数控机床加工中钢材断裂的性能原因分析

有成千上万种钢用于各种工业。每种钢都有不同的商品名，因为它们的性质、化学成分或合金类型和含量不同。虽然断裂韧性值极大地方便了每种钢的选择，但这些参数几乎不适用于所有钢。主要原因是:第一，由于在钢铁冶炼中需要加入一定量的一种或多种合金元素，经过简单的热处理就可以获得不同的显微组织，从而改变钢的原有性能；其次，由于炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷(如气孔和夹杂物等。)在轧制过程中极其敏感，在化学成分相同的钢的不同炉次中，甚至在同一钢坯的不同部位都发生变化，从而影响钢的质量。因为钢的韧性主要取决于微观组织和缺陷的分散程度(防止集中缺陷)，而不是化学成分。所以热处理后韧性会有很大的变化。为了深入探索钢的性能和断裂原因，必须掌握钢的物理冶金与组织和韧性的关系。

1.铁素体-珠光体钢的断裂

铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大部分。它们通常是碳含量在0.05%和0.20%之间的铁碳合金，并加入其他少量合金元素以提高屈服强度和韧性。

铁素体-珠光体显微组织由BBC铁(铁素体)、0.01%C、可溶性合金和Fe3C组成。在低碳含量的碳钢中，渗碳体颗粒(碳化物)停留在铁素体晶界和晶粒中。而当碳含量高于0.02%时，绝大多数的Fe3C与部分铁素体形成片状结构，称为珠光体，并倾向于以“晶粒”和球状球粒(晶界析出物)的形式弥散分布在铁素体基体中。含碳量在0.10% ~ 0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体占10% ~ 25%。

珠光体颗粒虽然坚硬，但能广泛分散在铁素体基体中，容易在铁素体周围变形。一般来说，铁素体的晶粒尺寸随着珠光体含量的增加而减小。因为珠光体球的形成和转变会阻碍铁素体晶粒的长大。所以珠光体会通过增加d-1/2(d为平均晶粒直径)间接增加拉伸屈服应力δy。

从断口分析来看，低碳钢中含碳量有两种钢，其性能备受关注。第一，当碳含量低于0.03%时，碳以珠光体团的形式存在，对钢的韧性影响不大；第二，当碳含量较高时，以球体的形式直接影响韧性和夏比曲线。

2.处理过程的影响

从实践中可知，水淬钢的冲击性能比退火或正火钢好，因为快速冷却防止了晶界处渗碳体的形成并促进了铁素体晶粒的细化。

许多钢材是以热轧状态销售的，轧制条件对冲击性能影响很大。较低的终轧温度会降低冲击转变温度，提高冷却速度，使铁素体晶粒细化，从而提高钢的韧性。因为厚板的冷却速度比薄板慢，所以铁素体晶粒比薄板粗。因此，在相同的热处理条件下，厚板比薄板更脆。因此，热轧后常采用正火处理来改善钢板的性能。

热轧还可以生产出各种混合组织、珠光体带和夹杂物晶界在同一轧制方向的各向异性钢和定向韧性钢。珠光体带和细长夹杂物粗大弥散成鳞片状，对夏比转变温度区间低温缺口韧性影响较大。

3.铁素体可溶合金元素的影响

大多数合金元素被添加到低碳钢中，以在一定的环境温度下产生固溶体硬化钢，并增加晶格摩擦应力δ i。然而，目前仅通过公式无法预测较低的屈服应力，除非晶粒尺寸已知。虽然屈服应力的决定因素是正火温度和冷却速度，但这种研究方法仍然非常重要，因为它可以预测单一合金元素通过增加δ I来降低韧性的范围。

到目前为止，还没有关于铁素体钢的非塑性转变(NDT)温度和夏比转变温度的回归分析的报道，但这些只是添加单一合金元素对韧性影响的定性讨论。简要介绍了下列合金元素对钢性能的影响。

1)锰。大多数锰含量在0.5%左右。作为脱氧剂或固硫剂加入，可防止钢的热裂。在低碳钢中还具有以下功能。

◆含碳量为0.05%的钢，空冷或炉冷后有减少晶界渗碳体膜形成的趋势。

◆铁素体晶粒尺寸可略有减小。

◆可产生大量细小的珠光体颗粒。

前两种效应表明无损检测温度随锰含量的增加而降低，后两种效应使夏比曲线的峰值更尖锐。

当钢的含碳量较高时，锰能显著降低相变温度约50%。原因可能是由于大量的珠光体，而不是渗碳体在边界的分布。必须注意的是，如果钢的碳含量高于0.15%，高锰含量对正火钢的冲击性能起决定性作用。由于钢的高淬透性，奥氏体转变为脆性的上贝氏体，而不是铁素体或珠光体。

2)镍。钢中加入锰可以提高铁碳合金的韧性。效果取决于碳含量和热处理。在含碳量极低(约0.02%)的钢中，添加2%可以阻止热轧和正火钢中晶界渗碳体的形成，同时大幅降低初始相变温度TS，提高夏比冲击曲线峰值。

提高冲击韧性的效果随着镍含量的增加而降低。如果碳含量低到正火后没有碳化物出现，镍对相变温度的影响将是有限的。在含碳量为0.10%左右的正火钢中加入镍，最大的好处是细化晶粒，降低游离氮含量，但其机理尚不清楚。可能是镍作为奥氏体的稳定剂，从而降低了奥氏体的分解温度。

3)磷。在纯Fe-P合金中，磷在铁素体晶界处发生偏析，降低了抗拉强度Rm并使晶粒变脆。此外，磷也是铁素体的稳定剂。所以加钢会大大提高δi值和铁素体晶粒尺寸。这些效应的结合将使磷成为极其有害的脆化剂，并引起穿晶断裂。

4)硅。钢中加入硅进行脱氧，同时有利于提高冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝，硅大部分溶解在铁素体中，固溶硬化使δi增大。这种效应和添加硅对冲击性能改善的综合结果是，添加质量百分比的硅使晶粒尺寸稳定的铁碳合金的50%转变温度提高了44℃左右。此外，硅和磷一样，是铁的稳定剂，可以促进铁素体晶粒生长。按重量百分比计算，正火钢中加入硅会使平均能量转换温度提高60℃左右。

5)铝。钢中加入合金和脱氧剂有两个原因:一是AlN与溶液中的氮形成，去除游离氮；其次，AlN的形成细化了铁素体晶粒。这两种作用的结果是，铝每增加0.1%，相变温度将降低约40℃。但当铝的添加量超过要求时，对游离氮的“固化”作用就会减弱。

6)氧气。钢中的氧会在晶界上偏析，导致铁合金沿晶断裂。当钢中氧含量高达0.01%时，断裂会沿着脆性晶粒的晶界产生的连续通道发生。即使钢中氧含量很低，裂纹也会在晶界处集中形核，然后穿晶扩展。为了解决氧脆化问题，可以加入碳、锰、硅、铝、锆等脱氧剂，与氧结合形成氧化物颗粒，将氧从晶界去除。氧化物颗粒也有利于延缓铁素体生长，增加d-/2。

4.碳含量在0.3% ~ 0.8%的影响

亚共析钢的碳含量为0.3% ~ 0.8%，先共析铁素体为连续相，首先在奥氏体晶界处形成。珠光体在奥氏体晶粒中形成，占显微组织的35% ~ 100%。另外，在每个奥氏体晶粒内形成多种聚集结构，使珠光体多晶化。

由于珠光体的强度高于共析铁素体，限制了铁素体的流动，使钢的屈服强度和应变硬化率随珠光体中碳含量的增加而增加。随着硬化块数量的增加，珠光体对先共析晶粒尺寸的细化作用增强。

当钢中存在大量珠光体时，在低温和/或高应变速率变形时会形成微解理裂纹。虽然也有一些内部聚集段，但裂缝通道最初是沿解理面延伸的。因此，在铁氧体片之间和相邻聚集结构中的铁氧体晶粒中存在一些优选取向。

5.贝氏体钢的断裂

在含碳量为0.10%的低碳钢中加入0.05%的钼和硼，可以优化通常发生在700 ~ 850℃的奥氏体-铁素体转变，不影响450℃和675℃奥氏体-贝氏体转变的动力学条件。

贝氏体大约在525 ~ 675℃形成，通常称为“上贝氏体”；在450 ~ 525℃之间形成的下贝氏体称为“下贝氏体”。两种组织都由针状铁素体和弥散碳化物组成。当相变温度从675℃降低到450℃时，未回火贝氏体的抗拉强度从585MPa提高到1170MPa。

因为相变温度由合金元素的含量决定，并间接影响屈服和抗拉强度。这些钢获得的高强度是以下两种作用的结果:

1)当转变温度降低时，贝氏体铁素体片的尺寸不断细化。

2)细小的碳化物连续分散在下贝氏体中。这些钢的断裂特性很大程度上取决于抗拉强度和转变温度。

有两个作用需要注意:第一，在一定的抗拉强度水平下，回火贝氏体的夏比冲击性能比未回火的上贝氏体好得多。原因是在上贝氏体中，球体中的解理面切割了数个贝氏体晶粒，断口的主要尺寸为奥氏体晶粒尺寸。

在下贝氏体中，针状铁素体中的解理面不对齐，所以决定准解理断口是否断裂的主要特征是针状铁素体的晶粒尺寸。因为这里针状铁素体的晶粒度只有上贝氏体奥氏体的1/2。因此，在相同强度水平下，下贝氏体的相变温度远低于上贝氏体。

除了以上原因，就是碳化物分布。贝氏体中的碳化物沿晶界分布，抗拉强度Rm降低，脆性增加。在回火的下贝氏体中，碳化物均匀分布在铁素体中，同时通过限制解理裂纹，提高了抗拉强度，促进了球化珠光体细化。

其次，要注意非调质合金相变温度和抗拉强度的变化。在上贝氏体中，相变温度的降低会细化针状铁素体的尺寸，提高延伸率Rp0.2。

在下贝氏体中，为了获得830MPa或更高的抗拉强度，也可以通过降低转变温度和增加强度来实现。但由于上贝氏体的断裂应力取决于奥氏体晶粒尺寸，而此时碳化物晶粒尺寸已经很大，所以回火对提高抗拉强度的作用很小。

6.马氏体钢的断裂

向钢中添加碳或其他元素可以延迟奥氏体向铁素体、珠光体或贝氏体的转变。同时，如果奥氏体化后冷却速度足够快，奥氏体会通过剪切过程变成马氏体，而不会发生原子扩散。

理想的马氏体断口应具有以下特征。

◆四面体铁素体或针状马氏体非常细小，因为相变温度很低(200℃或更低)。

◆由于剪切转变，奥氏体中的碳原子来不及扩散出晶体，使铁素体中的碳原子饱和，马氏体晶粒拉长，导致晶格膨胀。

◆马氏体相变必须超过一定的温度范围，因为最初生成的马氏体片增加了后期奥氏体转变为马氏体的阻力。因此，转变组织是马氏体和残余奥氏体的混合组织。

为了保证钢的性能稳定，回火是必要的。高碳马氏体(0.3%以上)，在以下范围回火约1小时，经历以下三个阶段。

1)当温度达到100℃左右时，马氏体中的部分过饱和碳析出，形成非常细小的ε-碳化物颗粒，弥散在马氏体中，降低碳含量。

2)当温度在100℃至300℃之间时，任何残余奥氏体都可能转变为贝氏体和ε-碳化物。

3)在第三阶段回火中，从200℃左右开始取决于碳含量和合金成分。回火温度升至共析温度时，碳化物析出物粗化，Rp0.2降低。

7.中等强度钢的断裂

回火除了消除应力和提高冲击韧性外，还有以下两个作用:一是转变残余奥氏体。残余奥氏体在30℃左右的低温下会转变为韧性的针状下贝氏体。在更高的温度下，如600℃，残余奥氏体将转化为脆性珠光体。因此，钢在550 ~ 600℃进行第一次回火，在300℃进行第二次回火，以避免脆性珠光体的形成，称为“二次回火”。

其次，增加弥散碳化物的含量(提高抗拉强度Rm)，降低屈服强度。如果提高回火温度，两者都会造成冲击，相变回火范围减小。因为显微组织变细，所以在相同强度水平下，拉伸塑性会提高。

回火脆性是可逆的。如果回火温度太高而不能超过临界范围，并且转变温度降低，则可以在回火温度再次升高之前，在临界范围内重新加热和处理材料。如果出现微量元素，脆性会得到改善。最重要的微量元素是锑、磷、锡、砷，加上锰和硅，它们可以去脆化。如果有其他合金元素存在，钼也能降低回火脆性，镍和铬也有一定作用。

8.高强度钢(Rp0.2>1240MPa)的断裂

高强度钢可通过以下方法生产:淬火和回火；淬火和回火前的奥氏体变形；以及退火和时效以生产沉淀硬化钢。此外，钢的强度可通过应变和再回火或回火期应变进一步提高。

9.不锈钢断裂

不锈钢主要由铁铬、铁铬镍合金等元素组成，以提高机械性能和耐腐蚀性能。不锈钢的防腐蚀是由于在金属表面形成氧化铬不渗透层，可以防止进一步氧化。

因此，不锈钢在氧化气氛中具有防腐蚀和强化氧化铬层的作用。然而，在还原气氛中，氧化铬层被损坏。耐蚀性随着铬和镍含量的增加而增加。镍可以改善铁的钝化。

添加碳是为了改善机械性能并确保奥氏体不锈钢的稳定性。一般来说，不锈钢是按微观结构分类的。

◆马氏体不锈钢。它属于铁铬合金，可以奥氏体化，随后热处理生成马氏体。通常含有12%的铬和0.15%的碳。

◆铁素体不锈钢。它含有大约14% ~ 18%的铬和0.12%的碳。因为铬是铁素体的稳定剂，奥氏体相被13%以上的铬完全抑制，所以是完全的铁素体相。

◆奥氏体不锈钢。镍是奥氏体的强稳定剂。所以在室温下，低于室温或者高温下，当镍含量为8%，铬含量为18%(300型)时，奥氏体相可以非常稳定。奥氏体类似于铁素体，不能通过马氏体转变硬化。

并且铁素体和马氏体不锈钢与同类的其他铁素体和马氏体钢具有类似的特征，例如晶粒尺寸。

奥氏体不锈钢FCC结构在冻结温度下不会裂开。310不锈钢经过80%冷轧后，具有极高的屈服强度和缺口敏感性，即使在低至-253℃的温度下，缺口敏感性比为1.0。因此，它可用于导弹系统的液氢贮箱。类似的301型不锈钢可用于温度低至183℃的液氧储罐。但是在这些温度以下它是不稳定的。如果发生任何塑性变形，不稳定的奥氏体将变成脆性的非回火马氏体。大多数奥氏体钢用于防腐蚀环境。加热到500 ~ 900℃时，碳化铬会在奥氏体晶界析出，导致晶界附近铬层完全贫化。这部分非常容易腐蚀和局部腐蚀，如果有应力，还会导致晶体脆性断裂。

为减轻上述危害，可加入少量性能比碳化铬更强的元素，如钛或铌，与碳形成合金碳化物，防止铬被耗尽和应力腐蚀开裂。这种治疗通常被称为“稳定治疗”。

奥氏体也通常用于高温，如压力容器，以防止和满足耐腐蚀性和抗蠕变性。由于焊后热处理和高温环境，一些钢种对热影响区及其附近的裂纹非常敏感。因此，焊接再加热时，铌或碳化钛在高温作用下会在晶粒和晶界析出，导致裂纹，影响使用寿命，必须引起高度重视。