缺口形状越是尖锐缺口韧性越低,但当缺口半径低于0.1mm左右即不太变化。可是对于疲劳裂纹的缺口,韧性将有所降低。
在试样形状相似寸,尺寸越大也越容易发生脆性断裂,这是因为由
1)化学成分:为了提高低碳钢和HT50钢(50kg级高强钢,JIS SM50等)的缺口韧性、降低其转变温度,降低含碳量、提高含锰量是有效果的。就是说,随着Mn/C比的增加,转变温度将降低。
2)脱氧方式:对于结构钢,脱氧越彻底缺口韧性越高。
3)细化晶粒:显微组织越细,特别是铁素体晶粒越细,钢的缺口韧性越好。或者降低轧制温度、或者进行正火或淬火回火处理,或者加入少量的A1、Ti、Zr、V、La、Ce等,即使是轧制状态,也能得到细晶粒钢,因而提高韧性。这些元素因为能使碳和氮固定,减小钢的时效倾向,所以由这一点看也是有利的。
4)热轧:若轧制温度特别是终轧温度较高或者轧制后缓冷,则铁素体粗大,缺口韧性下降。对于低碳钢,轧制结束温度大约在1000℃以上时,转变温度将显著提高。
5)热处理与淬火时效:
热处理对钢的缺口韧性有着显著影响。
钢过热后其缺口韧性将下降。焊接热影响区和气切粗晶区就是如此。此外,使钢从A1点以下,接近A1点的温度急冷后放置,则发生急冷时效,因此缺口韧性也受到损害。
6)板材的异向性与偏析:轧制钢材因为其中的夹杂物与偏析被轧成纤维状,恰似木材一样,所以很自然地钢材具有异向性。在板的轧制方向(X)、横向(Y)和垂直表面方向(Z)三个方向上,屈服应力几乎没什么差别,而抗拉强度一般是Z向较弱。对于X方向过分轧制的热轧钢,ZZ向较弱。对于X方向过分轧制的热轧钢,Z向抗拉强度常常相当低下,延伸率和韧性等常常显著下降。对于铆接板的Z向强度不会成为问题,但是对于建筑、海洋结构、工程机械等的焊接,Z向强度往往是一个问题。
7)冷作加工与应变时效:低碳钢由于冷作加工和应变时效将大大损害缺口韧性。冷作加工过的钢材当然会发生应变时效,就是没有冷作加工过的钢材,伴随着焊接或气切中的热膨胀与收缩,也容易导致冷作加工的结果。一般说来由应变加工引起的脆化只进行600~650℃加热是不能恢复的。为了使其完全恢复需要更高的温度,比较理想的是正火(约880℃加热,空冷)。
1)腐蚀:大多数在常温附近使用的船舶,桥梁、高压输水管等结构用钢的脆性断裂,因为一般与使用年限无关,所以可以不把通常的腐蚀考虑为断裂的重要原因。
2)石墨化:当钢在高温下长时间受到加热时,则有游离碳析出,常常引起所谓石墨化。对于在500℃下使用了5年半的高温高压用C-Mo钢蒸气管,在焊接热影响区周边产生石墨化的一个例子中,产生石墨化部分的宽度为0.025~0.25mm,这部分因为产生了数微米左右的连续的链状石墨粒子,成为极危险的缺口,以此为界,管子发生了脆性断裂。为防止石墨化,要使铝的加入量限制到最少限量,并加入少量的大约0.5%的铬。此外,实验指出:焊后进行620℃左右的消除应力退火不能防止石墨化,而700℃左右的后热才能防止。
3)疲劳
疲劳裂纹一般在受到交变载荷后即进行扩展,最后发生疲劳断裂,或者达到临界长度;发生脆性断裂。但对于实际结构,因在断裂前需要很长的时间,所以在这期间可以使用,且有采取措施的余地。
1)焊接区的缺口韧性分布:作为表面缺口区的缝边区最重要。这个区域由于缝边裂纹、咬边或焊道的突然隆起,因为容易产生应力集中,所以缝边区下面的熔合区的韧性必须十分良好。
2)残余应力与预加载荷的影响:预加载荷可以减小低温脆性断裂倾向。可认为理由是:降低了残余应力;由于缺口底部加工硬化再受载时减少了新的屈服这两方面的效果。
3)角变形与错边的影响:角变形和错边严重的对接接头承受拉应力后,凹面缝边容易产生裂纹。与此相关连,在有角变形的对接宽板(400mm)接头缝边区,存在表面缺口,在低温下拉伸,进行脆性断裂发生试验的伊藤等、木原、大庭等的试验结果指出,HT60,HT80钢,都是缺口深度越深,角变形越大,错边越大,并且焊接线能量过大,熔合区的韧性下降越厉害,其临界应力-温度曲线越向高温方面移动,在常温耐压试验条件范围内越容易发生低应力脆性断裂。