各行业数千种钢材品种的性能及选择

各行业使用的钢材品种有数千种。每种钢因性能、化学成分或合金类型和含量不同而有不同的商品名称。虽然断裂韧性值极大地方便了每种钢材的选择，但这些参数很难适用于所有钢材。主要原因是：第一，因为钢在冶炼过程中需要添加一定量的一种或多种合金元素。钢制成钢后，通过简单的热处理即可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、夹杂物等），在轧制过程中极为敏感，可能发生在同一化学成分的不同炉次之间，甚至发生在同一钢的不同炉次之间。相同的坯料。不同部位发生不同的变化，从而影响钢材的质量。因为钢的韧性主要取决于显微组织和缺陷的分散情况（防止缺陷集中），而不是化学成分。因此，热处理后韧性会发生较大变化。要深入探讨钢的性能和断裂原因，还必须了解物理冶金和显微组织与钢韧性的关系。

1、铁素体-珠光体钢的断裂

铁素体-珠光体钢占钢铁总产量的绝大多数。它们通常是铁碳合金，碳含量在0.05%至0.20%之间，并添加其他少量合金元素以提高屈服强度和韧性。

铁素体-珠光体的显微组织由BBC铁（铁素体）、0.01%C、可溶合金和Fe3C组成。在碳含量极低的碳钢中，渗碳体颗粒（碳化物）保留在铁素体晶界处和晶粒内。但当碳含量高于0.02%时，绝大多数Fe3C与部分铁素体形成片状结构，称为珠光体，并倾向于充当分散在铁素体基体中的“晶粒”和结节（晶界析出物）。含碳量为0.10%～0.20%的低碳钢的显微组织中，珠光体含量占10%～25%。

珠光体颗粒虽然坚硬，但在铁素体基体中分布非常广泛，并且在铁素体周围很容易变形。一般来说，铁素体晶粒尺寸随着珠光体含量的增加而减小。因为珠光体结节的形成和转变会阻碍铁素体晶粒的长大。因此，珠光体通过增加d-1/2（d为晶粒的平均直径）会间接增加拉伸屈服应力δy。

从断裂分析的角度来看，低碳钢中有两个碳含量范围值得关注。首先，当碳含量低于0.03%时，碳以珠光体球粒形式存在，对钢的韧性影响不大；其次，当碳含量高时，直接影响球状体的韧性和夏比冲击力。曲线。

2、处理工艺的影响

实践表明，水淬钢的冲击性能优于退火或正火钢，因为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。

许多钢材以热轧状态出售，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，促使铁素体晶粒变细，从而提高钢的韧性。由于厚板的冷却速度比薄板慢，因此铁素体晶粒比薄板大。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。

热轧还可生产具有各种混合组织、珠光体带、夹杂物晶界与轧制方向一致的各向异性钢和方向韧性钢。珠光体带和拉长夹杂物粗大弥散成鳞片状，对夏比转变温度范围低温下的缺口韧性影响很大。

3、铁素体可溶合金元素的影响

大多数合金元素添加到低碳钢中，以在一定的环境温度下产生固溶硬化钢，并增加晶格摩擦应力δi。然而，目前不可能仅使用公式来预测较低的屈服应力，除非晶粒尺寸已知。尽管屈服应力的决定因素是正火温度和冷却速率，但这种研究方法仍然很重要，因为可以预测单一合金元素通过增加δi可以降低韧性的范围。

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目前尚未见报道。然而，这些仅限于关于添加单一合金元素对韧性影响的定性讨论。下面简单介绍几种合金元素对钢性能的影响。

1）锰。大多数含有约0.5%的锰。作为脱氧剂或固硫剂添加，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倾向。

◆ 可稍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NDT温度随着锰量的增加而降低，后两种效应会导致夏比曲线的峰值更加尖锐。

当钢的含碳量较高时，锰可使转变温度显着降低50%左右。其原因可能是由于晶界处存在大量珠光体而不是渗碳体分布。必须注意的是，如果钢的含碳量高于0.15%，高锰含量对正火钢的冲击性能起决定性作用。因为钢的高淬透性导致奥氏体转变为脆性上贝氏体而不是铁素体或珠光体。

2）镍。添加到钢中的作用类似于锰，可以提高铁碳合金的韧性。其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%可以防止热轧和正火钢中晶界渗碳体的形成，同时大幅降低起始转变温度TS，提高夏比冲击曲线峰值。

进一步增加镍含量，提高冲击韧性的效果降低。如果碳含量太低以至于正火后不出现碳化物，则镍对转变温度的影响将变得非常有限。在含碳0.10%左右的正火钢中添加镍的最大好处是细化晶粒，降低游离氮含量，但其机理目前尚不清楚。镍可能充当奥氏体的稳定剂，从而降低奥氏体分解的温度。

3）磷。在纯铁磷合金中，磷在铁素体晶界处发生偏析，降低抗拉强度Rm并导致晶粒间脆化。此外，磷还是铁氧体的稳定剂。因此，在钢中添加它会大大提高δi值和铁素体晶粒尺寸。这些作用的综合作用将使磷成为极其有害的脆化剂并引起穿晶断裂。

4）硅。钢中添加硅是为了脱氧并提高冲击性能。如果钢中同时存在锰和铝，则大部分硅溶解在铁素体中，并且δi通过固溶硬化而增加。这种效应和添加硅以改善冲击性能的综合结果是，在具有稳定晶粒尺寸的铁碳合金中按重量百分比添加硅可将 50% 转变温度提高约 44°C。另外，硅与磷类似，是铁素体铁的稳定剂，可以促进铁素体晶粒的长大。按重量百分比计算，在正火钢中添加硅将使平均能量转换温度提高约 60°C。

5）铝。在钢中添加AlN作为合金和脱氧剂有两个原因：一是AlN与溶液中的氮形成，以除去游离氮；二是AlN与溶液中的氮形成AlN，以除去游离氮；其次，AlN的形成细化了铁素体晶粒。这两种效应的结果是，铝含量每增加 0.1%，转变温度就会降低大约 40°C。然而，当添加的铝多于所需量时，“固化”游离氮的效果会变弱。

6）氧气。钢中的氧会在晶界偏析，引起铁合金的晶间断裂。当钢中氧含量高达0.01%时，断裂将沿着脆化晶粒晶界形成的连续通道发生。即使钢中的氧含量很低，裂纹也会在晶界处成核，然后扩展到整个晶粒。解决氧脆问题的方法是添加脱氧剂碳、锰、硅、铝、锆，与氧结合形成氧化物颗粒，去除晶界处的氧。氧化物颗粒也是延迟铁素体生长和增加 d-/2 的有益物质。

4、碳含量在0.3%~0.8%之间的影响

亚共析钢的碳含量为0.3%～0.8%。先共析铁素体是连续相，首先在奥氏体晶界处形成。珠光体形成于奥氏体晶粒内，占微观结构的 35% 至 100%。此外，每个奥氏体晶粒内形成多个聚集结构，使珠光体成为多晶。

由于珠光体的强度高于先共析铁素体，铁素体的流动受到限制，使得钢的屈服强度和应变硬化率随着珠光体含碳量的增加而增加。限制作用随着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加。

当钢中存在大量珠光体时，在变形过程中的低温和/或高应变速率下会形成微解理裂纹。尽管存在一些内部聚集组织切片，但断裂通道最初沿着解理面行进。因此，在铁素体片之间以及相邻聚集结构中的铁素体晶粒内存在某些优选取向。

5、贝氏体钢的断裂

在碳含量为0.10%的低碳钢中添加0.05%的钼和硼，可以优化通常在700～850℃发生的奥氏体-铁素体转变，而不影响随后在450℃和675℃的奥氏体转变。体到贝氏体转变的动力学条件。

约525℃至675℃之间形成的贝氏体通常称为“上贝氏体”； 450～525℃之间形成的贝氏体称为“下贝氏体”。两种组织均由针状铁素体和弥散碳化物组成。当转变温度从675℃降低到450℃时，未回火贝氏体的抗拉强度从585MPa增加到1170MPa。

因为转变温度是由合金元素含量决定的，间接影响屈服强度和抗拉强度。这些钢实现的高强度是两个作用的结果：

1）当相变温度降低时，贝氏体铁素体片的尺寸继续细化。

2）细小的碳化物连续弥散在下贝氏体中。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。

有两个效果需要注意：

首先，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上贝氏体好得多。其原因在于，在上贝氏体中，球体内的解理面切割了数个贝氏体晶粒，而决定断裂的主要尺寸是奥氏体晶粒尺寸。

在下贝氏体中，针状铁素体内部的解理面并非呈直线排列，因此决定准解理断口是否断裂的主要特征是针状铁素体晶粒尺寸。因为这里的针状铁素体晶粒尺寸仅为上贝氏体中奥氏体晶粒尺寸的1/2。因此，在相同强度水平下，下贝氏体的转变温度远低于上贝氏体。

除了上述原因外还有碳化物分布的原因。在上贝氏体中，碳化物沿着晶界分布，并通过降低抗拉强度 Rm 来增加脆性。在回火下贝氏体中，碳化物非常均匀地分布在铁素体中，同时通过限制解理裂纹来提高抗拉强度并促进球化珠光体细化。

其次，应注意未回火合金的转变温度和抗拉强度的变化。在上贝氏体中，相变温度的降低将细化针状铁素体尺寸，提高抗拉强度Rp0.2。

在下贝氏体中，为了获得830MPa以上的抗拉强度，还可以通过降低相变温度、提高强度来实现。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较大，因此通过回火提高抗拉强度的效果较小。

6、马氏体钢的断裂

在钢中添加碳或其他元素，可以延迟奥氏体向铁素体和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，奥氏体将通过剪切过程变成马氏体。不需要原子扩散。

理想的马氏体断裂应具有以下特征。

◆ 由于相变温度很低（200℃以下），四面体铁素体或针状马氏体非常细小。

◆ 由于相变是通过剪切发生的，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，从而拉长马氏体晶粒，引起晶格膨胀。

◆ 马氏体转变的发生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奥氏体随后转变为马氏体的阻力。因此，相变组织是马氏体和残余奥氏体的混合组织。

为了保证钢材性能稳定，必须进行回火处理。高碳（0.3%以上）马氏体在以下范围内回火约1小时，并经过以下三个阶段。

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

2) 在100°C至300°C之间的温度下，任何残余奥氏体都可能转变为贝氏体和ε-碳化物。

3) 在第 3 阶段回火中，根据碳含量和合金成分，从大约 200°C 开始。当回火温度升至共析温度时，碳化物析出变得粗大，Rp0.2降低。

7、中等强度钢的断裂

回火除消除应力、提高冲击韧性外，还有以下两个作用：一是使残余奥氏体转变。残余奥氏体在30℃左右的低温下转变为韧性针状下贝氏体。在较高温度如600°C时，残余奥氏体将转变为脆性珠光体。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。这种回火系统称为“二次回火”。

其次，增加弥散碳化物含量（抗拉强度Rm增加）会降低屈服强度。若提高回火温度，既会产生冲击，又会降低过渡回火范围。由于显微组织变得细化，因此在相同强度水平下拉伸塑性将得到提高。

回火脆性是可逆的。如果回火温度太高，超过临界范围并降低转变温度，则可以在临界范围内对材料进行重新加热和加工，然后才能再次提高回火温度。微量元素的存在表明脆性会得到改善。最重要的微量元素是锑、磷、锡和砷，另外还有锰和硅，它们具有脆化作用。如果存在其他合金元素，钼也可以降低回火脆性，而镍和铬也发挥作用。

8、高强度钢（Rp0.2>1240MPa）断裂

高强度钢可通过以下方式生产： 淬火和回火；淬火、回火前奥氏体变形；以及退火和时效以生产沉淀硬化钢。此外，通过应变再回火或回火期应变，还可进一步提高钢的强度。

9、不锈钢断裂

不锈钢主要由铁铬、铁铬镍合金及其他提高机械性能和耐腐蚀性能的元素组成。不锈钢之所以耐腐蚀，是因为在金属表面形成了一层不渗透的氧化铬层，以防止进一步氧化。

因此，不锈钢在氧化气氛中可以防止腐蚀并强化氧化铬层。然而，在还原气氛中，氧化铬层被破坏。耐腐蚀性随铬、镍含量的增加而增加。镍提高了铁的整体钝化性能。

添加碳的目的是为了提高力学性能，保证奥氏体不锈钢性能的稳定性。一般来说，不锈钢是根据其微观结构进行分类的。

◆ 马氏体不锈钢。它是一种铁铬合金，可以奥氏体化并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。含有约14%至18%的铬和0.12%的碳。由于铬是铁素体的稳定剂，13%以上的铬完全抑制了奥氏体相，因此是完全的铁素体相。

◆奥氏体不锈钢。镍是奥氏体的强稳定剂。因此，在室温、低于室温或高温下，镍含量为8%，铬含量为18%（300型）可使奥氏体相非常稳定。奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢类似，不能通过马氏体转变进行硬化。

铁素体和马氏体不锈钢的特性，例如晶粒尺寸，与同等级的其他铁素体和马氏体钢相似。

奥氏体不锈钢 FCC 结构即使在冷冻温度下也不可能解理和断裂。大型零件经过80%冷轧后，310型不锈钢具有极高的屈服强度和缺口敏感性，甚至在低至-253℃的温度下缺口敏感性比为1.0。因此，液氢储罐可用于导弹系统。类似的301型不锈钢可用于温度低至183℃的液氧储罐。但低于这些温度它就不稳定。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环境，并加热到500至900°C的温度范围。碳化铬会在奥氏体晶界处析出，导致晶界附近的铬层完全贫化。该区域非常容易受到腐蚀和局部腐蚀，如果存在应力，还会导致晶体脆性断裂。

为了减轻上述危害，可添加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，以防止铬被耗尽而产生随后的应力腐蚀开裂。这种治疗通常称为“稳定化治疗”。

奥氏体不锈钢也常用于高温环境，如压力容器，以防止和满足腐蚀和抗蠕变性能。由于焊后热处理和高温环境，某些钢种对热影响区及其附近的裂纹非常敏感。因此，当焊接重新加热时，由于温度较高，会在晶粒内和晶界内析出铌或钛的碳化物，引起裂纹，影响使用寿命。这一点必须引起高度重视。