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為何含碳量高的鋼材容易斷裂?

為何含碳量高的鋼材容易斷裂?

含碳量高的棒材發(fā)生過很多次斷裂,如45#鋼做的軸,使用不太長的時(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,隨之就會析出鐵碳化物。從電化學(xué)的觀點(diǎn)來看,鐵碳化物發(fā)揮了陰極作用,加快了基體周邊的陽極溶解反應(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)力腐蝕開裂(SCC)現(xiàn)象就會對車身的安全性造成嚴(yán)重的威脅。

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?/p>

從動電壓極化試驗(yàn)結(jié)果來看,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)力腐蝕開裂性能也會降低。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,就會發(fā)生陽極溶解反應(yīng),也會加快形成滑移帶。

碳含量的增大,鋼材內(nèi)部就會析出碳化物,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?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)。

一般針對應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象或氫脆現(xiàn)象導(dǎo)致的表面局部腐蝕反應(yīng),通過熱處理除去殘余應(yīng)力,增大氫陷阱效率等方面開展。要想開發(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。

來源:中國冶金報(bào)-中國鋼鐵新聞網(wǎng),作者:陳定乾

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