含磷中碳鋼力學(xué)性能的研究

顧 鐵， 胡紹鑫， 陶佳偉

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司， 江蘇 江陰 214400)

引 言

隨著中國由鋼鐵大國到鋼鐵強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，微合金化處理的鋼種、產(chǎn)量不斷增加，在工程、機(jī)械、交通等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。磷作為合金添加于鋼材中，與鐵原子置換形成固溶體，起到置換固溶強(qiáng)化作用，且能提高鋼的耐磨性和抗腐蝕性能。但磷長期以來被認(rèn)為是鋼中的有害元素，磷容易在鐵素體晶界偏聚，降低鋼材沖擊韌性及提高韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，惡化鋼材性能；因此，磷在鋼材中的應(yīng)用受到了很大的制約。所以，應(yīng)揚(yáng)長避短，發(fā)揮磷的強(qiáng)化、耐大氣腐蝕等有益作用的同時(shí)盡量減弱有害因素，本文討論分析了磷和晶粒度對中碳鋼強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響[1-2]。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

江陰興澄特種鋼鐵有限公司采用100 t轉(zhuǎn)爐冶煉，連鑄成200 mm×200 mm的方坯，冶煉了4爐不同磷含量的試驗(yàn)鋼材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料熔煉成分/%

1.2 試樣的制備方法

將200 mm×200 mm的方坯軋制成Φ40 mm的棒材，并進(jìn)行熱處理，分3種不同的軋制+熱處理工藝，得到3種不同晶粒度的試驗(yàn)材料，如表2所示。

表2 試驗(yàn)材料軋制及熱處理工藝

這樣，根據(jù)不同磷含量及晶粒度的試驗(yàn)樣4×3=12組，再檢測該12組材料的力學(xué)性能。將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣、沖擊樣(V型缺口)及帶有V型缺口的俄歇能譜樣(Φ3.6 mm×32 mm)。沖擊試驗(yàn)的溫度如表3所示。

表3 沖擊試驗(yàn)時(shí)不同的溫度

在型號(hào)為PH1595的俄歇譜儀上進(jìn)行能譜分析，試樣在超高真空(5.5×10-9Pa)腔中利用液氮強(qiáng)烈冷卻至-100 ℃，之后打斷，利用俄歇電子能譜儀觀測斷裂試樣的斷口形貌，觀測其顯微區(qū)域的成分偏析，分析過程保持高真空度，電子束直徑15～20 nm，加速電壓為3 kV，調(diào)整幅度3 eV。以上述方法測得元素在晶界上的偏析指數(shù)，具體方法為晶界處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與集體質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拉伸試驗(yàn)

12個(gè)試驗(yàn)材料的屈服強(qiáng)度如圖1所示，可見，材料晶粒越細(xì)小，屈服強(qiáng)度越高。而晶粒度相同時(shí)，磷含量越高，屈服強(qiáng)度越高。鋼中的鐵原子被磷原子置換，在材料內(nèi)部形成強(qiáng)大的畸變能，從而提高材料的強(qiáng)度，即磷能起明顯的固溶強(qiáng)化作用，磷每增加0.01%，鋼材的屈服強(qiáng)度約提高70 MPa。

圖1 不同磷含量材料的屈服強(qiáng)度

2.2 沖擊試驗(yàn)

2.2.1 沖擊韌性

選用磷含量為0.053%、晶粒度不同的一組試樣，在不同溫度檢測沖擊值，結(jié)果如圖2所示，可見，相同磷含量、相同溫度條件下，晶粒越細(xì)小，沖擊值越高。

圖2 不同晶粒度材料的沖擊值

選用相同中等晶粒、不同磷含量的材料，在不同溫度下測得的沖擊值如圖3所示，可見，晶粒度相同的材料，在相同溫度下的沖擊值隨著磷含量的升高而降低。

圖3 不同磷含量材料的沖擊值

由12種材料的沖擊值曲線繪制了各試驗(yàn)材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，如圖4所示，顯然，鋼中的磷含量越高，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，即磷含量越高，材料有變脆的趨勢。但是，隨著晶粒細(xì)化，鋼材的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度顯著降低。當(dāng)w(P)=0.065%時(shí)，細(xì)小晶粒的鋼材韌脆性轉(zhuǎn)變溫度為-40 ℃，因此，通過細(xì)化晶粒可顯著降低磷的脆化作用。

圖4 不同材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度

2.2.2 斷口分析

-100 ℃沖擊斷口照片如圖5所示。

2.3 能譜分析

對試驗(yàn)材料進(jìn)行俄歇能譜分析，結(jié)果如圖6所示，可以看出磷在晶界有不同程度的偏聚現(xiàn)象，晶粒大小相同時(shí)，磷含量越高，磷的偏聚度越大；而當(dāng)磷含量相同時(shí)，晶粒尺寸越大，磷的偏聚度越大。

圖5 -100 ℃沖擊斷口照片

圖6 試驗(yàn)材料的Auger能譜圖

若磷在晶界偏聚，引起了晶界弱化作用，導(dǎo)致材料越脆，加大沿晶斷裂的傾向，能譜分析與沖擊試驗(yàn)的結(jié)果取得了一致性。表4為不同試驗(yàn)材料磷的偏聚量，計(jì)算方法如下：采用磷120 eV與鐵703 eV俄歇電子能譜峰高比再乘以系數(shù)來表征磷在晶界的偏聚量[3-4]。

表4 不同試驗(yàn)材料晶界上磷的偏聚量

3 分析討論

眾所周知，磷在晶界偏聚量越大，鋼材沖擊韌性越小。如果材料的晶粒越細(xì)小，材料中晶界的總面積就越大，相當(dāng)于磷分布在更大的晶界面積上，降低了磷的偏聚量，從而降低磷偏聚給材料帶來的不利影響。同時(shí)，隨著晶粒的細(xì)化，晶界前塞積的位錯(cuò)數(shù)減少，有利于減輕應(yīng)力集中。此次試驗(yàn)基于上述思路，量化了上述關(guān)系。

(1)含磷鋼中磷的強(qiáng)化作用較為顯著，本試驗(yàn)鋼種，磷每提高0.01%，材料的屈服強(qiáng)度大約提高70 MPa。另外，磷含量相同時(shí)，鋼材屈服強(qiáng)度隨著晶粒的細(xì)化而提高。

(2)磷的添加提高了鋼材的強(qiáng)度，提高鋼材的耐腐蝕性，但會(huì)降低鋼材的沖擊韌性，這制約了含磷鋼的應(yīng)用。本文的沖擊韌性試驗(yàn)證明了細(xì)化晶粒可顯著改善材料的沖擊韌性，提高材料的韌脆性。從俄歇電子能譜結(jié)果可知，晶粒越細(xì)小，磷在晶界的偏聚量越小，從而降低了磷的晶界弱化作用。本文的研究結(jié)果表明，細(xì)化晶粒不僅改變了鋼材內(nèi)部的應(yīng)力場，也分散了磷在晶界的偏聚量。

(3)偏聚對于晶界脆化主要有兩種不同的觀點(diǎn)，第一是改變局部晶界—位錯(cuò)相互作用，第二是局部改變原子間結(jié)合從而改變斷裂能；很可能兩種效應(yīng)相互結(jié)合造成脆化。Rice等提出過材料的脆性斷裂理論，說明了晶界脆性斷裂及位錯(cuò)發(fā)射與引起的裂紋底端鈍化的相互競爭，并能通過計(jì)算來預(yù)判晶界上的雜質(zhì)原子的韌脆性質(zhì)前者低于后者，材料表現(xiàn)出韌化的趨勢，前者高于后者，則表現(xiàn)出脆斷特性。

4 結(jié)束語

(1)磷固溶在鐵素體中， 能起到顯著的強(qiáng)化作用。

(2)磷可引起沖擊韌性的降低并提高鋼材韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。晶粒尺寸相同時(shí)，相同溫度下，磷含量越高，鋼材沖擊韌性越低；磷含量相同時(shí)，相同溫度下，晶粒度越細(xì)小，鋼材的沖擊韌性越高。

(3)磷易在晶界偏聚，晶粒尺寸相同時(shí)，磷含量越高，磷的偏聚量越大；磷含量相同時(shí)，晶粒尺寸越大，磷的偏聚量越大。

(4)細(xì)化晶粒是含磷鋼提高沖擊韌性及韌脆性的有效途徑。