數控機床加工中鋼材斷裂的性能原因分析

有成千上萬種鋼用（yòng）於（yú）各種工業。每種鋼都有不（bú）同的商品名，因（yīn）為它們的性質、化學成分或合金類型和（hé）含（hán）量不同（tóng）。雖然斷裂韌性（xìng）值極大地方（fāng）便了每種鋼的選擇，但這些參（cān）數幾乎不適用於所有（yǒu）鋼。主要（yào）原因是:第一，由於（yú）在（zài）鋼鐵冶（yě）煉中需要加入一定量的（de）一種（zhǒng）或多種合金元素，經過簡單的熱（rè）處理就可以獲得不同的顯微組織（zhī），從而改變鋼的原有性能（néng）；其次，由於煉鋼和澆注過程中產生的（de）缺陷，特別是集中（zhōng）缺陷(如氣孔和（hé）夾雜物等。)在軋製過程（chéng）中極其敏感，在化學成分相（xiàng）同的（de）鋼的不同爐次（cì）中，甚至在同一鋼坯的不同部位都發生變化，從而影響鋼的質量。因為鋼的韌性主要取決於微觀組織和（hé）缺陷的分散程度(防止集中缺陷)，而不是化學成分。所（suǒ）以熱處理（lǐ）後韌性會有很大的變化。為了深入探索鋼的性能和（hé）斷裂原因，必須掌握鋼的物理冶金與組織和韌性的關係。

1.鐵素體（tǐ）-珠光（guāng）體鋼的斷（duàn）裂

鐵素體-珠光體（tǐ）鋼占鋼總產量的絕大部分。它們通常是碳（tàn）含（hán）量（liàng）在0.05%和0.20%之間的鐵碳合金（jīn），並加入其他（tā）少量合金元素以提高屈服強度和韌性。

鐵素（sù）體-珠（zhū）光體顯微組織由BBC鐵(鐵（tiě）素體)、0.01%C、可（kě）溶性合金和（hé）Fe3C組成。在低碳含量的碳鋼中，滲碳體顆粒(碳化物)停留（liú）在（zài）鐵素體晶界和晶粒中。而當碳含量高於0.02%時，絕大多數的Fe3C與（yǔ）部分鐵素體形成片狀結（jié）構，稱為珠光體，並傾向於（yú）以“晶粒”和球狀球粒(晶界析出物)的形式彌散分布在鐵素體基體中。含碳量在0.10% ~ 0.20%的低碳鋼顯微組織中，珠光體（tǐ）占10% ~ 25%。

珠光體顆粒雖然堅硬，但能廣泛分散在鐵素體基體中，容易在鐵素體周圍變形。一般（bān）來說，鐵素體的晶粒尺寸隨著珠光體含量的增加而（ér）減小。因（yīn）為珠（zhū）光（guāng）體球的形成和轉變會（huì）阻礙鐵素（sù）體晶粒的長（zhǎng）大。所以珠（zhū）光體會通過增加d-1/2(d為平均晶粒直徑)間接增加拉伸屈服應力（lì）δy。

從斷口分析來看，低碳鋼中含碳（tàn）量有兩種鋼，其性能備受關注。第一（yī），當碳含量低於0.03%時，碳以珠光體團的形式存在，對鋼的韌性影響不大；第二，當碳含量較高時，以球體的形式直接影響韌性和夏比曲（qǔ）線（xiàn）。

2.處理（lǐ）過程的（de）影響

從實（shí）踐中可知，水淬鋼的衝擊性能比退火或正火鋼好（hǎo），因為快速冷卻防止了晶界（jiè）處滲碳體（tǐ）的形成並促進了鐵素體晶粒的細化。

許多鋼材是以熱軋狀態銷售的（de），軋製條件對衝擊性能影響很大。較低（dī）的終軋溫度會降低衝擊轉變溫度，提高冷（lěng）卻速（sù）度，使（shǐ）鐵素體晶粒細化，從而提高鋼的韌性。因為厚板的冷卻速度比薄板慢，所以鐵素體晶粒（lì）比薄（báo）板粗。因此，在相同（tóng）的（de）熱處理（lǐ）條件下，厚板（bǎn）比薄板更脆（cuì）。因此，熱軋後常采用正火處（chù）理來改善鋼板的性能。

熱（rè）軋還（hái）可以生產出各種混（hún）合組織、珠光體帶和夾雜物晶界在同一軋製方向的各向異性鋼和定向韌性鋼。珠光體帶和細長（zhǎng）夾雜物粗大彌散成鱗片狀，對夏比轉變溫度區間低溫缺口（kǒu）韌性影響較（jiào）大。

3.鐵素體可溶合金元素的影響

大多（duō）數合金元素被添加到低碳鋼中，以在一定（dìng）的環境溫度下產生固溶體硬化（huà）鋼，並增加晶格摩（mó）擦（cā）應力δ i。然而，目前僅通過公式（shì）無法預測較低的屈服應力，除非晶粒尺寸已知。雖然（rán）屈服應力的決定因素是正（zhèng）火溫度和冷卻速（sù）度（dù），但這種研究方法仍然非常重要，因為它可以（yǐ）預測（cè）單一合金元素通過增加δ I來降低韌性的範（fàn）圍。

到目前為止，還沒有關於鐵素體鋼（gāng）的非塑性轉變(NDT)溫度和夏比轉變溫度的（de）回（huí）歸分析的報道，但這些隻是添加（jiā）單一合金元（yuán）素對韌性影響的定性討論。簡要介紹了下列合金元素對鋼性能的（de）影響。

1)錳。大多數錳含量在（zài）0.5%左右（yòu）。作為脫氧劑或固硫劑加（jiā）入，可防（fáng）止鋼的熱裂。在低碳鋼中還具有以下功（gōng）能。

◆含碳量為0.05%的鋼，空（kōng）冷或爐冷後有減少晶界滲碳體膜形成的趨勢。

◆鐵素體晶粒尺寸可略（luè）有減小。

◆可產生大量細小的珠光體顆粒。

前兩種效應表明無損檢測溫度隨錳（měng）含量的（de）增加而降低，後兩種（zhǒng）效應使夏比曲線的峰值更尖銳。

當鋼的含碳量較（jiào）高時，錳能顯（xiǎn）著降低相變溫度約50%。原因可能是由於（yú）大量的珠光體，而不是滲碳（tàn）體在邊界的分布。必須注意（yì）的是，如果鋼的碳含量高於0.15%，高錳（měng）含量對正火鋼（gāng）的衝（chōng）擊性能起決定性作用。由於鋼（gāng）的高淬透性，奧氏（shì）體轉變為（wéi）脆性的上貝氏體，而不（bú）是鐵素體或珠光體。

2)鎳。鋼中加入錳（měng）可以提高鐵碳合金的韌性。效果取決於碳含量和熱處理。在含碳（tàn）量（liàng）極低(約0.02%)的鋼中，添加2%可以阻止熱（rè）軋和正火鋼中晶界滲碳體的形成（chéng），同時大（dà）幅降低初始相變溫度TS，提高夏比衝擊曲線峰值。

提高衝擊韌性的效果隨（suí）著鎳含量的（de）增加而降低。如果碳含量低到正（zhèng）火後沒有碳化物出現（xiàn），鎳對相變溫度的影響將是有限（xiàn）的。在含碳量為0.10%左右的正火鋼中加入鎳，最（zuì）大的（de）好處是細化晶粒，降低遊離氮含量，但其機（jī）理尚不（bú）清（qīng）楚。可能是鎳作為奧（ào）氏體的穩定劑，從而（ér）降低了奧氏體的（de）分解溫度。

3)磷。在純Fe-P合金中（zhōng），磷在鐵素體晶界處發生偏析，降低了抗拉強度Rm並使晶（jīng）粒變脆（cuì）。此外，磷也（yě）是鐵素體（tǐ）的穩定劑。所以加鋼會大大提高δi值和鐵素體（tǐ）晶（jīng）粒尺寸。這些效應的結合將使磷成為極其有害的脆化劑，並引起穿晶斷裂（liè）。

4)矽。鋼中加入矽進行脫氧，同時（shí）有利於提高衝擊性能。如果鋼中同時存在（zài）錳和鋁，矽大部分溶解在鐵素體中，固溶硬化使δi增（zēng）大。這種效應和添加（jiā）矽（guī）對衝擊性能改善的綜合結果（guǒ）是，添加質量百分比的矽使（shǐ）晶粒尺寸穩定的鐵碳合金的（de）50%轉變溫度提高了44℃左右。此外，矽和磷一樣，是鐵的穩定劑，可以促進鐵素體晶粒生長。按重量百分比計算，正火鋼中（zhōng）加入矽會使平（píng）均能量轉換溫度提高（gāo）60℃左右。

5)鋁（lǚ）。鋼中加入合金（jīn）和脫氧劑有兩個原因:一是AlN與溶液中的氮形成，去除遊離氮；其（qí）次，AlN的形成細化了鐵素體晶（jīng）粒（lì）。這兩種作用的結果（guǒ）是，鋁每增加0.1%，相變溫度將降低約40℃。但當鋁（lǚ）的添加量超過（guò）要求（qiú）時，對遊離氮的“固化”作用就會（huì）減弱。

6)氧氣。鋼中（zhōng）的氧會（huì）在晶界上偏（piān）析，導致鐵合金沿晶斷裂。當鋼中氧（yǎng）含量高達0.01%時，斷裂會沿著脆性（xìng）晶粒的晶界產生（shēng）的連續通道發生。即使鋼中氧含量很低，裂紋也會在晶界處集中形核，然後穿晶擴展。為了解決氧脆化問（wèn）題，可以加入碳、錳、矽、鋁、鋯等脫氧劑，與氧結合形成氧化物顆粒，將（jiāng）氧從晶界去除。氧化物顆粒也（yě）有利於延（yán）緩鐵素體生長，增加d-/2。

4.碳含量在0.3% ~ 0.8%的影響

亞共（gòng）析鋼的碳含量為0.3% ~ 0.8%，先共析鐵素體為（wéi）連續相（xiàng），首先在奧氏（shì）體晶界處形成。珠光體在奧氏體晶（jīng）粒中形成，占顯微組織的35% ~ 100%。另外，在每個奧氏體晶粒內形成多種聚集結構，使珠光體多晶化。

由於珠光（guāng）體的（de）強（qiáng）度高於共析鐵素體，限製了鐵（tiě）素體的流動，使鋼的屈服強度和應變硬化率隨珠光體中碳含（hán）量的增加而增加。隨著硬化塊數量的增加，珠光體對先共析晶粒尺寸的細化（huà）作用增強。

當鋼（gāng）中（zhōng）存在大量珠光體時，在低溫和/或高應變速率變形時會形成微解理裂紋。雖然也有一些內部聚集段，但裂縫通道最初是沿解（jiě）理麵延伸的。因此，在鐵氧體片之間和相鄰聚集結構中的鐵氧體晶粒中存在一些優選取向。

5.貝氏體鋼的斷裂

在含碳（tàn）量為0.10%的低碳鋼中（zhōng）加入0.05%的鉬和硼，可以優化通常發生在（zài）700 ~ 850℃的奧氏體-鐵（tiě）素體轉變，不影響450℃和675℃奧氏體（tǐ）-貝氏體轉變的動力學條（tiáo）件。

貝氏體（tǐ）大約在（zài）525 ~ 675℃形成，通常（cháng）稱為“上貝氏體（tǐ）”；在450 ~ 525℃之間（jiān）形成的下貝氏（shì）體稱為“下貝氏體”。兩種組織都由針狀鐵素體和彌散碳化物（wù）組成。當相變（biàn）溫度從（cóng）675℃降低（dī）到450℃時，未回火貝氏體的抗拉（lā）強度（dù）從（cóng）585MPa提高到1170MPa。

因為相變溫（wēn）度由（yóu）合金元素的含量決定，並間接影響屈服和抗拉強度。這些（xiē）鋼獲得的（de）高強度是以下兩種作用的結果（guǒ）:

1)當轉變溫度降低時，貝氏體鐵素體片的尺寸不斷細化。

2)細小的碳化（huà）物連續分散在下貝氏體中。這（zhè）些（xiē）鋼的斷裂特性很大程度上取決於抗拉強度和轉變溫（wēn）度。

有兩個作用需要注（zhù）意:第一，在（zài）一定（dìng）的抗拉（lā）強度水平下，回火貝氏體的夏比衝擊性能比未回火的上貝氏體好得多。原因是在上（shàng）貝氏體中，球體中的解理麵切割（gē）了數個（gè）貝氏體晶粒，斷口的主要尺寸為奧氏體晶粒尺寸。

在下貝氏體（tǐ）中，針狀鐵素體中的解理麵不對齊，所以決定準解理斷（duàn）口是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體的晶粒尺寸。因為這裏針狀鐵素體的晶粒度隻（zhī）有上貝氏體奧氏體的1/2。因此，在相同強度水平下，下貝氏體的相（xiàng）變溫度遠低於上貝氏體。

除了以上原因，就是碳化物分布。貝氏體中的碳化物沿晶界（jiè）分（fèn）布，抗拉強度Rm降低，脆性增加。在回火的下貝氏體（tǐ）中，碳（tàn）化物均勻分布在鐵素體中，同時通過限製解理裂（liè）紋，提高了抗拉強（qiáng）度，促進了球化珠光體細化。

其次，要注意（yì）非調質合金相（xiàng）變（biàn）溫度和抗（kàng）拉強度的變化。在上貝氏體中，相變溫度的降低會細化（huà）針狀鐵素體的尺寸，提（tí）高延伸率Rp0.2。

在下貝氏（shì）體中，為了獲得830MPa或更高的抗拉強度，也可以通（tōng）過降低轉（zhuǎn）變溫度和增加強度來實現。但由於上貝氏體的斷（duàn）裂應力（lì）取（qǔ）決於奧氏體（tǐ）晶粒尺寸，而此（cǐ）時碳化物晶粒尺寸已經很大，所（suǒ）以回火對提高抗拉強度的作用很小。

6.馬氏體鋼的斷裂

向鋼中添加碳或其他元（yuán）素可以延遲奧氏體向鐵素（sù）體、珠（zhū）光體或貝氏體的轉變。同時，如果奧氏體化後冷卻速度足（zú）夠快，奧氏體會通過剪（jiǎn）切過程變成（chéng）馬（mǎ）氏體，而不會（huì）發生原子擴散。

理想的馬氏體（tǐ）斷口應具有以下特征。

◆四麵體鐵素（sù）體或針狀馬氏體非常細小，因為相變溫度很低(200℃或更低)。

◆由於剪切轉變，奧氏體中的碳原子來不及擴散出晶體，使鐵素體中的碳原子飽和，馬氏體晶粒拉長，導致晶格膨脹。

◆馬氏體（tǐ）相變必須超過一定的溫度範圍，因為最初生成的（de）馬（mǎ）氏體片增加了後期奧氏（shì）體轉變為馬氏體的阻力。因此，轉變組織是馬氏體（tǐ）和（hé）殘（cán）餘奧氏體的混合組織（zhī）。

為了（le）保證鋼（gāng）的性能穩定，回火是（shì）必要的。高碳馬氏體(0.3%以上)，在以下範圍回火約1小時，經曆以下三個階（jiē）段。

1)當溫度達（dá）到100℃左右時，馬氏體中的（de）部分過飽和碳析出，形成（chéng）非常細小的ε-碳化物顆粒，彌散在馬氏體中，降低碳含量。

2)當溫度（dù）在100℃至300℃之間時，任何殘餘奧氏體都可能轉變為貝（bèi）氏體和ε-碳化物。

3)在第三階段回火中，從（cóng）200℃左右（yòu）開始取決於碳含量和合金成（chéng）分。回火溫（wēn）度（dù）升（shēng）至共析溫度時，碳化物析出物粗化，Rp0.2降低。

7.中等強度鋼的（de）斷裂

回火除了消除應（yīng）力和提高衝擊韌性（xìng）外，還有以下兩個作用:一是轉變殘餘奧氏體。殘餘奧氏體在30℃左右的低溫下會轉變為韌性的針狀下貝氏體。在更高的溫度（dù）下，如600℃，殘餘奧氏體將轉化為脆性珠光體。因此，鋼（gāng）在550 ~ 600℃進行第一次回火，在300℃進行第二次回火，以避免脆性珠光體（tǐ）的形成，稱為“二次回火”。

其（qí）次，增加彌（mí）散碳化物的含量(提（tí）高抗拉強度Rm)，降低屈服強度。如果提高回火溫度，兩者都會造（zào）成衝擊，相變（biàn）回（huí）火範（fàn）圍減小。因為顯微組織變細，所以在（zài）相同強度水平下，拉伸塑性會提高。

回火（huǒ）脆性是可逆的。如果回火（huǒ）溫度太高而不能超過臨界範圍，並且轉變溫度降低，則可以（yǐ）在回火溫度再次升高之前，在臨界範圍內重新加熱和處理材（cái）料。如果出（chū）現微量元素，脆性會得到（dào）改善。最重要的微量元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和矽，它（tā）們可（kě）以去脆化（huà）。如果（guǒ）有其他（tā）合金元素存在（zài），鉬也能降低回（huí）火（huǒ）脆性，鎳和鉻（gè）也有一定（dìng）作用。

8.高強度鋼(Rp0.2>1240MPa)的斷裂

高強度（dù）鋼可通過以下方法生產:淬火和回火；淬火和回火前的奧氏體變形；以及退火和時效以生（shēng）產沉澱（diàn）硬化鋼。此外，鋼的強（qiáng）度可通過應變和再回火或回火期應變進一步提高。

9.不鏽鋼斷裂

不鏽（xiù）鋼（gāng）主要由鐵鉻、鐵鉻鎳合金等元素組成，以提高機械（xiè）性能和耐腐（fǔ）蝕（shí）性能。不鏽鋼的防腐蝕是由於在金屬表麵形成氧化鉻不滲透層，可以防止進一步氧化。

因此，不鏽鋼在氧化氣（qì）氛中具有（yǒu）防腐蝕和強化（huà）氧化鉻層的作用。然而，在還原氣氛中，氧化鉻層被（bèi）損壞。耐蝕性隨著鉻和（hé）鎳含量的增加而（ér）增加。鎳可以（yǐ）改善鐵（tiě）的鈍化。

添加碳是為了（le）改善機械性能並（bìng）確保奧（ào）氏體不鏽（xiù）鋼的穩（wěn）定（dìng）性（xìng）。一般來說，不（bú）鏽鋼是按微觀結構分類（lèi）的。

◆馬氏體不鏽鋼。它屬於鐵鉻合金，可以奧氏體化，隨後熱處理生成馬氏體。通常含有12%的鉻和（hé）0.15%的碳。

◆鐵素（sù）體不鏽鋼。它含有大約（yuē）14% ~ 18%的鉻和0.12%的碳。因（yīn）為鉻是鐵素體的穩定劑，奧氏體相被13%以上的鉻（gè）完全抑製，所以是完全的（de）鐵素體相。

◆奧氏體不鏽鋼。鎳是奧氏體的強穩定劑（jì）。所以在室溫下，低於室溫（wēn）或者高溫下，當鎳含量為8%，鉻含量為18%(300型)時，奧氏體相可以非常穩（wěn）定。奧氏體類似於（yú）鐵（tiě）素體，不能通過馬氏體轉變硬化。

並且鐵素體和馬氏體不鏽鋼與（yǔ）同類的其他鐵素（sù）體和（hé）馬氏體鋼具有類似的特征，例如晶粒尺寸。

奧氏體不（bú）鏽鋼FCC結構在凍（dòng）結溫度下不會裂開。310不（bú）鏽鋼經過80%冷軋後，具有極高（gāo）的屈服強度和缺（quē）口敏感性，即使在（zài）低至-253℃的溫度下，缺口敏感性比為1.0。因此，它可用於（yú）導彈係統的液氫貯箱（xiāng）。類似的301型不鏽鋼可用於溫（wēn）度低至183℃的液氧儲罐。但是在這些溫（wēn）度以下它是不穩定的。如果發生任何塑性變形，不穩定的奧氏體將變成脆性的非回火馬（mǎ）氏體。大多數奧氏體鋼（gāng）用於（yú）防腐蝕環境。加（jiā）熱到500 ~ 900℃時，碳化鉻（gè）會在奧氏體晶界析出，導致晶界附近鉻層完全貧化。這部分非常容易腐（fǔ）蝕和局部腐蝕，如果有（yǒu）應（yīng）力，還會導致晶體（tǐ）脆性斷裂。

為減輕上述危害，可加入少量性能（néng）比碳化鉻更強的元素，如鈦或铌，與碳形（xíng）成合金碳化物（wù），防止鉻被（bèi）耗盡和應力腐蝕開裂。這種治療通常被稱為“穩定治（zhì）療（liáo）”。

奧氏體也通（tōng）常用於高溫（wēn），如（rú）壓力容器，以防止和滿足耐腐蝕性和抗蠕變性。由於焊後熱處理和高溫環境，一些鋼種對熱影響區及其（qí）附近（jìn）的裂紋（wén）非常敏感。因此，焊接再加（jiā）熱時，铌或碳化鈦在高溫作用下會在（zài）晶粒和晶界（jiè）析出，導致裂紋，影響使用壽命，必須（xū）引起高度重視。