數控機床加工中鋼（gāng）材斷裂的（de）性能原因分析

有成（chéng）千上萬（wàn）種鋼用於各種工業。每種鋼都有（yǒu）不同的商品名，因為它們的性質、化學成分或合金（jīn）類型和含量不同。雖然斷裂韌性值極大地（dì）方便了每種鋼的選擇，但這（zhè）些參數幾乎不適用於所有鋼。主要原因是:第一，由於在鋼（gāng）鐵冶（yě）煉中需要加入（rù）一定量的一種或多種合金元素，經過簡單的熱處理就可以獲得不同的顯（xiǎn）微組織，從而改（gǎi）變鋼的原有（yǒu）性能；其次（cì），由於煉鋼和澆注（zhù）過程中產生的缺陷，特別（bié）是集中缺陷(如氣孔和夾雜（zá）物等。)在軋製過程中極其敏感，在化學成分相同的鋼的（de）不同（tóng）爐（lú）次中，甚至在（zài）同一鋼坯的不同部位（wèi）都發生變化，從而影（yǐng）響鋼的（de）質量。因為鋼的韌性主要取決於微觀組織和缺陷的分散程度(防止集中（zhōng）缺陷)，而不是化學成分。所以熱處理後（hòu）韌性會有很大的變化。為了深入探索（suǒ）鋼的性能和斷裂原因，必須掌（zhǎng）握鋼（gāng）的物理冶金與組織（zhī）和韌性的（de）關係（xì）。

1.鐵素體-珠光體鋼的斷裂

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

鐵素體-珠（zhū）光體顯微組織由BBC鐵(鐵素體（tǐ）)、0.01%C、可溶性合金和Fe3C組成。在低碳（tàn）含量的碳鋼中，滲碳體顆粒(碳化物)停留（liú）在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與部分鐵素體形成片狀結構，稱為（wéi）珠光體，並傾向於以“晶粒”和球狀球粒(晶界析出物)的形式彌散（sàn）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（zhōng），珠光體占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（zhōu）圍變形。一般來說，鐵素體（tǐ）的晶粒尺寸（cùn）隨著珠光體含量的增加而減小（xiǎo）。因為珠（zhū）光體球的形成和轉變會阻礙鐵素體晶粒的長大。所（suǒ）以珠光體會通（tōng）過（guò）增加d-1/2(d為平均晶粒直徑)間接增加拉伸屈服應力δy。

從斷口分析來看，低（dī）碳鋼中含碳量有兩種鋼，其性（xìng）能備受關注。第一，當碳含量低於0.03%時，碳以珠光體團的形式（shì）存在，對鋼的韌性影響不大；第二（èr），當碳含（hán）量較高時，以球體的形式直接（jiē）影響韌性和夏比曲線。

2.處理過程的影響

從實踐中可知，水淬鋼的衝擊性（xìng）能比（bǐ）退火或正火鋼好，因為快速冷卻（què）防止了晶界處（chù）滲碳體的（de）形成並促進了鐵素體晶粒的細化。

許多鋼材是以熱軋（zhá）狀態銷售的，軋製條件對衝擊性能影響很大。較低的終軋溫度會降低衝擊轉變溫度，提（tí）高（gāo）冷卻速度（dù），使鐵素體晶粒（lì）細化，從而提高鋼的韌（rèn）性。因為厚板的冷卻（què）速度比薄板慢，所以鐵素體晶（jīng）粒比薄板（bǎn）粗。因此，在相同的熱處理條件下，厚板比薄板更脆。因此（cǐ），熱軋後常采用正火處理來改善鋼板的性能（néng）。

熱軋還可以（yǐ）生產出各種混（hún）合組織、珠光體帶和夾雜物晶界在同一軋（zhá）製方向的各向異性鋼和（hé）定向韌性鋼。珠（zhū）光體帶和細長夾雜物粗（cū）大彌（mí）散成鱗片狀，對夏比轉變（biàn）溫度區間低溫缺口韌性影響較大。

3.鐵素體可溶合金元素的影響

大多數合金（jīn）元素被（bèi）添加到低碳鋼中（zhōng），以在（zài）一定（dìng）的環境溫度下產生固溶體硬化鋼，並增（zēng）加晶格摩（mó）擦應力δ i。然而，目（mù）前僅通過公式無法預測較低的屈服應力，除非晶粒尺寸已知。雖然屈服應力的決（jué）定因素是（shì）正火溫度和冷卻速度，但這種研究方（fāng）法仍然非（fēi）常重要，因為它可以預測單一合金元素通過增加δ I來降低韌性的範圍（wéi）。

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

1)錳。大多數錳含量在0.5%左右。作為脫氧劑或固硫劑加入，可（kě）防止鋼的（de）熱裂。在低碳鋼中還具有以下功能。

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

◆鐵素體（tǐ）晶粒（lì）尺寸可略有（yǒu）減小。

◆可產生大量細小（xiǎo）的珠光體顆粒。

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

當鋼的含（hán）碳量較高時，錳能顯著降低相變溫度約50%。原因可能是（shì）由於大量的珠光體，而不是滲碳體在邊界的分布。必須注意的是，如果鋼的碳含量高（gāo）於（yú）0.15%，高（gāo）錳含量對正火鋼的衝擊性（xìng）能起決定性作用。由於鋼的高淬透性，奧氏體轉變為脆性的上貝（bèi）氏（shì）體，而不是鐵素體或（huò）珠光體。

2)鎳（niè）。鋼中加（jiā）入錳可（kě）以提高鐵碳（tàn）合金的韌性。效果取決於碳含（hán）量和熱處理。在含碳量極低(約0.02%)的鋼（gāng）中（zhōng），添加2%可以阻止（zhǐ）熱軋和正火鋼（gāng）中晶（jīng）界滲碳體的形成，同時（shí）大幅降（jiàng）低初始相變溫度TS，提（tí）高夏比衝（chōng）擊曲線峰值。

提高衝擊韌性的效（xiào）果隨著鎳含量的增加而降（jiàng）低。如果（guǒ）碳（tàn）含（hán）量低到正火後沒有碳化物出現，鎳對相（xiàng）變溫度的影（yǐng）響將是有限（xiàn）的。在含碳量為0.10%左右（yòu）的正（zhèng）火鋼中（zhōng）加入鎳，最大的（de）好（hǎo）處是細化晶粒，降低遊離氮含量（liàng），但其機理尚不清楚。可能是鎳作為奧氏體的穩定劑，從而降低了奧氏體的分解溫（wēn）度。

3)磷。在純Fe-P合金中，磷在鐵素體晶界（jiè）處發生偏析，降低了抗拉強度Rm並使（shǐ）晶粒變脆。此外（wài），磷也是鐵素體的穩定（dìng）劑。所以加鋼會大大提高δi值和鐵素體晶粒尺寸。這些效應的結合將使磷成為極（jí）其（qí）有害的脆化劑，並引起穿晶斷（duàn）裂。

4)矽。鋼（gāng）中加入矽（guī）進行脫氧，同時有利於提高衝擊性能。如果鋼中同時存在錳（měng）和鋁，矽大部分溶解在鐵素體中，固（gù）溶硬化使δi增大。這種效應和添加矽對衝擊性能（néng）改善（shàn）的綜合（hé）結果（guǒ）是，添（tiān）加質量百分比的矽使晶粒（lì）尺（chǐ）寸穩定的鐵碳合金（jīn）的50%轉變溫度提高了44℃左右。此外，矽（guī）和磷一（yī）樣，是（shì）鐵的穩定劑，可以促進鐵素體晶粒生長。按重量百分比計算，正火鋼中加入矽會使平均能量轉換溫度提高60℃左右。

5)鋁。鋼中加（jiā）入合金和脫氧劑有兩（liǎng）個原因（yīn）:一是AlN與溶液中的氮形成，去除遊離（lí）氮；其次，AlN的形成細化了鐵素體晶粒。這兩種作用的結果是，鋁（lǚ）每增（zēng）加（jiā）0.1%，相變溫度將降低約40℃。但當鋁的添加量超過要求時（shí），對遊離氮的“固（gù）化”作用就會減弱。

6)氧氣。鋼中（zhōng）的氧會在晶界上偏析，導致鐵合金沿（yán）晶斷裂。當鋼（gāng）中氧含量高達0.01%時，斷裂會沿著脆性晶粒的晶界產生的連續通道發（fā）生。即使鋼中（zhōng）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（jué）氧脆化問題，可以加入（rù）碳、錳、矽、鋁、鋯（gào）等脫氧劑，與（yǔ）氧結合形成氧化物（wù）顆粒，將氧從晶界去除（chú）。氧化物（wù）顆粒（lì）也有利於延緩鐵素體生長，增加d-/2。

4.碳含量在0.3% ~ 0.8%的影（yǐng）響

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

由於珠光體的強度高於共析鐵素（sù）體，限製（zhì）了鐵素體的流（liú）動（dòng），使鋼的屈服強度和應變硬（yìng）化率隨珠光體中碳含量的增加而增加。隨著硬化塊數量的（de）增加，珠光（guāng）體對先共析晶粒尺寸的細化作用增強。

當鋼中存在（zài）大量（liàng）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（yě）有一些內部聚（jù）集段（duàn），但裂縫通道最初是（shì）沿解理麵延伸的。因此，在鐵氧體片之間和相鄰聚（jù）集結構中的鐵（tiě）氧（yǎng）體晶粒中存在一些優選取向。

5.貝氏體鋼的斷裂

在含碳量為0.10%的（de）低碳鋼中加入0.05%的（de）鉬和硼，可以優化通常發生在700 ~ 850℃的奧氏體-鐵素體轉變，不影響450℃和675℃奧氏體-貝氏體轉變的動力學條件（jiàn）。

貝氏體大約在525 ~ 675℃形成（chéng），通常稱為“上貝氏（shì）體”；在450 ~ 525℃之間形成的下貝氏（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組成（chéng）。當相變（biàn）溫（wēn）度從675℃降低到450℃時，未回火貝氏體的抗（kàng）拉強度從585MPa提高到1170MPa。

因為相變（biàn）溫度由合金元素的含量（liàng）決定，並間接（jiē）影響屈服和抗拉強度。這些鋼獲得的高強度是（shì）以下兩種作（zuò）用的結果:

1)當轉變溫度降低時，貝氏體鐵（tiě）素體片的尺寸不斷細化。

2)細小（xiǎo）的碳化物連續分散在下貝（bèi）氏體中。這些鋼的斷裂特性很大（dà）程度上取決於抗拉強度和轉變溫度。

有兩個作用需要注（zhù）意:第一，在一定的抗拉強度水平下，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（shì）在上貝氏體中，球體中的解（jiě）理麵切割了數個貝氏體晶粒，斷口的主要尺寸為奧氏體晶粒尺（chǐ）寸。

在下貝氏體中，針狀鐵素體中的解理麵不對（duì）齊，所（suǒ）以決定準解理斷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（lǐ）針（zhēn）狀鐵素體的晶粒（lì）度隻有上貝氏體奧氏體的1/2。因此，在相（xiàng）同強度水平下，下貝（bèi）氏體的相變溫度遠低於上貝氏體（tǐ）。

除了以上原因，就是碳化物分布。貝氏體中的碳化物沿晶界分布，抗拉強度Rm降低（dī），脆（cuì）性（xìng）增加。在回火的下貝（bèi）氏體中（zhōng），碳化（huà）物均勻分布在（zài）鐵素體（tǐ）中，同（tóng）時通過限製解理（lǐ）裂紋，提高了抗拉強度，促進了球化珠光體細（xì）化。

其次，要注意非調質（zhì）合金相變溫度和抗拉（lā）強度的（de）變化（huà）。在上貝（bèi）氏體中，相變溫度的降（jiàng）低會細化針狀鐵（tiě）素體（tǐ）的尺寸，提高（gāo）延伸率Rp0.2。

在下貝氏體中，為了（le）獲得830MPa或更高的（de）抗拉強度，也可以通過降低轉變溫度和增加（jiā）強度來實現。但由於上貝氏體（tǐ）的斷裂應（yīng）力取決於奧氏體晶粒尺（chǐ）寸，而此時（shí）碳化物（wù）晶粒尺寸已經（jīng）很大，所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（jiā）碳或（huò）其他元素可以延（yán）遲奧氏體向鐵素（sù）體、珠光（guāng）體（tǐ）或貝氏體的轉變。同時，如果奧氏體化後冷卻速度足夠快（kuài），奧氏體會通過剪切過程變成馬氏體，而不會發生原子擴散。

理想的馬氏體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（dī）)。

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

◆馬氏體相變（biàn）必（bì）須超過一定的溫度（dù）範圍，因為最初生成的馬氏（shì）體（tǐ）片增加（jiā）了後期奧氏體轉變為馬氏體的阻力。因此（cǐ），轉（zhuǎn）變組織是馬氏體和殘餘奧（ào）氏體的混（hún）合組織。

為了保證鋼的性能穩定，回火是（shì）必要的。高碳馬氏體(0.3%以上)，在以下範圍回火（huǒ）約1小（xiǎo）時（shí），經曆以（yǐ）下三個階段。

1)當溫度達到100℃左右時，馬氏體中的部分過（guò）飽和碳析出，形成非常細小的ε-碳（tàn）化物顆粒，彌散（sàn）在馬氏體中，降低碳含量。

2)當溫度在100℃至300℃之間（jiān）時，任何（hé）殘餘奧氏體（tǐ）都可能轉變（biàn）為貝氏體（tǐ）和ε-碳化（huà）物。

3)在第三階段回火中，從200℃左右開始取決於碳（tàn）含量和合金成分。回火（huǒ）溫（wēn）度升至共析溫度時，碳化物析出物粗化，Rp0.2降低。

7.中等強（qiáng）度（dù）鋼的斷裂

回火除（chú）了消除應（yīng）力和（hé）提高衝擊韌性外，還有以下兩個作用:一是（shì）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。在更高的溫度下，如600℃，殘餘奧氏體將（jiāng）轉化為脆（cuì）性珠光體。因此，鋼在550 ~ 600℃進行第一次回火，在300℃進（jìn）行（háng）第（dì）二次回火，以（yǐ）避免脆性珠光體的形成，稱為“二（èr）次回火”。

其次，增加彌散碳化物的（de）含量(提高抗拉強度Rm)，降低屈服強度。如果提高回火溫度，兩者都會造（zào）成衝擊，相變回（huí）火範圍減小。因為（wéi）顯微組織變細，所以在相同（tóng）強（qiáng）度水平下，拉伸塑性會提高。

回（huí）火脆性是可逆的。如果回火溫度太高而不能（néng）超（chāo）過臨界範圍，並且轉（zhuǎn）變（biàn）溫度（dù）降低，則可以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料。如果（guǒ）出現微量（liàng）元素，脆（cuì）性會得（dé）到改善。最重要的微量（liàng）元素是銻、磷、錫、砷，加上錳和矽，它們可以去脆化。如果有其他合金元素存在，鉬也能降低回火脆性，鎳和鉻也（yě）有一定作用。

8.高強度鋼(Rp0.2>1240MPa)的斷裂

高強度（dù）鋼可通過（guò）以下方法（fǎ）生產:淬（cuì）火和回火（huǒ）；淬（cuì）火和回火前的奧氏體變形；以及退火和（hé）時效以生產沉澱硬化鋼（gāng）。此外，鋼的強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

不鏽鋼主要（yào）由鐵鉻、鐵鉻鎳合金等元（yuán）素組成，以提高機械性能和耐腐蝕性能。不鏽鋼的防腐蝕（shí）是由於在金屬表麵形成氧化鉻不滲（shèn）透層，可（kě）以防止進一步氧化。

因此，不鏽鋼在氧化氣氛中具有防腐蝕和強（qiáng）化氧化鉻層的作用。然而，在還原氣氛中，氧化鉻層被（bèi）損壞。耐蝕性隨著鉻和鎳含量的增加而增加。鎳可（kě）以改善鐵（tiě）的鈍化。

添加碳是為了改善機（jī）械性能並確保奧氏體不鏽鋼的穩定性。一般（bān）來說，不鏽鋼是按（àn）微觀結構分類的。

◆馬氏體（tǐ）不鏽鋼。它屬於（yú）鐵（tiě）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0.15%的碳。

◆鐵素體（tǐ）不鏽鋼。它含有大約14% ~ 18%的鉻和0.12%的碳（tàn）。因（yīn）為鉻是（shì）鐵素體的穩定劑，奧氏體（tǐ）相被13%以上的鉻完全抑製，所以（yǐ）是完全的鐵素體相。

◆奧氏體不鏽鋼。鎳是奧（ào）氏體（tǐ）的強穩（wěn）定劑。所以在室溫下，低於室溫或者高溫下，當鎳含量為8%，鉻含量為18%(300型)時，奧（ào）氏體相可以非常穩定。奧氏體類似於鐵素體，不能通過（guò）馬（mǎ）氏體轉變硬化。

並且鐵素體和馬氏（shì）體不鏽鋼（gāng）與同類（lèi）的其他鐵（tiě）素體和馬（mǎ）氏體鋼具（jù）有類似的特征，例如晶粒尺寸（cùn）。

奧氏體不鏽鋼FCC結構在凍結溫度下（xià）不會裂開。310不鏽鋼經過80%冷軋後，具有極高的屈服（fú）強度和缺口敏感性，即使在低至-253℃的溫度下，缺（quē）口敏（mǐn）感性比為1.0。因此，它可用於導彈係統的液氫貯箱。類似的301型不（bú）鏽鋼可用於溫度低至183℃的液氧儲（chǔ）罐。但是在這些溫度以下它是不穩定的。如果（guǒ）發生任何塑性變形，不穩定的奧氏體將（jiāng）變（biàn）成脆性的非回火馬氏體。大多數奧氏體鋼用於防腐蝕環境。加熱到500 ~ 900℃時，碳化鉻會（huì）在奧氏體晶界析出，導致晶界（jiè）附近鉻層完全貧化。這部分（fèn）非常容易腐蝕和局部腐（fǔ）蝕，如果有應（yīng）力，還會導致晶（jīng）體（tǐ）脆性斷裂。

為減（jiǎn）輕上述危害，可（kě）加入少量性能比碳化鉻更強的元（yuán）素，如鈦或铌，與碳形成合金碳化物，防止鉻被（bèi）耗盡和（hé）應（yīng）力（lì）腐蝕開裂。這種治療通常被稱為（wéi）“穩定治療”。

奧氏體也通（tōng）常用於高（gāo）溫，如壓力容（róng）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（wēn）環境，一些鋼種對熱影響（xiǎng）區及其附近的裂紋非常敏感。因此，焊接再加（jiā）熱時，铌或碳化鈦在高溫作用下會在晶粒和（hé）晶界析出，導致裂紋，影響（xiǎng）使用壽命（mìng），必須引起高度重視（shì）。