冷脆性

冷脆性是指隨著溫度的降低，金屬材料強度有所增加，而韌性下降這一種現象的稱呼。

基本介紹

• 中文名：冷脆性
• 外文名：  cold brittleness
• 定義：金屬材料在低溫下呈現的脆性
• 上限溫度：韌脆轉變溫度
• 對象：金屬材料
• 套用學科：冶金術語

概述

隨著溫度的降低，大多數鋼材的強度有所增加，而韌性下降。金屬材料在低溫下呈現的脆性稱為冷脆性。材料由延性破壞轉變到脆性破壞的上限溫度稱為韌脆轉變溫度。為防止發生低溫脆性破壞，鋼材的最低允許工作溫度就應高於韌脆轉變溫度的上限。

值得一提的是，具有面心立方晶格結構的奧氏體不會發生低溫脆性，因為溫度降低時奧氏體會向鐵素體轉化，進而生成鐵素體和滲碳體分層分布而成的珠光體，而體心立方晶格的鐵素體會發生低溫脆性。

磷是引起鋼產生冷脆現象的一個元素，因為它在鋼中形成脆性很大的化合物磷化三鐵（ ）。

冶金因素對鋼材冷脆性能的影響

鋼材的冶煉方法、淬透性、金相組織、晶粒大小、化學成分和強度性能……等冶金因素都影響鋼材的低溫衝擊性能(脆性破壞傾向)，上述各種因素會影響鋼材的室溫衝擊吸收功和鋼材的韌脆轉折溫度。

沸騰鋼、半鎮靜鋼和鎮靜鋼的低溫衝擊試驗結果

（1）鋼材冶煉時脫氧情況對低溫衝擊性能的影響

沸騰鋼、半鎮靜鋼和鎮靜鋼的低溫衝擊試驗結果如右圖所示。沸騰鋼的碳（質量分數）可以達到0.20%，半鎮靜鋼和鎮靜根據用途碳含量可以高一些。澆注後三種鋼凝固時的氧含量不同，沸騰鋼氧含量高，半鎮靜鋼次之，鎮靜鋼最低。氧含量低的鋼凝固後均勻性和緻密性好，V形缺口試樣不同溫度的衝擊試驗表明，沸騰鋼的韌脆轉折溫度最高而鎮靜鋼最低，半鎮靜鋼處於中間。

韌脆轉折溫度的影響

（2）鋼板終軋溫度的影響

用成分(質量分數)為C：0.20%、Mn：0.68%的半鎮靜鋼從101.6mm(4in)的板坯熱軋成厚度為20.32ram(0.8in)鋼板，熱終軋溫度對V形缺口試樣衝擊吸收功為20.34J和切斷斷口為50%的標準測定的韌脆轉折溫度的影響示如右圖所示。

從右圖看出：終軋溫度為787℃時，其韌脆轉折溫度低於終軋溫度高的，終軋溫度高時， 為20.34J時測定的韌脆轉折溫度約為1.5℃，而在最後3個道次在低溫軋制時，其韌性轉折溫度為-15℃。

（3）取樣方向的影響

熱軋低碳鋼板取樣方向對衝擊性能的影響如右圖所示。平行於軋制方向的試樣(縱向、橫向)在所有試驗溫度的衝擊吸收功都高於垂直軋制方向樣品的。

取樣方向的影響

鋼板軋制時的軋制規程也影響其方向性，如果鋼板是往復軋制，在兩個方向有相同的壓下量，則縱向和垂直向兩個方向的衝擊性能將幾乎相等。

缺口平行於鋼板表面的試樣品(橫向)衝擊試驗時吸收的能量大於缺口垂直於鋼板表面的試樣。韌脆轉折溫度似乎與樣品方向無關，在試驗溫度高時，方向不同的試樣衝擊吸收功差別較大，而在溫度低時，它們的衝擊吸收功相差很小，幾乎重合。

（4）加工硬化的影響

有一些鋼材是經過冷拉加工的，冷拉時的加工硬化也會對鋼材的脆性破壞情況有影響。為此通過拉伸變形產生一定量的加工硬化後再進行不同溫度的衝擊試驗了解它對韌脆轉變溫度的影響，試驗結果如右圖所示。

加工硬化的影響

（5）金相組織對鋼材脆性破壞傾向的影響

關於金相組織對鋼材脆性破壞傾向的影響，文獻上有很多數據。

用Cr-Mo鋼經過熱處理得到粗珠光體、細珠光體、上貝氏體、下貝氏體和馬氏體組織，回火處理後，進行低溫衝擊試驗，了解金相組織對低溫衝擊韌性的影響。試驗用鋼的成分如右圖所示。試驗結果列於下表。

爐號	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Al	N
B657	0.27	0.16	0.56	0.011	0.025	1.99	0.49	0.004	0.007
B658	0.25	0.16	0.56	0.12	0.025	2.08	0.50	0.006	0.007

如右圖所示列出的結果是在不同的強度水平比較韌脆轉折溫度，除了金相組織的影響外，還有強度的影響。為了在幾乎相同的抗拉強度下比較金相組織的影響，用Cr-Ni-Mo鋼進行了試驗，試驗時將試樣加熱到900%奧氏體化後通過等溫處理得到不同金相組織，調整回火溫度得到幾乎相同的抗拉強度(抗拉強度為700MPa左右)，然後進行低溫衝擊試驗，測得韌脆轉折溫度，試驗用鋼的成分(質量分數)為：C：0.26%，Si：0.24%，Mn：0.50%，S：0.003%，P：0.013%，Cr：3.12%，Ni：0.26%，Mo：0.50%，N：0.015%。

不同的強度水平比較韌脆轉折溫度

從上述試驗結果看出：馬氏體經高溫回火得到的索氏體組織其韌脆轉折溫度最低，脆性破壞傾向最小。細珠光體的韌脆轉折溫度比粗珠光體的低。上貝氏體的強度較高時，其韌脆轉折溫度比珠光體的還高，但回火到與珠光體的抗拉強度相同時，其韌脆轉折溫度比珠光體的低。

（6）晶粒大小的影響

鋼材熱處理時一般是先加熱得到奧氏體組織，然後以不同方式冷卻得到所需要的組織和性能，鋼材加熱到高溫時得到的奧氏體的晶粒大小對處理後的低溫衝擊性能有顯著的影響，硬度和強度相同時，細晶粒比粗晶粒具有較高的室溫衝擊值和較低的韌脆轉折溫度。

（7）化學成分對脆性破壞傾向的影響

化學成分中以碳的影響最為顯著。碳是明顯促使鋼脆化的元素，隨著鋼中碳含量的增加，韌脆轉折溫度升高，衝擊性能隨溫度的變化趨於平緩。碳含量越高，鋼材的脆性破壞傾向越大。

（8）淬火後回火溫度對脆性破壞傾向的影響

回火溫度升高、硬度降低會使室溫的衝擊功增高、韌脆轉折溫度降低。回火溫度低、硬度高時，室溫和低溫的衝擊吸收功變化不大，數值都很低。

減小冷脆性途徑

既然影響鋼的冷脆性的因素是多方面的，那減小鋼的冷脆性的途徑無疑也將是多方面的。因此，這需要設計者金屬學者的密切配合。一方面，冶金工作者和金屬學者共同研究和生產出冷脆傾向較小的綱材，另一方面，建築的設計者及施工者要合理地使用這些鋼材。

從鋼的生產加工方面減小鋼的冷脆性

冶金工作者對綱材進行正確的生產和加工過程，而設計者及施工者正確地、合理地使用程不同生產加工過程的鋼材，乃是減小綱材冷脆傾向的重要而可行的途徑之一。

對於在低溫、動載條件下使用的桔構，套用冷脆傾向較小的平爐綱，是比較合理的；用提高質量的氧氣頂吹轉爐鋼代替平爐鋼看來是可能的。

生產和使用用矽充分脫氧的鎮靜鋼，特別是用矽補充脫氧的鎮靜鋼，乃是減小建築秸構鋼材冷脆傾向的十分有效且簡而易行的途徑，但使鋼材的成本略有提高。

在鋼材的熱軋時，只要避免鋼材停軋溫度過高和太低，就可相應地避免魏氏組織的形成和部分的、不均勻的加工硬化的產生，因而就會減小鋼材的冷脆傾向。這是一個不需要增加成本而只要求軋鋼生產者嚴格按技術條件進行正常生產的可行途徑。

對於合碳量甚低(C<0.10~0.15%)的低碳綱，熱軋後如果冷卻較慢，珠光體就可能形成所謂的“離異珠光體”，即珠光體中的滲碳體以大塊或網狀形式分布在鐵素體的晶界上，這無疑會增加鋼的冷脆傾向。因此，對於這樣的低碳鋼，熱軋後避免較慢的冷卻，而甚至採用加速冷卻，乃是減小其冷脆傾向的切實可行的途徑。

鋼材在生產中的冷加工和在安裝、製造和使用時產生的冶塑性變形，不僅它本身就多半增加鋼的冷脆傾向，而且伴隨它的機械時效還會更進一步地增加冷脆傾向。因此，對在低溫、動載作用下使用的結構(如北方的橋樑)，不僅要儘量避免冷加工和在安裝、製造時的冶塑性變形，而且應當套用耐時效的鋼(即用鋁補充脫氧的鋼)。

結構的焊接，不僅促使熱影響區的奧氏體晶粒長大，產生淬火時效傾向，形成少量硬而脆的馬氏體，從而增加鋼的冷脆性，而且還可以產生巨大內應力及微小裂紋，從而增加鋼的冷脆傾向。因而，正確選擇焊接桔構用鋼，設計合理的結構，井採用正確焊接工藝，以減小上述焊接缺陷，乃是減小焊接構件冷脆傾向的行之有效的途徑。如果條件允許，對焊接結構，特別是合金鋼結構，進行合適的熱處理，會大大減小焊接結構的冷脆傾向。

從鋼的熱處理方面減小鋼的冷脆性

如果鋼業已經過了冷加工，為了減小其冷脆傾向，可以採取高溫回火(約600℃)。高溫回火雖會略降低鋼的強度，但卻大大減小鋼的冷脆傾向。

對於熱軋不正常的綱，採取正火可減小其冷脆傾向。

對於熱軋低碳鋼，熱軋後採用軋制餘熱淬火或重新加熱淬火，都可大大減小其冷脆傾向。這也是減小低碳鋼冷脆性井提高其屈服極限和強度極限的行之有效的途徑之一。

對於所有的高溫回火脆性傾向較小的鋼，包括碳素鋼及合金鋼，調質(淬火加高溫回火)都能大大減小其冷脆傾向。有充分根據可以認為，調質是減小鋼的冷脆性最為有效的途徑。

從合金化方面減小鋼的冷脆性

不正確的合金化(不正確地選用合金元素及其合量)可以增加鋼的冶脆性，然而正確的合金化，特別是與正確的熱處理相配合，卻可大大減小其冷脆性，因而，正確的合金化也是減小鋼的冷脆性的重要途徑之一。

如果根據使用條件的要求，鋼的冶脆性已經上升為主要要求指標之一，那就可根據需要，結合具體條件，採取切實可行而又行之有效的途徑，以減小鋼的冷脆性，從而保證在低溫、動載作用下使用的結構具有足夠的安全性。