含磷中碳鋼力學性能的研究

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國的轉變，微合金化處理的鋼種、產量不斷增加，在工程、機械、交通等領域中得到廣泛應用。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變溫度，惡化鋼材性能；因此，磷在鋼材中的應用受到了很大的制約。所以，應揚長避短，發揮磷的強化、耐大氣腐蝕等有益作用的同時盡量減弱有害因素，本文討論分析了磷和晶粒度對中碳鋼強度等力學性能的影響[1-2]。

1 試驗方法

1.1 試驗材料的準備

江陰興澄特種鋼鐵有限公司采用100 t轉爐冶煉，連鑄成200 mm×200 mm的方坯，冶煉了4爐不同磷含量的試驗鋼材，其化學成分如表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材料，如表2所示。

表2 試驗材料軋制及熱處理工藝

這樣，根據不同磷含量及晶粒度的試驗樣4×3=12組，再檢測該12組材料的力學性能。將試樣加工成標準拉伸樣、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)。沖擊試驗的溫度如表3所示。

表3 沖擊試驗時不同的溫度

在型號為PH1595的俄歇譜儀上進行能譜分析，試樣在超高真空(5.5×10-9Pa)腔中利用液氮強烈冷卻至-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，調整幅度3 eV。以上述方法測得元素在晶界上的偏析指數，具體方法為晶界處的質量分數與集體質量分數之比。

2 試驗結果

2.1 拉伸試驗

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

圖1 不同磷含量材料的屈服強度

2.2 沖擊試驗

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，結果如圖2所示，可見，相同磷含量、相同溫度條件下，晶粒越細小，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材料的韌脆性轉變溫度，如圖4所示，顯然，鋼中的磷含量越高，韌脆性轉變溫度越高，即磷含量越高，材料有變脆的趨勢。但是，隨著晶粒細化，鋼材的韌脆性轉變溫度顯著降低。當w(P)=0.065%時，細小晶粒的鋼材韌脆性轉變溫度為-40 ℃，因此，通過細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

對試驗材料進行俄歇能譜分析，結果如圖6所示，可以看出磷在晶界有不同程度的偏聚現象，晶粒大小相同時，磷含量越高，磷的偏聚度越大；而當磷含量相同時，晶粒尺寸越大，磷的偏聚度越大。

圖5 -100 ℃沖擊斷口照片

圖6 試驗材料的Auger能譜圖

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

表4 不同試驗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小，材料中晶界的總面積就越大，相當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，隨著晶粒的細化，晶界前塞積的位錯數減少，有利于減輕應力集中。此次試驗基于上述思路，量化了上述關系。

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

(2)磷的添加提高了鋼材的強度，提高鋼材的耐腐蝕性，但會降低鋼材的沖擊韌性，這制約了含磷鋼的應用。本文的沖擊韌性試驗證明了細化晶粒可顯著改善材料的沖擊韌性，提高材料的韌脆性。從俄歇電子能譜結果可知，晶粒越細小，磷在晶界的偏聚量越小，從而降低了磷的晶界弱化作用。本文的研究結果表明，細化晶粒不僅改變了鋼材內部的應力場，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，第一是改變局部晶界—位錯相互作用，第二是局部改變原子間結合從而改變斷裂能；很可能兩種效應相互結合造成脆化。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發射與引起的裂紋底端鈍化的相互競爭，并能通過計算來預判晶界上的雜質原子的韌脆性質前者低于后者，材料表現出韌化的趨勢，前者高于后者，則表現出脆斷特性。

4 結束語

(1)磷固溶在鐵素體中， 能起到顯著的強化作用。

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

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

(4)細化晶粒是含磷鋼提高沖擊韌性及韌脆性的有效途徑。