什麼在低溫下使鋼材變脆

A. 鋼材的低溫冷脆性是怎麼一回事

低溫冷脆性指隨著溫度的降低，金屬材料強度有所增加，而韌性下降這一種現象的稱呼。材料的沖擊吸收功隨溫度降低而降低，當試驗溫度低於Tk(韌脆臨界轉變溫度)時，沖擊吸收功明顯下降，材料由韌性狀態變為脆性狀態，這種現象稱為低溫脆性。

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。

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溫度是影響金屬材料和工程結構斷裂方式的重要因素之一。許多斷裂事故發生在低溫。這是由於溫度對工程上廣泛使用的低中強度結構鋼和鑄鐵的性能影響很大，隨著溫度的降低，鋼的屈服強度增加韌度降低。體心立方金屬存在脆性轉變溫度是其脆性特點之一。

隨著溫度降低，在某一溫度范圍內，缺口沖擊試樣的斷裂形式由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，這種斷裂形式的轉變，通常用一個特定的轉變溫度來表示，該轉變溫度在一定意義上表徵了材料抵抗低溫脆性斷裂的能力。

這種隨溫度降低材料由韌性向脆性轉變的現象稱做低溫脆性或冷脆，發生脆性轉變的溫度稱為脆性轉變溫度。工程構件的工作溫度必須在脆性轉變溫度以上，以防止發生脆性斷裂。

並不是所有的金屬材料都具有低溫脆性。只有以體心立方金屬為基的冷脆金屬才具有明顯的低溫脆性，如中低強度鋼和鋅等。而面心立方金屬，如鋁等，沒有明顯的低溫脆性。

B. 哪些因素可使鋼材變脆,從設計角度防止構件脆斷的措施有哪些

導致鋼結構構件脆性斷裂的因素很多,主要因素有化學成份 、溫度、構件厚度、冶金缺陷、構造缺陷等。鋼中碳元素含量增高會使鋼的脆性轉變溫度升高 ，隨含碳量的增加 , 鋼的最大恰貝沖擊值顯著降低。恰貝沖擊值與試驗溫度曲線梯度趨於緩慢 ，而脆性轉變溫度顯著升高。

預防措施：

(1)、 設計構件的斷面應盡量選用最薄斷面 ,增加構件厚度將增大脆斷的危險 .

(2)、保證焊接質量，盡量減少因焊接造成的缺陷，設計上應選擇適當的焊縫金屬缺口韌性，較厚板材或型鋼焊前必須預熱，施焊過程中盡量不在負溫條件下進行 ,焊接後必須保溫緩冷，盡量保證焊接質量,減少缺陷產生。

(3)、設計焊接結構應盡量避免焊縫集中和重疊交叉。要採用較好的焊接工藝(合適的輸入熱量和操

作方法)。

(4)、在結構設計中應盡量將因缺陷引起的應力集中減小到最低限度 , 如避免尖銳角 ,盡量用較大半

徑的圓弧 。

(5)、設計人員選用鋼材時 ，除應核算強度外，還應保證材料有足夠韌性 ，應從斷裂力學理論出發選擇具有較高斷裂韌性的材料。

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鋼材用途分類：

1、結構鋼

（1)、建築及工程用結構鋼簡稱建造用鋼，它是指用於建築、橋梁、船舶、鍋爐或其他工程上製作金屬結構件的鋼。如碳素結構鋼、低合金鋼、鋼筋鋼等。

（2)、機械製造用結構鋼是指用於製造機械設備上結構零件的鋼。這類鋼基本上都是優質鋼或高級優質鋼，主要有優質碳素結構鋼、合金結構鋼、易切結構鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等

2、工具鋼

一般用於製造各種工具，如碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼等。按用途又可分為刃具鋼、模具鋼、量 具鋼。

3、特殊鋼

具有特殊性能的鋼，如不銹耐酸鋼、耐熱不起皮鋼、高電阻合金、耐磨鋼、磁鋼等。

4、專業用鋼

這是指各個工業部門專業用途的鋼，如汽車用鋼、農機用鋼、航空用鋼、化工機械用鋼、鍋爐用鋼、電工用鋼、焊條用鋼等。

5、按鋼的品質分

優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼和合金工具鋼、彈簧鋼、軸承鋼等

鋼號後面，通常加符號「A」或漢字「高」以便識別。

C. 什麼是金屬材料的脆化現象

金屬材料發生脆化現象，年夜致上可以分為兩類：一類是在一定的溫度條件下泛起的脆性，或是在一定的溫度條件下，經過一段時期後泛起的脆性。這時候，金屬的組織變化其實不較著。屬於這一類的有冷脆性、熱脆性、紅脆性及回火脆性。
另外一類是由於金屬持久在高溫、應力、浸蝕介質的作用下，金屬的顯微組織發生變化，從而引發材料發生脆化的現象。屬於這一類的有苛性脆化、氫脆、石墨化等。
冷脆性是指材料在低溫下顯現的脆性。我們在"金屬的韌性"中談到的各類在低溫條件下發生的低應力破壞，均是由於金屬材料冷脆性所致使的成效。
某些鋼材長時間停留在年夜約400-500℃溫度區間後冷卻到室溫，其沖擊韌性值泛起較著下降，這類現象稱為金屬的熱脆性。顯現熱脆性的鋼材在高溫下其實不脆，只有當冷至室溫時，才顯出脆性。這時候，鋼材的沖擊值很低。-般可以比其正常值下降50-60，甚至下降80~90。具有熱脆性的鋼材，它的金相組織沒有較著的變化，鋼材的其他性能也基本上沒有變化。火電廠的主蒸汽管道、高溫螺栓具有熱脆性趨向，檢修時工藝操作不妥，容易損壞裝備部件。
鋼的紅脆性發生在含硫較多的鋼材中，年夜約在溫度800~900cc以上時，顯現較年夜的脆性，在鍛打時容易開裂。由於這個溫度下鋼材呈紅色，所以稱為紅脆性。發生紅脆性的緣由，是由於硫以硫化鐵和硫的氧化物的形式存在於鋼中，它們形成易於融化的共晶體，網狀散布在晶界上，當鋼被加熱到800℃以上時，這類網狀共晶體較著地軟化，使晶間強度削弱而脆裂。
一般碳鋼在淬火落後行回火處置，其沖擊韌性隨著回火溫度的提高而增加。但對於某些鋼，發現在經250~400°c的回火處置後，其常溫沖擊韌性反而下降，甚至低於低溫回火時的沖擊值，這類現象稱為回火脆性。苛性脆化一般發生在汽鍋鉚接、脹接的接觸概況上，它的主要破壞形式是發生裂紋。由於發生的裂紋與存在苛性鈉氫氧化鈉有關，同時由於這類破裂沒有較著的塑性變形，屬於脆裂性質，因而稱為"苛性脆化"。金屬與合金在應力的作用下，純潔由於氫的緣故，經過一定的時間以後，材料的塑性與韌性急劇下降，泛起脆化現象，稱為氫脆。氫脆是一種延遲破壞，即使材料在低於屈就強度的拉應力作用下，經過一段時期後，依然會發生突然斷裂。由於金屬材料在冶煉、熱加工、焊接、電鍍、酸洗等進程中吸收了過量的氫，當鋼中的氫含量跨越5-10ppm時，就易泛起氫脆。另外，在含氫的氣體或液體介質中工作的零件，有可能使氫進進金屬材料的內部，使材料的性能下降，泛起氫脆。由於氫在鋼中所浮現的復雜行為和脆性破壞，工程上發生了許多嚴重破壞事故，造成龐大損失。是以，重要部件用鋼，必需嚴酷限制鋼中的含氫量，而且不允許有白點存在。另外，重要元件的焊接進程中，必需接納嚴酷的工藝措施，選用低氫型焊條、焊絲，並在使用前充實烘乾，往除水份及油污，盡量削減焊接進程中氫的吸進量。

D. 普通鋼鐵在低溫多少度會變脆

零下200多度時，普通的鋼鐵就像蝦片一樣脆弱。溫度低使的金屬分子間的活動力降低，物質的剛性會升高，簡單說就是越不能承受形變，所以接受外力就容易斷裂。

鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應用最多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業鐵碳合金材料。鋼鐵材料適用范圍廣闊的原因，首先在於可用的成分跨度大，從近於無碳的工業純鐵到含碳4%左右的鑄鐵。

在此范圍內合金的相結構和微觀組織都發生很大的變化；另外，還在於可採用各種熱加工工藝，尤其金屬熱處理技術，大幅度地改變某一成分合金的組織和性能。

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鐵碳合金中合金相的形成，與純鐵的晶體結構及碳在合金中的存在形式有關。純鐵有三種同素異構狀態：912℃以下為體心立方晶體結構，稱α-Fe；912～1394℃為面心立方晶體結構，稱γ-Fe；1394℃以上，又呈體心立方結構，稱δ-Fe。

在液態，在低於7%碳范圍，碳和鐵可完全互溶；在固態，碳在鐵中的溶解是有限的，並且溶解度取決於鐵（溶劑）的晶體結構。與鐵的三種同素異構物相對應，碳在鐵中形成的固溶體有三種：α固溶體（鐵素體）、γ固溶體（奧氏體）和δ固溶體（8鐵素體）。

這些固溶體中，鐵原子的空間分布與α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸遠比鐵原子為小，在固溶體中它處於點陣的間隙位置，造成點陣畸變。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超過2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超過0.0218%；而在δ6-Fe中不超過0.09%。

當鐵碳合金的碳含量超過在鐵中的溶解度時，多餘的碳可以以鐵的碳化物形式或以單質狀態（石墨）存在於合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（滲碳體，6.69%C）是亞穩相，它是具有復雜結構的間隙化合物。

石墨是鐵碳合金的穩定平衡相，具有簡單六方結構。Fe3C有可能分解成鐵和石墨穩定相，但該過程在室溫下是極其緩慢的。

E. 哪些因素可使鋼材變脆

從理論角來度來講影響鋼材脆性的主自要因素是鋼材中硫和磷的含量問題；
如果工藝路線不經過熱處理那麼這個因素影響就小一些；
如果工藝路線走熱處理這一步（含鍛打，鑄造）那麼這個影響就相當的明顯；
就必須採取必要的措施；
1；
設計選材上盡量避開對熱影響區和淬火區敏感的材料；
2不得已而用之那麼就要在工藝上採取預防措施；
建議再仔細查閱一下金屬材料學；
3設計過程中採取防脆斷措施如工藝圓角；
加強筋；
拔模等；
有很多；
建議查閱機械設計手冊中的工藝預防措施和手段；

F. 鋼中的什麼元素能使鋼材在高溫下變脆

鋼中的雜質是硫、磷。高溫變脆是硫，稱為熱脆；低溫變脆是磷，叫做冷脆。

G. 影響鋼材發生冷脆的化學元素是哪些

影響鋼材發生冷脆的化學元素主要有氮和磷，而使鋼材發生熱脆的化學元素主要是氧和硫。

對於鋼材，脆性越高其硬度越大，抗彎曲強度越高，而對於塑性較強的鋼材來說正好與之相反，塑性強度大的鋼材其硬度低，易彎曲不易折斷，對於這兩種鋼材來說其性能有明顯的差別。

冷脆性只發生在具有體心立方晶格的金屬中。鍋爐與壓力容器中廣泛採用的低碳鋼及低合金鋼都是體心立方晶格型，所以會發生遇冷變脆的現象。而面心立方晶格的金屬，如鋁、銅、鎳都不會產生冷脆現象。

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加工硬化降低了鋼材的韌性，同時使韌脆轉變溫度增加。這種影響隨鋼材類型不同及加工硬化量的大小而變化。對於沖壓封頭，試驗結果表明，冷壓封頭的韌脆轉變溫度高於熱壓封頭，且沖擊韌度值也有所減小。

對於冷脆性的材料會在溫度變低的情況下脆性急劇增加，因此，選用冷脆性材料時因注意使用的環境以及溫度等的影響因素，盡量避免不必要的意外發生，在選材時要把溫度對鋼材的影響因素考慮在內。

H. 怎麼消除鋼材的低溫冷脆性

鋼材的破壞分塑性破壞和脆性破壞兩種。

脆性破壞：載入後，無明顯變形，因此破壞前無預兆，斷裂時斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險性大。

影響脆性破壞的因素
1.化學成分
2.冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層）
3.溫度（熱脆、低溫冷脆）
4.冷作硬化
5.時效硬化
6.應力集中
7.同號三向主應力狀態

1 ) 鋼材質量差、厚度大：鋼材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量過高,晶粒較粗,夾雜物等冶金缺陷嚴重,韌性差等；較厚的鋼材輥軋次數較少，材質差、韌性低，可能存在較多的冶金缺陷。
(2) 結構或構件構造不合理：孔洞、缺口或截面改變急劇或布置不當等使應力集中嚴重。
(3) 製造安裝質量差：焊接、安裝工藝不合理,焊縫交錯,焊接缺陷大,殘余應力嚴重；冷加工引起的應變硬化和隨後出現的應變時效使鋼材變脆。
(4) 結構受有較大動力荷載或反復荷載作用：但荷載在結構上作用速度很快時（如吊車行進時由於軌縫處高差而造成對吊車梁的沖擊作用和地震作用等），材料的應力-應變特性就要發生很大的改變。隨著加荷速度增大,屈服點將提高而韌性降低。特別是和缺陷、應力集中、低溫等因素同時作用時,材料的脆性將顯著增加。
（5）在較低環境溫度下工作：當溫度從常溫開始下降肘,材料的缺口韌性將隨之降低,材料逐漸變脆。這種性質稱為低溫冷脆。不同的鋼種,向脆性轉化的溫度並不相同。同一種材料,也會由於缺口形狀的尖銳程度不同,而在不同溫度下發生脆性斷裂。

為了防止鋼材的脆性斷裂，可以從以下幾個方面著手：
1、裂紋
當焊接結構的板厚較大時（大於25mm），如果含碳量高，連接內部有約束作用，焊肉外形不適當，或冷卻過快，都有可能在焊後出現裂紋，從而產生斷裂破壞。針對這個問題，把碳控制在0.22%左右，同時在焊接工藝上增加預熱措施使焊縫冷卻緩慢，解決了斷裂問題。
焊縫冷卻時收縮作用受到約束，有可能促使它出現裂紋。措施是：在兩板之間墊上軟鋼絲留出縫隙，焊縫有收縮餘地，裂紋就不會出現。
把角焊縫的表面作成凹形，有利於緩和應力集中。凹形表面的焊縫，焊後比凸形的容易開裂，原因是凹形縫的表面有較大的收縮拉應力，並且在45°截面上焊縫厚度最小。凸形縫表面拉力不大，而45°截面又有所增強，情況要好的多。在凹形焊縫開裂的條件下，改用凸形焊縫，就不再開裂。
2、應力
考察斷裂問題時，應力 是構件的實際應力，它不僅和荷載的大小有關，也和構造形狀及施焊條件有關。幾何形狀和尺寸的突然變化造成應力集中，使局部應力增高，對脆性破壞最為危險。施焊過程造成構件內的殘余拉應力，也是不利的。因此，避免焊縫過於集中和避免截面突然變化，都有助於防止脆性斷裂。
3、材料選用
為了防止脆性斷裂，結構的材料應該具有一定的韌性。材料斷裂時吸收的能量和溫度有密切關系。吸收的能量可以劃分為三個區域，即變形是塑性的、彈塑性的和彈性的。要求材料的韌性不低於彈性，以避免出現完全脆性的斷裂，也沒有必要高於彈塑性，對鋼材要求太高，必然會提高造價。鋼材的厚度對它的韌性也有影響。厚鋼板的韌性低於薄鋼板。
4、構造細部
發生脆性斷裂的原因是存在和焊縫相交的構造縫隙，或相當於構造縫隙的未透焊縫。構造焊縫相當於狹長的裂紋，造成高度的應力集中，焊縫則造成高額殘余拉應力並使近旁金屬因熱塑變形而時效硬化，提高脆性。低溫地區結構的構造細部應該保證焊縫能夠焊透。因此，設計時必須注意焊縫的施工條件，以保證施焊方便，能夠焊透。