鋼鐵材料的韌性特點(diǎn)

韌性是鋼鐵材料另外一個(gè)重要指標(biāo),這是因?yàn)閺?qiáng)度指標(biāo)可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所承負(fù)載荷的依據(jù),然而,大量應(yīng)用實(shí)踐表明,在嚴(yán)酷的服役環(huán)境下,鋼鐵材料也會(huì)發(fā)生脆性斷裂,人們已經(jīng)探索了裂紋(材料中的缺陷)在載荷作用下的起裂判據(jù),相關(guān)重要指標(biāo)就是沖擊韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度等?？梢?jiàn),為了避免發(fā)生脆性斷裂,應(yīng)該降低鋼鐵材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）.

     與鋼鐵材料韌性相關(guān)的理論也有如 Hall-Petch公式所給出的關(guān)系(Cottrell- Petch關(guān)系)即晶粒越細(xì),韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低?？梢?jiàn),細(xì)化晶粒既可以提高強(qiáng)度,又可以提高韌性。

    然而,對(duì)于馬氏體和貝氏體類型的組織,有效晶粒尺寸一直有待研究。在中低溫轉(zhuǎn)變組織中,由于發(fā)生的協(xié)變相變,子相與母相存在著某種位相繼承成關(guān)系的相變中,何種結(jié)構(gòu)單元是與韌性和強(qiáng)度相關(guān)的有效晶粒?

     當(dāng)今鋼材加工中的多數(shù)處理工藝都是以細(xì)化晶粒為基礎(chǔ)而展開(kāi)的。細(xì)化晶粒可以同時(shí)使鋼的強(qiáng)度和韌性得到提高。在實(shí)際應(yīng)用中,控軋控冷是細(xì)化晶粒的有效方法。在奧氏體化溫度區(qū)間對(duì)鑄坯進(jìn)行軋制,可以有效地消除鑄造組織、細(xì)化原奧氏體晶粒,并可以消除內(nèi)部的缺陷,使鋼材的組織結(jié)構(gòu)更加密實(shí),而顯著改善其性能。

    此外,通過(guò)FCC-BCC(BCT)相變,也可以在一定程度上達(dá)到細(xì)化晶粒的目的,但實(shí)際上該相變的作用十分有限。Morris等的計(jì)算表明,由原奧氏體相相變生成的貝氏體、馬氏體組織盡管具有很細(xì)的組織結(jié)構(gòu),但由于新相在相變時(shí)通常會(huì)與母相遵循K-S、N-W或者Bain等特定的晶體學(xué)取向關(guān)系,該關(guān)系使得新生組織之間也具有協(xié)變相變關(guān)系。這種協(xié)變相變關(guān)系的存在,使得馬氏體相變晶粒之間的解理面只有較小的夾角,而不能有效地阻止裂紋的擴(kuò)展,此外,其滑移面之間也僅有較小的夾角,而降低了位錯(cuò)通過(guò)滑移面的阻力,最終晶粒細(xì)化的效果不夠理想。

    在此基礎(chǔ)上, Morris提出了有效晶粒的概念,該理論認(rèn)為鋼中純馬氏體組織的有效晶粒尺寸大致相當(dāng)于馬氏體束( block)或馬氏體領(lǐng)域( packet)的大小,只有通過(guò)特殊的處理在馬氏體板條之間引入奧氏體等特定相而隔斷馬氏體板條間的特定晶體學(xué)關(guān)系時(shí),才能減小有效晶粒尺寸,并達(dá)到提高鋼材韌性的目的。同時(shí),由于馬氏體板條間奧氏體的存在,對(duì)裂紋的擴(kuò)展有一定的阻礙作用,也在一定程度上增強(qiáng)了鋼材的塑性和韌性。

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              2021年8月10日