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    為何含碳量高的鋼材容易斷裂?

    作者:董敬松 時(shí)間:2023-06-30閱讀數:人閱讀

    為何含碳量高的鋼材容易斷裂?


    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(cháng)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,即算牽強附會(huì )找到了一些原因,也不是實(shí)際的原因。

    為何含碳量高的鋼材容易斷裂?(圖1)

    為了確保更高的強度,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(guān)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。在顯微組織內的鐵碳化物體積分數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,氫原子向鋼材內部滲入的同時(shí),氫的體積分數就可能會(huì )增加,最終使得材料的抗氫脆性能顯著(zhù)降低。


    高強鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著(zhù)降低不僅有害于鋼材的性能,還會(huì )極大地限制鋼材的應用。


    如汽車(chē)用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環(huán)境中,在應力作用下,可能出現的應力腐蝕開(kāi)裂(SCC)現象就會(huì )對車(chē)身的安全性造成嚴重的威脅。

    碳含量越高,氫擴散系數減小,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 )抑制氫擴散,因此氫擴散系數也較低。


    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,體積分數越大,鋼材內部的氫擴散系數越小,氫溶解度增大,氫溶解度也包含了有關(guān)擴散性氫的信息,因而氫脆敏感性最高。隨著(zhù)碳含量的增加,氫原子的擴散系數減小,表面氫濃度增大,這是因為鋼材表面的氫超電壓下降所致。


    從動(dòng)電壓極化試驗結果來(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(氫生成反應)以及陽(yáng)極溶解反應。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,其體積分數增大。

    根據電化學(xué)氫滲透試驗結果,試樣內的碳含量和碳化物的體積分數越大,氫原子的擴散系數就越小,溶解度增大。隨著(zhù)碳含量的增加,抗氫脆性也會(huì )降低。


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


    碳含量的增大,鋼材內部就會(huì )析出碳化物,在電化學(xué)腐蝕反應的作用下,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,對碳化物的析出和體積分數的控制進(jìn)行是有效的控制方法。


    鋼材在汽車(chē)零配件上的應用受到一些限制,也要歸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)。


    一般針對應力腐蝕開(kāi)裂現象或氫脆現象導致的表面局部腐蝕反應,通過(guò)熱處理除去殘余應力,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汽車(chē)用鋼,也自然并非易事。


    隨著(zhù)碳含量的增大,氫還原速率增大,而氫擴散速率顯著(zhù)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)鍵就是對顯微組織中的碳化物組分進(jìn)行有效控制。

    來(lái)源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網(wǎng),作者:陳定乾


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