鋼材含碳量
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-30
鋼材含碳量的實例教程
含碳量高的鋼材為什么容易斷裂？
含碳量高的棒材發生過很多次斷裂，如45#鋼做的軸，使用不太長的時間就發生斷裂。從斷裂后部件上取樣，進行金相分析，往往找不到產生的原因，即算牽強附會找到了一些原因，也不是實際的原因。
為了確保更高的強度，還必須在鋼中添加碳，隨之就會析出鐵碳化物。從電化學的觀點來看，鐵碳化物發揮了陰極作用，加快了基體周邊的陽極溶解反應。在顯微組織內的鐵碳化物體積分數的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。
鋼材表面易于產生并吸附氫，氫原子向鋼材內部滲入的同時，氫的體積分數就可能會增加，最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。
高強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，還會極大地限制鋼材的應用。
如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環境中，在應力作用下，可能出現的應力腐蝕開裂（SCC）現象就會對車身的安全性造成嚴重的威脅。
碳含量越高，氫擴散系數減小，氫溶解度增大。學者Chan曾經提出，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，就會抑制氫擴散，因此氫擴散系數也較低。
由于碳含量與氫溶解度成正比關系，作為氫原子陷阱的碳化物，體積分數越大，鋼材內部的氫擴散系數越小，氫溶解度增大，氫溶解度也包含了有關擴散性氫的信息，因而氫脆敏感性最高。隨著碳含量的增加，氫原子的擴散系數減小，表面氫濃度增大，這是因為鋼材表面的氫超電壓下降所致。
從動電壓極化試驗結果來看，試樣的碳含量越高，酸性環境中就易于發生陰極還原反應（氫生成反應）以及陽極溶解反應。
展開 造成鑄件含碳量超標的原因主要有以下幾點
01
鑄件的模樣材料選擇不合理。在鑄件白模模樣材料的選擇中，一是含碳量高；二是白模密度太高。從而造成鑄件模樣在澆注過程中的熱分解時含碳量高，使鑄件在澆注充型過程中液相及霧狀游離碳含量高，造成鑄鋼件的滲碳機率增大。
02
選擇含碳量低的泡沫塑料或預發珠粒制作鑄件模樣。目前國內生產的聚苯乙烯泡塑EPS含碳量為92%；苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚樹脂STMMAC含碳量為69.6%；可發性聚甲基丙烯酸甲酯EPMMA，含碳量為60.0%；用EPS材質制作鑄件模具將使鑄件在澆注過程中，鋼水的含碳量增加0.1%～0.3%，而采用EPMMA或STMMA材料進行鑄件模具制作時，鑄件在澆注過程中因模具材質原因造成的增碳量低于0.05%。
03
選擇適宜的泡沫密度進行鑄件模樣的制作。在保證模樣制作溫度技術要求和鑄件生產澆注時不出現因泡沫塑料質量引起的其他缺陷時，制作鑄件模樣的泡沫密度越小、泡沫塑料越少，對減少鑄件的滲碳積碳現象越好。
04
提高鑄件模樣的制作質量。鑄件模樣能整體制作時，不應采用組合制作，要盡量減少鑄件模樣的粘接面。進行模樣粘接結合時要保證模樣的粘接組合面光滑平整，盡量減少粘接用膠量，降低膠的熱分解產物量即降低了熱分解產物的含碳量。
展開 造成鑄件含碳量超標的原因主要有以下幾點
01
鑄件的模樣材料選擇不合理。在鑄件白模模樣材料的選擇中，一是含碳量高；二是白模密度太高。從而造成鑄件模樣在澆注過程中的熱分解時含碳量高，使鑄件在澆注充型過程中液相及霧狀游離碳含量高，造成鑄鋼件的滲碳機率增大。
02
選擇含碳量低的泡沫塑料或預發珠粒制作鑄件模樣。目前國內生產的聚苯乙烯泡塑EPS含碳量為92%；苯乙烯甲基丙烯酸甲酯共聚樹脂STMMAC含碳量為69.6%；可發性聚甲基丙烯酸甲酯EPMMA，含碳量為60.0%；用EPS材質制作鑄件模具將使鑄件在澆注過程中，鋼水的含碳量增加0.1%～0.3%，而采用EPMMA或STMMA材料進行鑄件模具制作時，鑄件在澆注過程中因模具材質原因造成的增碳量低于0.05%。
03
選擇適宜的泡沫密度進行鑄件模樣的制作。在保證模樣制作溫度技術要求和鑄件生產澆注時不出現因泡沫塑料質量引起的其他缺陷時，制作鑄件模樣的泡沫密度越小、泡沫塑料越少，對減少鑄件的滲碳積碳現象越好。
04
提高鑄件模樣的制作質量。鑄件模樣能整體制作時，不應采用組合制作，要盡量減少鑄件模樣的粘接面。進行模樣粘接結合時要保證模樣的粘接組合面光滑平整，盡量減少粘接用膠量，降低膠的熱分解產物量即降低了熱分解產物的含碳量。
展開 滾筒實際使用的金屬材料為Q235碳素結構鋼材，其物理特性與仿真材料屬性相同。Q235 鋼材含碳量在0.12%~0.20%之間，熔點為1493 ℃，屈服值隨材質厚度的增大而減小，電磁感應線圈采用型號 GN500 規格為 4mm2耐高溫編織云母線。
3、電磁場渦流場控制方程
電磁加熱系統由電磁加熱控制板和加熱線圈兩部分組成，電磁控制加熱板將工頻交流電整流、濾波、逆變成高頻交流電，交流電流過線圈并產生交變磁場，電磁感應加熱中麥克斯韋方程組如下：
?·H = J （1）
?·E = - ?B/?t（2）
?·D = ρ （3）
?·B = 0 （4）
式中：?為漢米爾頓算子；向量H為磁場強度，A/m；向量J為電流密度，Α/m2；向量D為電通密度，C/m2；向量 B 為磁感應強度，T；向量 E 為電場強度，V/m；ρ 為電荷密度，C/m3。
同時，4個向量H、E、D、B由以下方程構成：
B = μrμ0H （5）
D = εrε0E （6）
J = σE （7）
E = ?V - ?A/?t（8）
? 2A?/?r2 +?A?/r·?r +? 2A?/?z2 - A?/r2 = μ0μrσ· ?A?/?t（9）
式中：μr為相對磁導率；μ0為真空磁導率，H/m；εr為介電常數；ε0 為真空介電常數，F/m；σ 為電導率，S/m；向量A為磁矢勢；r為磁感應線圈截面半徑，m。
在經典的感應理論中，推導出的解從式 （8） 線圈產生的磁場開始；也可從磁矢量勢A推導，式 （9）采用擬靜態方法求解。這里采用圓柱坐標系，采用二維軸對稱模型求解方程。
展開 3.1、熱裂紋
熱裂縫一般是指高溫下（從凝固溫度范圍附近至鐵碳平衡圖上的A3線以上溫度）如下圖所示所產生的裂紋，又稱高溫裂縫或結晶裂縫。
熱裂縫通常在焊縫內產生，有時也可能出現在熱影響區，如圖所示。
原因：
由于焊接熔池在結晶過程中存在著偏析現象，低熔點共晶和雜質在結晶過程中以液態間層存在形成偏析，凝固以后強度也較低，當焊接應力足夠大時，就會將液態間層或剛凝固不久的固態金屬拉開形成裂縫。
此外，如果母材的晶界上也存在有低熔點共晶和雜質，則在加熱溫度超過其熔點的熱影響區，這些低熔點化合物將熔化而形成液態間層，當焊接拉應力足夠大時，也會被拉開而形成熱影響區液化裂縫。
總之，熱裂縫的產生是冶金因素和力學因素綜合作用的結果。
防治措施：
防止產生熱裂縫的措施，可以從冶金因素和力學因素兩個方面入手。
1） 控制母材及焊材有害元素、雜質含量
限制母材及焊接材料（包括焊條、焊絲、焊劑和保護氣體）中易偏析元素及有害雜質的含量。特別應控制硫、磷等雜質元素的含量和降低含碳量。
硫幾乎不溶于鋼，它與鐵生成低熔點的硫化鐵（FeS）。焊接時，硫化鐵的存在會導致焊縫熱裂和在熱影響區出現液化裂縫，使焊接性能變壞；同對硫以薄膜形式存在于晶界， 會使鋼的塑性和韌性下降。一般用于焊接的鋼材中硫含量應不大于0.045%。有時還需要更嚴格的控制。
磷會使鋼的塑性和韌性下降，提髙鋼的脆性轉變溫度，并使焊縫和熱影響區產生裂縫。磷含量應不大于0.055%。有時還需要更嚴格的控制
材料的焊接性能與含碳量密切相關。鋼材含碳量越髙，焊接性能變差。一般認為，焊縫中碳含量控制在0.10 %以下，熱裂縫敏感性可大大降低。
調整焊縫金屬的化學成份，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，以提高其塑性，減少或分散偏析程度，控制低熔點共晶的有害影響。
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另外，鋼材中含碳量較高時，有利于硫在晶界處富集,因而也是促進形成凝固裂紋的原因，所以采用含碳量低的焊接材料有利于防止凝固裂紋的產生。
熱裂紋顯著的特征是斷面呈藍黑色，即金屬高溫氧化的顏色，有的在熱裂紋中有流入熔渣的痕跡。再者，孤坑裂紋多為熱裂紋。
熱裂紋對工業生產加工的危害極大，所以在生產過程中我們要采取一定的措施盡量避免熱裂紋的產生。
Q235 鋼材含碳量在0.12%~0.20%之間，熔點為1493 ℃，屈服值隨材質厚度的增大而減小，電磁感應線圈采用型號 GN500 規格為 4mm2耐高溫編織云母線。
預熱溫度隨鋼材含碳量的增加而進步，一般在100℃ ~ 350℃范圍內。
② 后熱。對于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭，焊后采取后熱措施，以防止焊接氫致裂紋。
③ 焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性，焊后熱處理溫度一般為650℃ ~ 750℃，保溫時間按1h / 25mm計。
一般說，鋼材含碳量越高或Cr、Mo含量越高，越容易發生淬裂。下圖表示水淬時淬裂傾向與鋼的化學成分的關系。圖中所示指數的負值越高，即為淬裂傾向越大。由于各種鋼材的淬裂傾向不同，在設計零件時應根據性能要求，根據淬透性和脆硬性，從工藝和經濟等角度綜合分析和選擇鋼材。
圖1 共析鋼全脫碳層770℃，125X
半脫碳是指鋼材表面上的碳并未完全燒損，但已使表層含碳量低于鋼材的平均含碳量，如圖2所示。
圖2 共析鋼半脫碳層950℃，125X
脫碳層的測定方法見“GB/T 224—2019鋼的脫碳層深度測定法”中相關規定。
16.鋼材的含碳量越高，則強度越 ，韌性越 ，抗腐蝕性越 。
17.鋼號Q345—B表示 鋼材。
造成鑄件含碳量超標的原因主要有以下幾點
01
鑄件的模樣材料選擇不合理。在鑄件白模模樣材料的選擇中，一是含碳量高；二是白模密度太高。從而造成鑄件模樣在澆注過程中的熱分解時含碳量高，使鑄件在澆注充型過程中液相及霧狀游離碳含量高，造成鑄鋼件的滲碳機率增大。
材料的焊接性能與含碳量密切相關。鋼材含碳量越髙，焊接性能變差。一般認為，焊縫中碳含量控制在0.10 %以下，熱裂縫敏感性可大大降低。
2）調整焊縫金屬的化學成份，改善焊縫組織，細化焊縫晶粒，以提高其塑性，減少或分散偏析程度，控制低熔點共晶的有害影響。例如焊接奧氏體不銹鋼時，采用奧氏體加鐵素體的雙相組織焊縫，可以提高其抗熱裂性能。而單相奧氏體組織的焊縫，則容易產生熱裂紋。
當然，由于鋼材含碳量增加，強度增加，它對孔沖的強韌性要求也更高。
含碳量高的鋼材為什么容易斷裂？
含碳量高的棒材發生過很多次斷裂，如45#鋼做的軸，使用不太長的時間就發生斷裂。從斷裂后部件上取樣，進行金相分析，往往找不到產生的原因，即算牽強附會找到了一些原因，也不是實際的原因。
