冷脆性（金属材料在低温下呈现的脆性）

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更新时间：2023-05-20
冷脆性
金属材料在低温下呈现的脆性
冷脆性是指随着温度的降低，金属材料强度有所增加，而韧性下降这一种现象的称呼。
基本信息
中文名
冷脆性
外文名
cold brittleness
定义
金属材料在低温下呈现的脆性
类型
冶金术语
对象
金属材料
上限温度
韧脆转变温度
收起
概述
随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降。金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。材料由延性破坏转变到脆性破坏的上限温度称为韧脆转变温度。为防止发生低温脆性破坏，钢材的最低允许工作温度就应高于韧脆转变温度的上限。
值得一提的是，具有面心立方晶格结构的奥氏体不会发生低温脆性，因为温度降低时奥氏体会向铁素体转化，进而生成铁素体和渗碳体分层分布而成的珠光体，而体心立方晶格的铁素体会发生低温脆性。
磷是引起钢产生冷脆现象的一个元素，因为它在钢中形成脆性很大的化合物磷化三铁（
）。
冶金因素影响
钢材的冶炼方法、淬透性、金相组织、晶粒大小、化学成分和强度性能… …等冶金因素都影响钢材的低温冲击性能(脆性破坏倾向)，上述各种因素会影响钢材的室温冲击吸收功和钢材的韧脆转折温度。
（1）钢材冶炼时脱氧情况对低温冲击性能的影响
韧脆转折温度的影响
沸腾钢、半镇静钢和镇静钢的低温冲击试验结果如右图所示。沸腾钢的碳（质量分数）可以达到0.20%，半镇静钢和镇静根据用途碳含量可以高一些。浇注后三种钢凝固时的氧含量不同，沸腾钢氧含量高，半镇静钢次之，镇静钢最低。氧含量低的钢凝固后均匀性和致密性好，V形缺口试样不同温度 的冲击试验表明，沸腾钢的韧脆转折温度最高而镇静钢最低，半镇静钢处于中间。
（2）钢板终轧温度的影响
用成分(质量分数)为C：0.20%、Mn：0.68%的半镇静钢从101.6mm(4in)的板坯热轧成厚度为20.32ram(0.8in)钢板，热终轧温度对V形缺口试样冲击吸收功为20.34J和切断断口为50%的标准测定的韧脆转折温度的影响示如右图所示。
从右图看出：终轧温度为787℃时，其韧脆转折温度低于终轧温度高的，终轧温度高时，
为20.34J时测定的韧脆转折温度约为1.5℃，而在最后3个道次在低温轧制时，其韧性转折温度为-15℃。
（3）取样方向的影响
取样方向的影响
热轧低碳钢板取样方向对冲击性能的影响如右图所示。平行于轧制方向的试 样(纵向、横向)在所有试验温度的冲击吸收功都高于垂直轧制方向样品的。
钢板轧制时的轧制规程也影响其方向性，如果钢板是往复轧制，在两个方向有相同的压下量，则纵向和垂直向两个方向的冲击性能将几乎相等。
缺口平行于钢板表面的试样品(横向)冲击试验时吸收的能量大于缺口垂直于钢板表面的试样。韧脆转折温度似乎与样品方向无关，在试验温度高时，方向不同的试样冲击吸收功差别较大，而在温度低时，它们的冲击吸收功相差很小，几乎重合。
（4）加工硬化的影响
加工硬化的影响
有一些钢材是经过冷拉加工的，冷拉时的加工硬化也会对钢材的脆性破 坏情况有影响。为此通过拉伸变形产生一定量的加工硬化后再进行不同温度的冲击试验了解它对韧脆转变温度的影响，试验结果如右图所示。
（5）金相组织对钢材脆性破坏倾向的影响
关于金相组织对钢材脆性破坏倾向的影响，文献上有很多数据。
用Cr-Mo钢经过热处理得到粗珠光体、细珠光体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织，回火处理后，进行低温冲击试验，了解金相组织对低温冲击韧性的影响。试验用钢的成分如右图所示。试验结果列于下表。
炉号
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Al
N
B657
0.27
0.16
0.56
0.011
0.025
1.99
0.49
0.004
0.007
B658
0.25
0.16
0.56
0.12
0.025
2.08
0.50
0.006
0.007
不同的强度水平比较韧脆转折温度
如右图所示列出的结果是在不同的强度水平比较韧脆转 折温度，除了金相组织的影响外，还有强度的影响。为了在几乎相同的抗拉强度下比较金相组织的影响，用Cr-Ni-Mo钢进行了试验，试验时将试样加热到900%奥氏体化后通过等温处理得到不同金相组织，调整回火温度得到几乎相同的抗拉强度(抗拉强度为700MPa左右)，然后进行低温冲击试验，测得韧脆转折温度，试验用钢的成分(质量分数)为：C：0.26%，Si：0.24%，Mn：0.50%，S：0.003%，P：0.013%，Cr：3.12%，Ni：0.26%，Mo：0.50%，N：0.015%。
从上述试验结果看出：马氏体经高温回火得到的索氏体组织其韧脆转折温度最低，脆性破坏倾向最小。细珠光体的韧脆转折温度比粗珠光体的低。上贝氏体的强度较高时，其韧脆转折温度比珠光体的还高，但回火到与珠光体的抗拉强度相同时，其韧脆转折温度比珠光体的低。
（6）晶粒大小的影响
钢材热处理时一般是先加热得到奥氏体组织，然后以不同方式冷却得到所需要的组织和性能，钢材加热到高温时得到的奥氏体的晶粒大小对处理后的低温冲击性能有显著的影响，硬度和强度相同时，细晶粒比粗晶粒具有较高的室温冲击值和较低的韧脆转折温度。
（7）化学成分对脆性破坏倾向的影响
化学成分中以碳的影响最为显著。碳是明显促使钢脆化的元素，随着钢中碳含量的增加，韧脆转折温度升高，冲击性能随温度的变化趋于平缓。碳含量越高，钢材的脆性破坏倾向越大。
（8）淬火后回火温度对脆性破坏倾向的影响
回火温度升高、硬度降低会使室温的冲击功增高、韧脆转折温度降低。回火温度低、硬度高时，室温和低温的冲击吸收功变化不大，数值都很低。
减小冷脆性途径
既然影响钢的冷脆性的因素是多方面的，那减小钢的冷脆性的途径无疑也将是多方面的。因此，这需要设计者金属学者的密切配合。一方面，冶金工作者和金属学者共同研究和生产出冷脆倾向较小的纲材，另一方面，建筑的设计者及施工者要合理地使用这些钢材。
从钢的生产方面
冶金工作者对纲材进行正确的生产和加工过程，而设计者及施工者正确地、合理地使用程不同生产加工过程的钢材，乃是减小纲材冷脆倾向的重要而可行的途径之一。
对于在低温、动载条件下使用的桔构，应用冷脆倾向较小的平炉纲，是比较合理的；用提高质量的氧气顶吹转炉钢代替平炉钢看来是可能的。
生产和使用用硅充分脱氧的镇静钢，特别是用硅补充脱氧的镇静钢，乃是减小建筑秸构钢材冷脆倾向的十分有效且简而易行的途径，但使钢材的成本略有提高。
在钢材的热轧时，只要避免钢材停轧温度过高和太低，就可相应地避免魏氏组织的形成和部分的、不均匀的加工硬化的产生，因而就会减小钢材的冷脆倾向。这是一个不需要增加成本而只要求轧钢生产者严格按技术条件进行正常生产的可行途径。
对于合碳量甚低(
)的低碳纲，热轧后如果冷却较慢，珠光体就可能形成所谓的“离异珠光体”，即珠光体中的渗碳体以大块或网状形式分布在铁素体的晶界上，这无疑会增加钢的冷脆倾向。因此，对于这样的低碳钢，热轧后避免较慢的冷却，而甚至采用加速冷却，乃是减小其冷脆倾向的切实可行的途径。
钢材在生产中的冷加工和在安装、制造和使用时产生的冶塑性变形，不仅它本身就多半增加钢的冷脆倾向，而且伴随它的机械时效还会更进一步地增加冷脆倾向。因此，对在低温、动载作用下使用的结构(如北方的桥梁)，不仅要尽量避免冷加工和在安装、制造时的冶塑性变形，而且应当应用耐时效的钢(即用铝补充脱氧的钢)。
结构的焊接，不仅促使热影响区的奥氏体晶粒长大，产生淬火时效倾向，形成少量硬而脆的马氏体，从而增加钢的冷脆性，而且还可以产生巨大内应力及微小裂纹，从而增加钢的冷脆倾向。因而，正确选择焊接桔构用钢，设计合理的结构，井采用正确焊接工艺，以减小上述焊接缺陷，乃是减小焊接构件冷脆倾向的行之有效的途径。如果条件允许，对焊接结构，特别是合金钢结构，进行合适的热处理，会大大减小焊接结构的冷脆倾向。
从钢的热处理方面
如果钢业已经过了冷加工，为了减小其冷脆倾向，可以采取高温回火(约600℃)。高温回火虽会略降低钢的强度，但却大大减小钢的冷脆倾向。
对于热轧不正常的纲，采取正火可减小其冷脆倾向。
对于热轧低碳钢，热轧后采用轧制余热淬火或重新加热淬火，都可大大减小其冷脆倾向。这也是减小低碳钢冷脆性井提高其屈服极限和强度极限的行之有效的途径之一。
对于所有的高温回火脆性倾向较小的钢，包括碳素钢及合金钢，调质(淬火加高温回火)都能大大减小其冷脆倾向。有充分根据可以认为，调质是减小钢的冷脆性最为有效的途径。
从合金化方面
不正确的合金化(不正确地选用合金元素及其合量)可以增加钢的冶脆性，然而正确的合金化，特别是与正确的热处理相配合，却可大大减小其冷脆性，因而，正确的合金化也是减小钢的冷脆性的重要途径之一。
如果根据使用条件的要求，钢的冶脆性已经上升为主要要求指标之一，那就可根据需要，结合具体条件，采取切实可行而又行之有效的途径，以减小钢的冷脆性，从而保证在低温、动载作用下使用的结构具有足够的安全性。