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nm450耐磨钢板韧性和脆性性能

来源:天津市东和盛泰钢铁商贸有限公司 发布时间: 2019/11/6 13:46:31 【返回上一步】
本页关键词:nm450耐磨钢板韧性和脆性性能

  nm450耐磨钢板的韧性是材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力,因此,韧性是强度和塑性的综合表现。强度是材料抵抗变形和断裂的能力,而塑性则表示断裂时总的变形程度。因此,韧性值基本上是强度和塑性二者的函数。强度和塑性同时增加,韧性值也随之增加。

  但塑性的影响比强度要大,因此,凡是同时提高强度和塑性的因素,都是提高冲击功(AK)值的因素,如细化晶粒既能提高强度又提高了塑性,故冲击功提高。但在不少情况下,随强度升高,塑性降低。马氏体中含碳量增加时,正方度增加,强度升高,但塑性显著下降,故韧性急剧降低。

  马氏体的韧性受含碳量和亚结构的影响,并非简单的硬而脆。试验表明,在屈服强度相同的条件下,位错型马氏体比孪晶马氏体的韧性好。即使回火后也仍然具有这样的关系。

  一般来说,低碳钢淬火得到位错型马氏体,由于位错的可动性,使该类马氏体具有一定的塑性,裂纹扩展的阻力增大,可产生韧性断裂,因而断裂韧性较高;而高碳的孪晶马氏体硬而脆,在马氏体转变的过程中易于在马氏体片间产生显微裂纹,另外,由于不能产生塑性变形使裂纹扩展阻力减小,可导致准解理或解理断裂,因而断裂韧性较低。

  在低碳钢中含有大量降低马氏体点的合金元素时,其淬火马氏体中也会有孪晶,此时,钢的韧性将显著降低。所以,严格地说,只有位错马氏体具有良好的韧性。

  对于结构钢,一般来说,小于0. 4%C时,马氏体具有较好的韧性,含碳量越低,韧性越高。当含碳量大于0. 4%C时,马氏体的韧性变低,变得硬而脆,即使经过低温回火,韧性亦较差。含碳量愈低,冷脆转变温度也愈低。目前,结构钢的成分设计,均限制含碳量在0. 4%C以下,使Ms点不低于350℃。

  nm450耐磨钢板中马氏体的韧性一般较差,含碳量升高,韧性急剧下降。小于0. 4%C马氏体尚具有较好的韧性;大于0. 6%C马氏体即使经低温回火,其冲击韧性依然很低,高碳马氏体很脆。中、高碳钢淬火后,其韧性差,脆性大,易产生显微裂纹和宏观开裂,这主要是因其固有脆性决定的。

  综上所述,马氏体的强度主要取决于它的含碳量,而马氏体的韧性主要决定于它的亚结构。低碳的位错马氏体具有高的强度和韧性。高碳孪晶马氏体具有高强度和高硬度,但是韧性很差。理论和试验表明,获得位错型马氏体是一条重要的强韧化途径。

  马氏体的固有脆性决定于固溶碳量、组织形态、亚结构,显微应力及显微裂缝等因素。

  1.马氏体中固溶碳量的影响

  一般的规律是随马氏体中固溶碳量的增加马氏体变脆,如图1-73所示。

  马氏体中的碳原子间隙固溶,使铁原子离开其平衡位置,晶格造成很大的静畸变,碳原子使马氏体晶格中原子间的结合力降低,因而增加脆性倾向。从位错运动角度看,不同固溶碳量的马氏体晶格具有不同程度的弹性畸变,原子排列的不规则性大,晶格歪扭,阻碍位错运动。显然是畸变增大了晶面位错滑移的阻力,使滑移困难,即增大了脆性因素。马氏体中含碳量大于0. 25%时,碳原子会在晶格中集群化,c/a值增大,这种不对称的四角畸变是使韧性降低的最敏感的因素。

  2.马氏体形态的影响

  板条状马氏体组织越细小,强度和韧性越好。马氏体板条束宽度与屈服强度的关系也符合Hall-Petch公式,也即马氏体屈服强度σ,和板条束宽度d的-1/2次方成直线关系。多数试验表明条状马氏体的冲击韧性决定于领域大小。仿照Griffith公式,将断裂应力σ列为:

  式中,d为板条领域直径,ε为条的宽度(单位均为mm)。

  原始奥氏体晶粒越细小,奥氏体化温度越低,得到的条状马氏体越细,断裂韧性越高。

  高碳钢中马氏体形态较复杂,板条晶、蝶状马氏体及透镜片状马氏体常混杂在一起。一般说来,高碳透镜片状马氏体最脆,难以实际应用。生产上经常采取措施细化奥氏体晶粒,从而细化马氏体组织,其目的不是提高强度,而主要是改善韧性。

  高碳钢和合金工具钢在Acm以上的奥氏体单相区加热淬火,得到透镜片状马氏体,脆性较大,而在Ac1~Acm的二相区加热淬火时,得到所谓“隐晶”马氏体。有人认为“隐晶”马氏体是片状马氏体和条状马氏体的整合组织。“隐晶”马氏体组织极为细小,韧性较好。

  马氏体是以切变共格方式进行相变,因此不能穿越奥氏体晶界,也受到已形成的马氏体晶体的限制,但马氏体横向加厚难以受到限制,因此板条束和片状晶在长度上会变短,即奥氏体晶粒细小时,马氏体晶体变短是容易理解的。当奥氏体晶粒为超细晶粒时(例如12级以上,奥氏体晶粒平均直径为8μm),马氏体板条束的宽度、片状晶宽度和奥氏体晶粒直径几近相等,如图1-74所示。图中虚线表示一个原奥氏体晶粒中只有一个马氏体晶区的情况。这时可以将马氏体晶体单元尺寸的作用和奥氏体晶界的作用视为基本相同,从而将马氏体晶体形态对性能的影响降为次要地位,此时马氏体内亚结构对性能的作用将进一步明显起来。

  3.马氏体亚结构的影响

  如上所述,马氏体的亚结构是高密度位错和精细孪晶。低碳板条状马氏体中主要是位错,而透镜片状马氏体中主要是孪晶,也存在高密度位错,随含碳量的增加,孪晶数量增加。

  位错马氏体和孪晶马氏体的韧性不同,图1-75表明在相同的屈服强度下,位错马氏体和孪晶马氏体的断裂韧性的比较,显然位错马氏体韧性好得多。

  传统的观念把引起马氏体脆性的原因归结为孪晶亚结构。然而,要产生孪晶亚结构必须保证钢中的碳和促进形成孪晶的合金元素含量,碳和合金元素在马氏体中对韧性的影响有时比孪晶本身的作用还要大。现今沿用的孪晶引起马氏体脆性的结论,实际上并非孪晶本身的单一作用,而是包含着固溶元素以及其他因素的影响,下面分别讨论位错和孪晶引起马氏体脆性差别的原因。

  A 位错马氏体

  这种马氏体韧性好,其原因首先是由于含碳量低,较接近体心立方结构,对韧性损害小。而位错亚结构可动性较孪晶大,能缓和局部区域的应力集中,延缓裂纹形核,当有裂纹时可削减裂纹尖端应力峰,这些因素都对韧性有利。

  从实用nm450耐磨钢板的马氏体来看,这种马氏体形成的温度较高,即Ms点较高,在淬火过程中马氏体已不可避免地进行了自回火,析出的碳化物均匀地分布在位错线上,这是改善韧性的间接原因。

  B 孪晶马氏体

  马氏体内孪晶亚结构降低冲击韧性的原因还研究得不够充分。有人认为马氏体内存在孪晶时滑移系统减少,位错通过孪晶时呈“Z”字形,这就增加了形变阻力,据计算,此阻力比无孪晶时大5%~20%。图1-76为滑移位错通过孪晶时的情况。

  当存在孪晶时,滑移要在一个马氏体晶体中传播,基体和孪晶中的滑移系统必须重合,也就是说,原来马氏体中的滑移系统只有包含方向的才能产生滑移,这样就使有效滑移系统减少到原来的1/4。

  孪晶马氏体的含碳量比位错马氏体高,固溶强化作用可能是造成强度高、韧性低的主要因素。固溶碳量愈多,马氏体的正方度愈大。正方晶系具有优先形成孪晶的结晶面,因而孪晶马氏体的变形过程更容易以孪生方式进行,这种变形方式易于诱发裂纹。但是孪晶马氏体若能通过滑移方式变形时,则其韧性与位错马氏体相差无几。只有当孪晶马氏体以孪生方式变形时,其韧性才明显下降。托马斯(Thomas)研究指出,变形方式是决定马氏体韧性好坏的主要因素。

  马氏体的变形是以滑移方式进行,还是以孪生方式进行,与温度有关。不同含碳量的马氏体,其孪晶变形的临界温度TT不同。低碳孪晶马氏体的TT远远低于形成相变孪晶的温度Tc,因此它仍然以滑移方式进行变形,韧性并不下降,数值上可与位错马氏体相当。中碳孪晶马氏体的TT和Tc相近,因此在亚结构发生转化时,变形方式也随之改变,这就造成了孪晶亚结构可降低韧性的错觉。高碳马氏体的TT很高,因此变形大都以孪生方式进行,造成高碳马氏体脆性大。

  这些研究工作表明,孪晶马氏体较脆的原因必须与变形方式联系起来,并与临界温度TT有关(TT取决于马氏体的含碳量)。

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