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高温环境下钢材的力学性能探讨

【摘要】概述了钢的高温力学性能，分析了各类影响因素之间的关系。结果

表明，高温变形时晶界强度的降低和晶界滑移的发生是产生高温脆性的根本原

因。

【关键词】高温脆性;热塑性力学性能

0.引言

影响钢材力学性能的主要因素来自其化学成分、内部组织及晶粒度，轧钢生

产工作者长期以来就期望在生产之前便可定量预报钢材的性能，并在不断地进行

有关方面的研究。含碳2％以下的铁碳合金称为钢。炼钢的主要任务是按所炼钢

种的质量要求，调整钢中碳和合金元素含量到规定范围之内，并使P、S、H、O、

N等杂质的含量降至允许限量之下。炼钢过程实质上是一个氧化过程，炉料中过

剩的碳被氧化，燃烧生成CO气体逸出，其它Si、P、Mn等氧化后进入炉渣中。

S部分进入炼渣中，部分则生成SO2排出。当钢水成份和温度达到工艺要求后，

即可出钢。为了除去钢中过剩的氧及调整化学成份，可以添加脱氧剂和铁合金或

合金元素。

1.钢的高温力学性能概述

众多研究结果表明，在钢的熔点附近至600℃温度区间，存在三个明显的脆

性温度区域。1区的脆性是由于晶界熔化所致；2区的脆J比是由于硫化物、氧

化物在晶界析出，降低了晶界强度所致；3区则是由于沿原奥氏体晶界析出的先

共析铁素体所致。由于钢的化学成分、应变速率等条件的不同，三个脆性区不一

定同时表现出来，第2脆性区有时并不出现。

钢的高温力学性能受很多因素的影响，如热履历、化学成分、应变速率、冷

却速率、奥氏体晶粒度、析出物、动态再结晶等。这些可变因素增加了研究、理

解钢的高温力学性能的复杂性，同时也为钢的高温力学性能的改善提供了条件。

2.化学成分对钢材力学性能的影响

钢中各种元素对高温延塑性的影响主要表现在以下几个方面：是否改变奥氏

体向铁素体转变的温度和速率；是否形成析出物；是否偏聚在晶界，从而改变晶

界的强度。下面着重讨论C、S、P、N、Al、Ti等元素对钢的高温延塑性的影响。

2.1碳的影响

当碳含量变化时，塑性槽的宽度和位置发生变化，但其深度不变。对低碳钢

而言，其塑性从900℃开始降低，在750-820℃之间达到最低，当温度接近700℃

时，其塑性得到足够的恢复。当碳含量从0.04％升高到0.28％时，塑性槽向低温

移动了90℃。当碳含量在0.35％-0.65％之间变化时，热塑性曲线变化不大，但

塑性槽宽度达到了200℃以上。当碳含量较低时，在奥氏体晶界处有应力诱导铁

素体产生，应力集中使得铁素体晶界的MnS夹杂物处的微孔聚合，最终导致沿

晶断裂。

当碳含量在0.35％一0.65％之间时，在塑性槽最低点发生的断裂是由奥氏体

晶界滑移造成的。

2.2硫的影响

对于普通C一M钢，随着钢中硫含量的增加，塑性槽宽度增加，深度增大，

这是由于硫在晶界的偏析以及（M，Fe）S在奥氏体晶界的析出所致。硫在晶

界偏析降低了比表面能，对铁原子产生吸引力，从而降低了晶界强度，使得析出

物与基体的结合力下降，促进晶界滑移。晶界的应力集中使得（M，Fe）S与

晶界产生孔隙，加强了应力集中，从而扩展成为晶界裂纹。晶界微孔的形成与长

大过程也因硫的偏析而加强。

提高钢中锰硫比可以改善钢的高温塑性。由于锰与硫的亲和力大于铁与硫的

亲和力，从而使得在钢液凝固时，大部分硫与锰结合形成MnS，在钢中形成液

相及富铁硫化物的可能性就小，硫将以稳定的MnS形态沉积于晶柱内部而不削

弱晶界强度，从而提高钢的高温塑性。

2.3磷的影响

当碳含量小于0.25％，且温度在700-1200℃之间变化时，减少磷偏析，磷有

助于改善钢的塑性。Haerz等人通过回归分析实验数据的研究结果表明，磷能

够减少微合金钢和c-M钢表面缺陷的发生。Suzuki等人通过研究普通C-M钢

（0.05％C，1.4％M）的实验结果表明，当磷含量从0.003％到0.32％变化时，

钢的热塑性随着磷含量的增加而得到改善。S.Harada等人研究表明，横裂纹的产

生和磷含量较高的偏析有关。总之，减少磷的偏析，磷有可能改善钢的热塑性，

降低钢在矫直区产生横裂纹的趋势。如果磷偏析严重，在固相线以下的某个温度

枝晶间会存在液膜，这些液膜存在于，晶粒边界，将会大大降低钢的塑性，使钢

在结晶器和凝固前沿产生裂纹的趋势增大。

2.4氮的影响

氮虽然在钢中含量较低，但对钢的热塑性有很大影响，氮含量增加，钢的热

塑性变差川。氮易和AI