如何避免金属脆性断裂？

零件在断裂以前无明显的塑性变形,发展速度极快的一种断裂形式,称为脆性断裂。 脆性断裂前无任何征兆,断裂的发生具有突然性,是一种非常危险的断裂破坏形式。 金属零件因制造工艺不合理,或因使用过程中遭有害介质的侵蚀,或因环境不适,都可能使材料变脆,使其发生突然断裂。 例如,氢或氢化物渗入金属材料内部,可导致“氢脆”;氯离子渗入奥氏体不锈钢中,可导致“氯脆”;硝酸根离子渗入钢材,可出现“硝脆”;与碱性物接触的钢材,可能出现“碱脆”;与氨接触的铜质零件,可发生“氨脆”;等等。 此外,在10 ～15 ℃以下的环境温度下,中低强度的碳钢易发生“冷脆”(钢中含磷所致);含铝的合金,如果在热处理时温度控制不严,很容易因温度稍偏高而过烧,出现严重脆性。 金属脆性断裂的危害性很大,其危害程度仅次于疲劳断裂。

脆性断裂的主要特征如下:

①金属材料发生脆性断裂时,一般工作应力并不高,通常不超过材料的屈服强度,甚至不超过许用屈服应力,因而脆性断裂又称为低应力脆断。

②脆性断裂的断口平整光亮,断口断面大体垂直于主应力方向,没有或只有微小的屈服及减薄(颈缩)现象,表现为冰糖状结晶颗粒。

③断裂前无征兆,断裂是瞬时发生的。

脆性断裂中较有代表性的是氢脆断裂,氢脆断口上的白点是氢泡留下的痕迹,白点外围有放射状撕裂纹,这是裂纹扩展的痕迹。 氢脆断裂是工程中一种比较普遍的现象,其产生的原因有以下三种:

(1）氢压致断(www.xing528.com)

金属材料在冶炼、热处理轧制、锻压等过程中溶解了大量氢,冷却后,材料中析出的氢分子和氢原子在内部扩散,并在材料中的微观缺陷处或薄弱处聚集,形成压力巨大的氢气气泡,在气泡处出现裂纹。 随着氢扩散—聚集过程继续,气泡进一步生长,裂纹进一步扩张,直至相互连接、贯通,最后引起材料过早断裂。

(2）晶格脆化致断

材料中的固溶氢和外界渗入的氢通过晶界扩散,在晶界的薄弱处滞留、聚集,许多晶界的强度因此受到破坏。 在这个过程中,氢原子的电子也会挤入金属原子的电子层中,使金属原子之间相互排斥,造成晶格之间的结合力的降低。 在较低的工作应力作用下,甚至在材料自身残余应力的作用下,发生脆断。

(3）氢腐蚀致断

材料在热轧、锻造或热处理等高温(200 ℃以上)加工中,其内部固溶氢和外界渗入的氢,与金属材料中的夹杂物及合金添加剂起反应生成高压气体,这些气体在材料内部扩散转移,晶界遭受破坏,最终导致脆性断裂。