氏體鋼軌)

  碳含量越高,氫擴(kuò)散系數(shù)減小,氫溶解度增大。學(xué)者Chan曾經(jīng)提出,析出物(作為氫原子的陷阱位置)、電位、空孔等各種晶格缺陷與碳含量成正比,碳含量增大,就會(huì)抑制氫擴(kuò)散,因此氫擴(kuò)散系數(shù)也較低。

  由于碳含量與氫溶解度成正比關(guān)系,作為氫原子陷阱的碳化物,體積分?jǐn)?shù)越大,鋼材內(nèi)部的氫擴(kuò)散系數(shù)越小,氫溶解度增大,氫溶解度也包含了有關(guān)擴(kuò)散性氫的信息,因而氫脆敏感性最高。隨著碳含量的增加,氫原子的擴(kuò)散系數(shù)減小,表面氫濃度增大,這是因?yàn)殇摬谋砻娴臍涑妷合陆邓隆?/span>

  從動(dòng)電壓極化試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,試樣的碳含量越高,酸性環(huán)境中就易于發(fā)生陰極還原反應(yīng)(氫生成反應(yīng))以及陽(yáng)極溶解反應(yīng)。與具有低氫超電壓的周邊基體進(jìn)行比較,碳化物發(fā)揮了陰極的作用,其體積分?jǐn)?shù)增大。

  根據(jù)電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)結(jié)果,試樣內(nèi)的碳含量和碳化物的體積分?jǐn)?shù)越大,氫原子的擴(kuò)散系數(shù)就越小,溶解度增大。隨著碳含量的增加,抗氫脆性也會(huì)降低。

  慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)證實(shí),碳含量越大,抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能也會(huì)降低。與碳化物的體積分?jǐn)?shù)成正比,隨著氫還原反應(yīng)及向試樣內(nèi)部滲透的氫注入量增加,就會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng),也會(huì)加快形成滑移帶。

  碳含量的增大,鋼材內(nèi)部就會(huì)析出碳化物,在電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的作用下,氫脆可能性就會(huì)增大,為了確保鋼具備優(yōu)秀的耐腐蝕性和抗氫脆性,對(duì)碳化物的析出和體積分?jǐn)?shù)的控制進(jìn)行是有效的控制方法。

  鋼材在汽車零配件上的應(yīng)用受到一些限制,也要?dú)w因于其抗氫脆性能的明顯下降,而氫脆是由水溶液腐蝕產(chǎn)生的。事實(shí)上,這種氫脆敏感性是與碳含量密切相關(guān)的,在低氫超電壓條件下析出鐵碳化物(Fe2.4C / Fe3C)。

  一般針對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象或氫脆現(xiàn)象導(dǎo)致的表面局部腐蝕反應(yīng),通過(guò)熱處理除去殘余應(yīng)力,增大氫陷阱效率等方面開(kāi)展。要想開(kāi)發(fā)兼具優(yōu)秀耐腐蝕性和抗氫脆性的超高強(qiáng)汽車用鋼,也自然并非易事。

  隨著碳含量的增大,氫還原速率增大,而氫擴(kuò)散速率顯著降低。使用中碳或高碳鋼做零部件或傳動(dòng)軸等,技術(shù)關(guān)鍵就是對(duì)顯微組織中的碳化物組分進(jìn)行有效控制。

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