【材料课堂】为何含碳量高的钢材容易断裂？

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含碳量高的棒材发生过很多次断裂，如45#钢做的轴，使用不太长的时间就发生断裂。从断裂后部件上取样，进行金相分析，往往找不到产生的原因，即算牵强附会找到了一些原因，也不是实际的原因。

为了确保更高的强度，还必须在钢中添加碳，随之就会析出铁碳化物。从电化学的观点来看，铁碳化物发挥了阴极作用，加快了基体周边的阳极溶解反应。在显微组织内的铁碳化物体积分数的增大还归因于碳化物的低氢超电压特性。

钢材表面易于产生并吸附氢，氢原子向钢材内部渗入的同时，氢的体积分数就可能会增加，最终使得材料的抗氢脆性能显著降低。高强钢材耐腐蚀性和抗氢脆性的显著降低不仅有害于钢材的性能，还会极大地限制钢材的应用。

如汽车用钢暴露于氯化物等各种腐蚀环境中，在应力作用下，可能出现的应力腐蚀开裂（SCC）现象就会对车身的安全性造成严重的威胁。

碳含量越高，氢扩散系数减小，氢溶解度增大。学者Chan曾经提出，析出物（作为氢原子的陷阱位置）、电位、空孔等各种晶格缺陷与碳含量成正比，碳含量增大，就会抑制氢扩散，因此氢扩散系数也较低。

由于碳含量与氢溶解度成正比关系，作为氢原子陷阱的碳化物，体积分数越大，钢材内部的氢扩散系数越小，氢溶解度增大，氢溶解度也包含了有关扩散性氢的信息，因而氢脆敏感性最高。随着碳含量的增加，氢原子的扩散系数减小，表面氢浓度增大，这是因为钢材表面的氢超电压下降所致。

从动电压极化试验结果来看，试样的碳含量越高，酸性环境中就易于发生阴极还原反应（氢生成反应）以及阳极溶解反应。与具有低氢超电压的周边基体进行比较，碳化物发挥了阴极的作用，其体积分数增大。

根据电化学氢渗透试验结果，试样内的碳含量和碳化物的体积分数越大，氢原子的扩散系数就越小，溶解度增大。随着碳含量的增加，抗氢脆性也会降低。

慢应变速率拉伸试验证实，碳含量越大，抗应力腐蚀开裂性能也会降低。与碳化物的体积分数成正比，随着氢还原反应及向试样内部渗透的氢注入量增加，就会发生阳极溶解反应，也会加快形成滑移带。

碳含量的增大，钢材内部就会析出碳化物，在电化学腐蚀反应的作用下，氢脆可能性就会增大，为了确保钢具备优秀的耐腐蚀性和抗氢脆性，对碳化物的析出和体积分数的控制进行是有效的控制方法。

钢材在汽车零配件上的应用受到一些限制，也要归因于其抗氢脆性能的明显下降，而氢脆是由水溶液腐蚀产生的。事实上，这种氢脆敏感性是与碳含量密切相关的，在低氢超电压条件下析出铁碳化物（Fe2.4C / Fe3C）。

一般针对应力腐蚀开裂现象或氢脆现象导致的表面局部腐蚀反应，通过热处理除去残余应力，增大氢陷阱效率等方面开展。要想开发兼具优秀耐腐蚀性和抗氢脆性的超高强汽车用钢，也自然并非易事。

随着碳含量的增大，氢还原速率增大，而氢扩散速率显著降低。使用中碳或高碳钢做零部件或传动轴等，技术关键就是对显微组织中的碳化物组分进行有效控制。

来源：中国冶金报-中国钢铁新闻网

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