钢材断裂的基本分析

    如今，用于各行业的钢材品种达数千种之多。每种钢材都因不同的性能、化学成分或合金种类和含量而具有不同的

商品名称。虽然断裂韧性值大大方便了每种钢的选择，然而这些参数很难适用于所有钢材。主要原因有：第一，因为

在钢的冶炼时需加入一定数量的某种或多种合金元素，成材后再经简单热处理便可获得不同的显微组织，从而改变
了钢的原有性能；第二，因为炼钢和浇注过程中产生的缺陷，特别是集中缺陷（如气孔、夹杂等）在轧制时极其敏感，

并且在同一化学成分钢的不同炉次之间，甚至在同一钢坯的不同部位发生不同的改变，从而影响钢材的质量。由于钢
材韧性主要取决于显微结构和缺陷的分散（严防集中缺陷）度，而不是化学成分。所以，经热处理后韧性会发生很大

变化。要深入探究钢材性能及其断裂原因，还需掌握物理冶金学和显微组织与钢材韧性的关系。
　　1. 铁素体-珠光体钢断裂

　　铁素体-珠光体钢占钢总产量的绝大多数。它们通常是含碳量在 0.05%～0.20%之间的铁-碳和为提高屈服强度及韧

性而加入的其它少量合金元素的合金。

　　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。在碳含量很低的碳钢中，渗碳体

颗粒（碳化物）停留在铁素体晶粒边界和晶粒之中。但当碳含量高于 0.02%时，绝大多数的 Fe3C 形成具有某些铁素体

“

”

的片状结构，而称为珠光体，同时趋向于作为 晶粒 和球结（晶界析出物）分散在铁素体基体中。含碳量在 0.10%～
0.20%的低碳钢显微组织中，珠光体含量占 10%～25%。

　　尽管珠光体颗粒很坚硬，但却能非常广泛地分散在铁素体基体上，并且围绕铁素体轻松地变形。通常，铁素体的
晶粒尺寸会随着珠光体含量的增加而减小。因为珠光体球结的形成和转化会妨碍铁素体晶粒长大。因此，珠光体会通

过升高 d-1/2（d 为晶粒平均直径）而间接升高拉伸屈服应力 δy。

　　从断裂分析的观点看，在低碳钢中有两种含碳量范围的钢，其性能令人关注。一是，含碳量在 0.03%以下，碳以

珠光体球结的形式存在，对钢的韧性影响较小；二是，含碳量较高时，以球光体形式直接影响韧性和夏比曲线。
　　2. 处理工艺的影响

　　实践得知，水淬火钢的冲击性能优于退火或正火钢的冲击性能，原因在于快冷阻止了渗碳体在晶界形成，并促
使铁素体晶粒变细。

　　许多钢材是在热轧状态下销售，轧制条件对冲击性能有很大影响。较低的终轧温度会降低冲击转变温度，增大冷
却速度和促使铁素体晶粒变细，从而提高钢材韧性。厚板因冷却速度比薄板慢，铁素体晶粒比薄板粗大。所以，在同

样的热处理条件下厚板比薄板更脆性。因此，热轧后常用正火处理以改善钢板性能。
　　热轧也可生产各向异性钢和各种混合组织、珠光体带、夹杂晶界与轧制方向一致的定向韧性钢。珠光体带和拉长后

的夹杂粗大分散成鳞片状，对夏比转变温度范围低温处的缺口韧性有很大影响。
　　3. 铁素体-可溶合金元素的影响

　　绝大多数合金元素加入低碳钢，是为了生产在某些环境温度下的固溶体硬化钢，提高晶格摩擦应力 δi。但目前还