低温脆性
中、低合⾦结构钢的低温脆性及选材低温脆性指温度低于某⼀温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值明显下降的现象。⼯程上常⽤的中、低强度结构钢经常发⽣此类现象。我国东北许多矿⼭上⽤的进⼝⼤型机械，在冬季就有低温脆性引起的⼤梁、车架等断裂现象，另外，⽇本汽车在东北冬季也出现过车架低温脆断问题。
1935年⽐利时在Albert运河上建造了⼤约50座焊接⼤桥，这些桥梁在以后⼏年中不断发⽣脆性断裂事故：38年3⽉Albert 河上Hasseld桥全长74.5⽶在⽓温-20℃时发⽣脆性断裂，整个桥断成三段坠⼊河中；以后⼜陆续发⽣断裂事故，到1950年就有6座在低温下发⽣脆断。
在⼆战期间，美国焊接的轮船在使⽤中发⽣⼤量的破坏断裂事故，其中238艘完全报废，19艘沉没。值得注意的是，⼤部分脆断是在⽓温较低的情况下发⽣的。当时美国船舶技术标准中没有对船舶⽤钢的低温脆性和缺⼝敏感性提出要求。⼈们没有认识到此问题的重要性。
这些是我们在设计、制造⾼原车需要注意的问题。
1．低温脆性产⽣的原因：
⾦属材料在不同温度、应⼒状态、加载速度和环境的作⽤下，断
裂形式各不相同。在⼯程实际使⽤的钢材中，脆性断裂的微裂纹形成机理是个⾮常复杂的问题，⽬前许多⽂献发表了这⽅⾯的研究成果，主要认为：
1.1.钢中的第⼆相颗粒(夹杂物、碳化物)对钢的脆性裂纹形成影响
很⼤。脆性微裂纹可以有碳化物本⾝破碎开始，也可起源于硫化锰夹杂物处。另外，第⼆相颗粒的⼤⼩对裂纹成核也有⼀定的影响，⼩的颗粒不易引起裂纹的产⽣。
1.2.低温脆性可起源于晶界。晶界裂纹形成除了晶界上碳化物影
响之外，微量有害元素偏析于晶界引起晶界脆化也是个重要因素，磷、硫、锑等元素及溶解的氧、氢、氮等⽓体在晶界偏析，⼤幅度降低了晶界脆性断裂抗⼒，提⾼了脆性转变温度。
1.3.应⼒及位错理论：主要观点认为⾦属中脆性断裂可起源于：
⾦属晶格中的滑移⾯阻塞处、机械孪晶的交叉处、应⼒集中处以及前述的晶界处等。
2影响低温脆性的因素：
影响钢的低温脆性的因素很多,⼏乎⽅⽅⾯⾯，主要的因素如下：2.1.合⾦元素：
合⾦元素对钢的脆性有⼀定影响，添加合⾦元素可使⾦属基体固
溶强化，对防⽌低温脆性可能起⼀定作⽤。钢中添加锰、镍可使脆性转变温度显著降低；碳含量增加时脆性转变温度升⾼；磷、铜、硅、钼等使脆性转变温度升⾼；矾、钛在最初使脆性转变温度升⾼，到达⼀含量后使脆性转变温度显著降低。
因此，材料⼯程上⽤降碳加锰、镍元素来设计低温⽤钢。
2.2.冶⾦⼯艺对低温脆性有影响：冶⾦因素直接影响到钢中的夹杂物、⽓体含量以及钢的晶粒度。这些对钢的脆性及转变温度影响较⼤。试验表明，Si-Al镇静钢⽐半镇静钢、沸腾钢脆性转变温度低得多。这是因为Si-Al镇静钢脱氧完全，钢中氢、氮含量低，夹杂物少，残留铝能细化晶粒。
2.2.热处理的影响：显微组织对钢的韧性和脆性转变温度有较⼤影响，⼀般情况下，热处理能改善钢的脆性倾向。对16MnCu 来讲，40~70mm厚板在热轧状态时⽆朔性转变温度为－10℃，⽽经过910正⽕后，⽆塑性转变温度下降到－30℃~－40℃。⾦相观察表明：该钢热轧状态时晶粒度为5~6级，铁素体+珠光体中组织不均匀性⼤；⽽正⽕处理后晶粒细化，组织均匀，改善了钢的低温脆性。
2.3.焊接的影响：焊接过程中多数缺陷是产⽣在焊缝⾦属和热影响区，在热影响区⼜存在较⼤的焊接残余应⼒区。缺陷是否会引
起开裂将取决于缺陷尖端附近区域的材料韧性，⽽其材料韧性⼜取决于钢材显微组织、化学成分、焊接⼯艺和规范，为了防⽌熔融的⾦属在刚刚凝固时发⽣热裂或冷到200℃以下发⽣冷裂，主要对钢的S、P含量加以限制，焊接⽤钢的S、P含量⼀般在0.05%以下（个别含P合⾦钢除外）。在焊接过程中原始焊条成分、药⽪、和焊剂种类、焊接⼯艺都会影响焊接区韧性。
2.4.加⼯硬化的影响：有些零件在制造过程中需要冷弯、剪切和冷加⼯等，会产⽣局部塑性变形，出现应变时效⽽导致变脆。研究结果证实,06MnNb钢板（20mm厚）经正⽕处理，当冷变形为2~3%时，脆性转化温度上升约10~15℃。
2.5.应⼒集中及缺⼝效应：
结构件的横截⾯突然改变、结构中存在机械缺⼝、表⾯或内部缺陷，如：裂纹、夹渣、⽓孔、尖⾓等，都会引起应⼒应变的局部集中，有利于裂纹的萌⽣及扩展，特别是尖锐裂纹尖端会产⽣很⼤的应⼒集中，加速裂纹扩展⽽突然脆断。
另外，钢板的厚度、使⽤环境的温度等也对低温脆性产⽣影响，在此，不再⼀⼀叙述。
3.鉴于上述原因及影响因素，为防⽌⾼原冬季出现低温脆断现象，我们在设计、制造及加⼯⾼原车过程中，需要做到：
3.1. 选择抗低温脆性较好的材料：
这些材料主要以低合⾦钢为主，有06MnNb、09Mn2V、09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、12MnV、16Mn、16MnCu、16MnRE、15MnV、15MnTi、16MnNb、15MnVN、14MnVTiRe等。⼴泛应⽤于船舶、锅炉、压⼒容器、桥梁、机械等⾏业。其中：
3.1.1. 16Mn，是我国解放初期设计并投⼊使⽤的第⼀批低合⾦钢种，属于35kg/mm2级，⽬前，是普通低合⾦钢中⽣产量及使⽤量最⼤的钢号。16Mn可在⼤、中、⼩平炉及转炉中冶炼，⽣产⼯艺简单，综合机械、可焊性、加⼯性能良好，时效脆化敏感性不⾼和低温性能较好，⼀般在热轧状态下使⽤，使⽤温度在-40~150℃范围内。缺点是：强度较低；热轧后⼀般不正⽕，组织波动⼤，冶炼⽅法多，化学成分范围宽，室温冲击韧性会出现⼤幅度的下降和上下波动，使钢从韧性状态转化为脆性状态，出现脆性转化温度升⾼现象。
16MnRE主要机械性能与16Mn相近，由于加⼊稀⼟元素，冲击韧性和弯曲性能有显著提⾼，在船舶制造中⼤量使⽤。
16MnCu 含铜，耐⼤⽓腐蚀，为耐⽓候⽤钢。
3.1.2. 15MnV、15MnTi、16MnNb都属于40kg/mm2级钢，在热轧状态下塑性及冲击韧性易出现剧烈降低，常采⽤正⽕处理。
3.1.3. 15MnVN、14MnVTiRe属于45kg/mm2级钢，正⽕后综合性能良好。正⽕状态下冲击值αk≈14-17kg .M/mm2 , -40℃时αk≈14-17kg .M/mm2
常⽤低合⾦钢机械性能⼀览表
韧性断裂
3.1.
4. 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、12MnV为低强度合⾦钢，⼀般在热轧状态使⽤。
3.1.5. 06MnNb、09Mn2V为低温⽤钢，可适⽤于－70~－90℃低温；即使在热轧状态，－80℃，冲击韧性仍⼤于
5kg.m/cm2；若正⽕处理，甚⾄在－100℃，冲击值仍保持8~12kg.m/cm2。
3.1.6 通过以上分析，结合我们国家的⽓候情况最低温度⼤约为-40℃左右，本着经济实⽤的原则，建议我公司可选材料为
16Mn、16MnRE。这两种材料都要选⽤E型材料，这样可以保证冶⾦精度，使材料在较低的温度下具有较⾼的抗脆断能⼒。16MnRE因为加⼊了⼀点稀⼟元素，材料成本可能会⾼⼀点，但其冲击韧性和冷弯性能要⽐16Mn好。
3.2.做好原料检验:
为了保证我们所购的钢材质量，除了化学成分检查外，还应增加对塑性、冲击韧性、⾦相组织、夹杂物的检查，做到⼼中有数，发现问题，及时解决。
3.3.⽤热处理⽅法，可改善钢的⾦相组织、减少⽓体含量、消除焊接残余应⼒，提⾼塑性及冲击韧性，降低脆性转化温度。3.
4.重视焊接⼯艺及质量控制:
由于低温脆性主要出现于焊接结构,⽽焊接过程会出现脆化倾向：焊接接头区冶⾦组织变化引起韧性降低、焊接
热循环过程中塑性应变引起热应⼒脆化；另外，焊接缺陷是难以避免的；所以，焊接处及热影响区的综合性能往往低于母材，焊接结构脆性⼤部分起源于焊接熔合线、焊缝及热影响区。为此，应选择合适的焊接⼯艺及焊材，加强现场质量检验，减少焊接缺陷，降低焊接对低温脆性的影响。
总之，预防并防⽌低温脆性的发⽣是个系统⼯程，需要许多环节、单位的共同努⼒及⾟苦⼯作。希望在公司领导及全体员⼯努⼒下，圆满解决此问题。
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