冷脆，即低溫脆性，指某些金屬或合金在低於再結晶溫度或低溫(一般為100~-100℃)時，衝擊韌性急劇下降的現象。有時也指含磷量較高的鋼在冷作加工過程中所發生的脆性現象。
低溫脆性在體心立方晶體、六方晶體及三方晶體的金屬及合金中較為嚴重，低溫脆性發生的溫度，即使是同一金屬也是不固定的。黑心可鍛鑄鐵在含磷、硫量高或退火溫度在550℃以下緩冷時，晶界上有磷共品析出，可發生冷脆。斷口呈白色。
基本介紹
- 中文名：冷脆
- 外文名：cold shortness
- 別稱：低溫脆性
- 主要發生：體心立方晶體、六方晶體
- 磷的作用：提高鋼的強度
- 套用：冶金
冷脆介紹,冷脆現象,韌脆轉變測定,
冷脆介紹
冷脆與材料的韌性和脆性聯繫緊密。高韌性的材料不容易發生冷脆，反之就容易發生。在溫度低於一個特定溫度的時候，材料的吸收的衝擊功會突然減小，從韌性轉變為脆性，這一溫度即為冷脆轉變溫度。實驗上一般用衝擊試驗來確定這一溫度。
材料的晶體結構，基體相組織結構，溫度，引入新元素，相的大小及夾雜物等都會影響冷脆轉變溫度。磷在純鐵中有相當大的溶解度。磷能提高鋼的強度，但使其塑性和韌性降低，特別是它使鋼的脆性轉變溫度急劇升高，即提高了鋼的冷脆（低溫脆性）。
冷脆現象
有些金屬材料，如工程上用的中低強度鋼，當溫度降低到某一程度時，會出現衝擊吸收能量明顯下降並引起脆性破壞的現象，稱為冷脆。歷史上曾經發生過多次由於低溫脆性造成的壓力容器、船舶、橋樑等大型鋼結構脆斷的事故，造成巨大損失，如著名的泰坦尼克冰海沉船事故，美國二戰期間建造的焊接油輪“Victory”斷裂事故，西伯利亞鐵路斷軌事故等。
通過測定材料在不同溫度下的衝擊吸收能量，就可測出某種材料衝擊吸收能量與溫度的關係曲線，如下圖所示。
擊吸收能量與溫度的關係衝擊吸收能量隨溫度降低而減小，在某個溫度區間衝擊吸收能量發生急劇下降，試樣斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口，這個溫度區間就稱為韌脆轉變溫度範圍。
體心立方晶格金屬及其合金或某些密排六方晶格金屬及其合金，特別是工程上常用的中、低強度結構鋼(鐵素體一珠光體鋼)有明顯的冷脆現象。而面心立方金屬及其合金一般沒有低溫脆性現象，但有實驗證明，在20—42K的極低溫度下，奧氏體鋼及鋁合金也有冷脆性。高強度的體心立方合金(如高強度鋼及高強度銅)在很寬溫度範圍內，衝擊吸收能量均較低，故韌脆轉變不明顯，如下圖所示。
三種不同冷脆材料韌脆轉變溫度越低，金屬材料的低溫衝擊韌性就越好。在嚴寒地區使用的金屬材料必須有較低的韌脆轉變溫度，才能保證正常工作，如高緯度地區使用的輸油管道、極地考察船等建造用鋼的韌脆轉變溫度應在-50℃以下。
韌脆轉變測定
韌脆轉變溫度一般使用標準夏比V型缺口衝擊試驗測定，試驗原理與常溫衝擊試驗相同，只是要增設一個試樣冷卻裝置，如低溫恆溫箱，也可使用廣口保溫瓶等，如下圖所示。
簡易低溫衝擊製冷器示意圖冷卻介質由致冷劑和調溫劑組成，應無毒、安全和不腐蝕金屬。當使用液體介質冷卻試樣時，試樣應放置於一容器中的網柵上，網柵至少高於容器底部25 mm，液體浸過試樣的高度至少25 mm，試樣距容器側壁至少10mm，並應連續均勻攪拌介質以使溫度均勻。當使用氣體介質冷卻試樣時，試樣距低溫裝置內表面或試樣與試樣之間應保持足夠的距離，試樣應在規定溫度下保持至少20min。
低溫衝擊試驗大多數是人工操作。實踐表明，如試樣從低溫箱中取出到沖斷的整個時間少於2s，則試樣的溫度變化不大，冷卻介質的溫度一般不留附加過冷溫度。若試樣從取出到沖斷的時間大於5 s，則試樣溫度回升較多。因此，冷卻介質的溫度就應為規定冷卻溫度加上相應的過冷溫度。所需過冷溫度應預先通過試驗確定，當使用標準試樣，室溫為(20±5)℃時，可參考下圖給出的過冷溫度。
過冷溫度範圍每個試驗溫度一般用三支試樣，試驗溫度的間隔和試驗點應保證繪出完整、明確的曲線。根據不同溫度下的衝擊試驗結果，以衝擊吸收能量或脆性斷面(放射區)率為縱坐標，以試驗溫度為橫坐標繪製曲線，確定韌脆轉變溫度，如下圖所示。
測定金屬韌脆轉變溫度幾種方法