钢材品种繁多，性能各异，选择需谨慎

各行业所用的钢材种类成千上万种，每种钢材由于性能、化学成分或合金种类及含量不同而具有不同的商品名称。虽然断裂韧性值大大方便了每种钢材的选择，但这些参数很难适用于所有钢材。

主要原因有：

一是由于钢在冶炼过程中必须加入一定量的一种或多种合金元素，经过简单的热处理后就能获得不同的组织，从而改变钢的原有性能；

二是由于炼钢、铸造过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制过程中极为敏感，而且它们在同一化学成分的不同炉次钢之间，甚至在同一钢坯的不同部位都有不同的变化，从而影响钢材的质量。

由于钢的韧性主要取决于组织和缺陷的分散程度（严防集中缺陷），而非化学成分，因此热处理后韧性会发生很大变化。要深入探究钢的性能及其断裂原因，还需要了解物理冶金学和组织与钢的韧性之间的关系。

1.铁素体-珠光体钢断裂

铁素体-珠光体钢占钢铁总产量的绝大部分，通常为铁碳合金，碳含量在0.05%-0.20%之间，并加入少量其他合金元素以提高屈服强度和韧性。

铁素体-珠光体组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶性合金和Fe3C组成。在含碳量很低的碳钢中，渗碳体粒子（碳化物）残留在铁素体晶界和晶粒中。但当碳含量高于0.02%时，大部分Fe3C与一些铁素体形成层状组织，称为珠光体，并往往以“晶粒”和结核（晶界沉淀物）的形式分散在铁素体基体中。在含碳量为0.10%至0.20%的低碳钢组织中，珠光体含量占10%至25%。

珠光体粒子虽然很硬，但它们在铁素体基体中分布很广，而且在铁素体周围很容易变形。一般情况下，铁素体的晶粒尺寸随珠光体含量的增加而减小。这是因为珠光体结核的形成和转变会阻碍铁素体晶粒的长大。因此，珠光体会通过增加d-1/2（d为平均晶粒直径）间接地提高拉伸屈服应力δy。

从断口分析看，低碳钢中有两个碳含量范围的性能值得关注，一是碳含量在0.03%以下时，碳以珠光体结核形式存在，对钢的韧性影响不大；二是碳含量较高时，碳以球状体形式存在，直接影响韧性和夏比曲线。

2. 处理工艺的影响

实践得知，水淬钢的冲击性能比退火或正火钢要好，其原因是快速冷却阻止了晶界处渗碳体的形成，促进了铁素体晶粒的细化。

很多钢材都是以热轧状态出售的，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，增加冷却速度，使铁素体晶粒变细，从而提高钢材的韧性。厚板的冷却速度比薄板慢，铁素体晶粒比薄板粗大。因此，在同样的热处理条件下，厚板比薄板脆性大。因此，热轧后常采用正火处理来改善钢板的性能。

热轧还能生产出各向异性钢及各种混合组织、珠光体带和夹杂物晶界与轧制方向一致的方向性韧钢。珠光体带和细长夹杂物组织粗大，呈鳞片状弥散分布，对夏比转变温度范围内的低温缺口韧性有很大影响。

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，以在某些环境温度下产生固溶硬化钢，从而增加晶格摩擦应力δi。但是，目前无法仅使用公式来预测较低的屈服应力，除非知道晶粒尺寸。虽然屈服应力由正火温度和冷却速度决定，但这种方法仍然很重要，因为它可以预测单个合金元素通过增加δi 来降低韧性的范围。

目前尚未见有关铁素体钢的非延性转变(NDT)温度和夏比转变温度的回归分析报道，而且这些仅限于定性讨论添加单一合金元素对韧性的影响。下面就几种合金元素对钢材性能的影响作一简单介绍。

1）锰

锰含量大多在0.5%左右，作为脱氧剂或固硫剂加入，可防止钢的热裂。在低碳钢中还有下列作用。

◆对于碳含量为0.05%的钢，空冷或炉冷后，晶界处渗碳体薄膜的形成有减少的趋势。

◆能轻微减小铁素体晶粒尺寸。

◆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，后两种效应导致夏比曲线的峰值变得更尖锐。

当钢中碳含量较高时，锰可显著降低转变温度约 50%。其原因可能是由于珠光体含量高，而不是渗碳体在边界的分布。必须注意的是，如果钢中的碳含量高于 0.15%，高锰含量对正火钢的冲击性能起着决定性的作用。这是因为钢的高淬硬性导致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

将其加入钢中的作用与锰相似，能提高铁碳合金的韧性。其作用的大小取决于碳含量和热处理。在碳含量很低的钢中（约0.02%），加入2%可防止热轧正火钢中晶界渗碳体的形成，同时大幅度降低开始转变温度TS，提高夏比冲击曲线的峰值。

进一步增加镍含量会降低改善冲击韧性的效果。如果碳含量太低，以致正火后没有碳化物出现，镍对转变温度的影响就会变得非常有限。在碳含量约为0.10%的正火钢中加入镍的最大好处是细化晶粒，降低游离氮含量，但其作用机理目前尚不明确。可能是因为镍起到了奥氏体的稳定剂作用，从而降低了奥氏体的分解温度。

3）磷

在纯铁磷合金中，磷在铁素体晶界偏析，使抗拉强度Rm降低，并引起晶粒间脆化。另外，磷还是铁素体的稳定剂。因此，将其加入钢中，会大大提高δi值，使铁素体晶粒尺寸增大。这些作用的综合作用，使磷成为一种极其有害的脆化剂，导致穿晶断裂。

4）硅

硅加入钢中是为了脱氧，也有助于改善冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝，大部分硅会溶解在铁素体中，并通过固溶硬化增加δi。这种效果与添加硅改善冲击性能相结合，将硅按重量添加到具有稳定晶粒尺寸的铁碳合金中，可使转变温度提高 50% 左右，即约 44°C。此外，硅和磷一样，是铁素体的稳定剂，可促进铁素体晶粒生长。按重量计算，向正火钢中添加硅将使平均能量转换温度提高约 60°C。

5）铝

铝作为合金和脱氧剂加入钢中有两个作用：第一，它与溶液中的氮生成AlN，除去游离氮；第二，AlN的生成细化了铁素体晶粒。由于这两种作用，铝每增加0.1%，转变温度就会降低约40℃。但当铝的加入量超过要求时，“固化”游离氮的作用就会减弱。

6）氧气

钢中的氧在晶界处偏析，引起铁合金的沿晶断裂。当钢中氧含量高达0.01%时，断裂沿脆化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，然后扩散至晶粒内。解决氧脆问题的方法是加入碳、锰、硅、铝、锆等脱氧剂，与氧结合形成氧化物粒子，将氧从晶界中除去。氧化物粒子也是延迟铁素体长大、提高d-/2的有益物质。

4.碳含量在0.3%~0.8%之间影响

亚共析钢含碳量为0.3%～0.8%，先共析铁素体为连续相，最先形成于奥氏体晶界，珠光体形成于奥氏体晶粒内，占组织总量的35%～100%，此外，每个奥氏体晶粒内还形成多种聚集体组织，使珠光体成为多晶体。

由于珠光体比先共析铁素体强度高，限制了铁素体的流动，所以钢的屈服强度和应变硬化速度随珠光体碳含量的增加而提高，这种限制作用随硬化块数量的增加和珠光体对先共析晶粒尺寸的细化而增大。

当钢中含有大量珠光体时，在低温和/或高应变速率下变形时会形成微解理裂纹。尽管存在一些内部聚集体部分，但断裂路径最初沿解理面行进。因此，在相邻聚集体中的铁素体片之间和铁素体晶粒内存在一些优先取向。

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