1概述
作为改善结构材料破坏特性的基本技术有两个，一是提高材料固有的抗断裂特性；二是减小主裂纹尖端附近的应力集中。从钢铁材料来看，前者的具体措施有以下四条：1）减少会导致脆化的P等杂质元素和夹杂物的含量；2）降低碳含量；3）添加Ni等合金元素；4）使晶粒细化。其中，使晶粒细化可以同时提高屈服强度和脆性断裂应力，对低合金钢的强化和韧化非常有效。另一方面，作为后者的对策是充分利用层状撕裂特性使钢材具有各向异性，如层压钢板等。如果在与主裂纹方向呈直角的地方出现了主裂纹优先扩展的层状撕裂，可以缓和裂纹尖端附近的应力三轴度，提高韧性。
2中碳低合金钢的温成形处理技术
中碳低合金钢调质处理后形成的回火马氏体组织是一种微细碳化物在奥氏体层状基体组织中分散的微细复相组织，研究人员开发了以回火马氏体组织为初期组织的形变热处理技术。该热处理技术通过对回火马氏体组织的形变热处理使材料的所需部位形成超细晶粒组织，可用于制作螺栓等形状复杂的部件，以下将该技术称为温成形处理技术（Warm Tempf orming）。例如，采用带槽轧辊轧机对0.4%C-2%Si-1%Cr-1%Mo（mass%）钢材在500℃下进行断面收缩率为78%的形变回火处理后，可以获得平均短轴粒径0.3μm，具有<110>∥轧制方向（RD）纤维织构的超细纤维状晶粒组织，钢材强度达到了1800MPa，韧性得到了飞跃式的提高。韧性的提高是由于超细纤维状晶粒组织的各向异性造成层状撕裂所致。也就是说，温成形处理技术的特征就是利用晶粒细化和层状撕裂的组合技术使钢材达到强化和韧化。而且最近已明确，即使强度达到1800MPa，超细纤维状晶粒组织也有助于提高抗氢脆化特性。
3借助温成形处理技术有效利用P提高材料韧性
由于P是破坏钢的韧性的元素，因此JIS-SCM440等机械用结构钢规定了P含量的上限为0.030%。但是，P也是有助于提高淬透性和耐蚀性的元素。
中碳低合金钢通过温成形处理后的超细纤维状晶粒组织和P的组合使P反而成为有助于提高高强度钢韧性的元素。
本研究采用真空熔化技术，以100kg的JIS-SCM440钢为基础，制备了P含量在0.001%-0.093%范围内的不同钢锭，在1200℃下进行1h的加热和保温处理后热轧成厚度为4cm的板材。温成形处理的顺序如下：首先，从热轧材中切割出4cm×4cm×12cm的方料，在1200℃下进行1h的固溶处理；然后用带槽热轧辊轧制成断面积为9cm2的方料后进行空冷；接着，在920℃下将空冷后的材料进行1h的奥氏体化处理后进行淬火，然后在500℃下进行1h的回火后采用带槽轧辊轧机进行累积断面收缩率为78%的多道次轧制，轧成断面积为2cm2的方料后进行空冷（TF材）；为使P的偏析条件一致，又在550℃下对TF材退火1h后进行水冷。
作为对比材料，将TF材
在880℃下退火处理后，在920℃下进行1h的奥氏体化处理后进行淬火，然后在550℃下回火1h后进行水冷作为调质材（QT材）。采用温成形处理技术后，无论P含量是多少，都能获得平均短轴粒径为0.4μm的超细纤维状晶粒组织，也没有看到P的添加量对TF材强度的影响。即使是具有回火马氏体组织的QT材也呈相同的变化趋势。当P含量在0.001%-0.093%范围内时，TF材的屈服强度平均值为1060MPa，QT材为1000MPa。虽然TF材的屈服强度平均值比QT材的高，但QT材和TF材的抗拉强度平均值都是1100MPa。
图1示出QT材和TF材在室温下的夏比冲击吸收能与P添加量的关系。当P添加量越大时，QT材的吸收能越低，当P含量超过0.05%时，吸收能的下降越明显。吸收能的明显下降是由于沿原始奥氏体晶界发生裂纹所致。相比之下，TF材的吸收能在P含量达到0.05%之前保持在140-150J，如果P含量进一步增加，吸收能则明显增大。P含量超过0.05%时吸收能明显提高是由于在与冲击方向近似成直角（平行于RD方向）处发生了裂纹扩展的层状撕裂所致。在具有<110>∥轧制方向（RD）纤维织构的超细纤维状晶粒组织中，沿生长晶粒的长轴方向（平行于RD）分布着很多解理面{100}，使脆性裂纹容易扩展。另一方面，如果是在沿生长晶粒的短轴方向（与RD成直角），{100}面的集聚改善了韧性和延性，使脆性裂纹难以扩展。因此，在夏比冲击试验时会发生层状撕裂。可以理解为P在这种生长晶粒的
晶界中发生偏析会使晶界的结合力下降，促进层状撕裂。
图2表示TF材的P分布状态。QT材的P分布状态也与TF材相同。QT材的P分布状态与P的偏析带无关，其裂纹是沿原始奥氏体晶界扩展，而在TF材中层状撕裂是沿P的偏析带优先发生。由于这种P偏析带的形成会交互提供层状撕裂相对容易发生的撕裂层和相对难以发生的撕裂层，因此它有利于层状撕裂的发生。另外，当P含量超过0.05%时，P偏析带就会变得明显。也就是说，在高P材料中，除了会发生超细纤维状晶粒组织的晶界偏析外，还会由于P偏析带的形成而促进层状撕裂的发生，可以认为这与图1所示吸收能的增大有关。
如上所述，除了晶粒超细化外，如果能控制晶粒的形状和织构，进而控制裂纹的扩展，就可将作为晶界脆化元素的P用于提高中碳低合金钢的韧性。 （廖建国）
