為什么含碳量高的鋼材容易斷裂？

發(fā)布者：曙光時(shí)間：2022-06-17

含碳量高的棒材容易發(fā)生斷裂，如45#鋼做的軸，使用時(shí)間不長(zhǎng)。從斷裂后部件上取樣，進(jìn)行金相分析，往往找不到產(chǎn)生的原因，就算牽強(qiáng)附會(huì)找到了一些原因，也不是實(shí)際的原因。

為了確保更高的強(qiáng)度，還必須在鋼中添加碳，隨之就會(huì)析出鐵碳化物。從電化學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，鐵碳化物發(fā)揮了陰極作用，加快了基體周邊的陽(yáng)極溶解反應(yīng)。在顯微組織內(nèi)的鐵碳化物體積分?jǐn)?shù)的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。

鋼材表面易于產(chǎn)生并吸附氫，氫原子向鋼材內(nèi)部滲入的同時(shí)，氫的體積分?jǐn)?shù)就可能會(huì)增加，最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。

高強(qiáng)鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著降低不僅有害于鋼材的性能，還會(huì)極大地限制鋼材的應(yīng)用。

如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環(huán)境中，在應(yīng)力作用下，可能出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）現(xiàn)象就會(huì)對(duì)車身的安全性造成嚴(yán)重的威脅。

碳含量越高，氫擴(kuò)散系數(shù)減小，氫溶解度增大。學(xué)者Chan曾經(jīng)提出，析出物（作為氫原子的陷阱位置）、電位、空孔等各種晶格缺陷與碳含量成正比，碳含量增大，就會(huì)抑制氫擴(kuò)散，因此氫擴(kuò)散系數(shù)也較低。

由于碳含量與氫溶解度成正比關(guān)系，作為氫原子陷阱的碳化物，體積分?jǐn)?shù)越大，鋼材內(nèi)部的氫擴(kuò)散系數(shù)越小，氫溶解度增大，氫溶解度也包含了有關(guān)擴(kuò)散性氫的信息，因而氫脆敏感性最高。隨著碳含量的增加，氫原子的擴(kuò)散系數(shù)減小，表面氫濃度增大，這是因?yàn)殇摬谋砻娴臍涑妷合陆邓隆?

從動(dòng)電壓極化試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試樣的碳含量越高，酸性環(huán)境中就易于發(fā)生陰極還原反應(yīng)（氫生成反應(yīng)）以及陽(yáng)極溶解反應(yīng)。與具有低氫超電壓的周邊基體進(jìn)行比較，碳化物發(fā)揮了陰極的作用，其體積分?jǐn)?shù)增大。

根據(jù)電化學(xué)氫滲透試驗(yàn)結(jié)果，試樣內(nèi)的碳含量和碳化物的體積分?jǐn)?shù)越大，氫原子的擴(kuò)散系數(shù)就越小，溶解度增大。隨著碳含量的增加，抗氫脆性也會(huì)降低。

慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)證實(shí)，碳含量越大，抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能也會(huì)降低。與碳化物的體積分?jǐn)?shù)成正比，隨著氫還原反應(yīng)及向試樣內(nèi)部滲透的氫注入量增加，就會(huì)發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，也會(huì)加快形成滑移帶。

碳含量的增大，鋼材內(nèi)部就會(huì)析出碳化物，在電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的作用下，氫脆可能性就會(huì)增大，為了確保鋼具備優(yōu)秀的耐腐蝕性和抗氫脆性，對(duì)碳化物的析出和體積分?jǐn)?shù)的控制進(jìn)行是有效的控制方法。

鋼材在汽車零配件上的應(yīng)用受到一些限制，也要?dú)w因于其抗氫脆性能的明顯下降，而氫脆是由水溶液腐蝕產(chǎn)生的。事實(shí)上，這種氫脆敏感性是與碳含量密切相關(guān)的，在低氫超電壓條件下析出鐵碳化物（Fe2.4C/Fe3C）。

一般針對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象或氫脆現(xiàn)象導(dǎo)致的表面局部腐蝕反應(yīng)，通過(guò)熱處理除去殘余應(yīng)力，增大氫陷阱效率等方面開(kāi)展。要想開(kāi)發(fā)兼具優(yōu)秀耐腐蝕性和抗氫脆性的超高強(qiáng)汽車用鋼，也自然并非易事。

隨著碳含量的增大，氫還原速率增大，而氫擴(kuò)散速率顯著降低。使用中碳或高碳鋼做零部件或傳動(dòng)軸等，技術(shù)關(guān)鍵就是對(duì)顯微組織中的碳化物組分進(jìn)行有效控制。

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