中国金属学会 翁宇庆
4 调质钢的超细化及提高延迟断裂的途径
　　 机械制造用钢主要指制造齿轮、轴类、连杆、连结件(螺栓等紧固件)等机械零件用钢，大多是中碳钢和中碳合金钢，是在调质态(淬火+高温回火)热处理后使用，因此常把机械制造用钢，合金结构钢和调质钢混合起来称呼。目前我国年产量已超过1500万t(仅45号碳素钢就在1000万t／a左右)。
　 通过热处理(调质)后，其显微组织是回火马氏体+碳化物。通过对淬火前的奥氏体超细化，证明其力学性能可以提高。与传统的细晶热处理(奥氏体晶粒度在ASTM 8级左右，即20～30μm左右)相比，当细化至10μm以下，所有的力学性能(强度、塑性、韧性)都有明显的改善。采用电致加热新的热处理技术，可以稳定地将42CrMo钢的奥氏体晶粒度细化至5μm左右。

　 对于这类钢，仅仅提高强韧性，或仅仅晶粒细化不能全面满足使用要求。例如绝大多数合金结构钢当抗拉强度提高到1200MPa后，产生延迟断裂，如图13所示。这样进一步强度提高失去了使用价值，反而造成更大的不安全性。从应用看提高疲劳强度和疲劳寿命，提高抗延迟断裂性能是更重要和更艰巨的课题。抗疲劳性能的提高联系着钢中洁净度的提高，特别是氧化物大小及分布的变化，它对生产这类钢的电炉冶金工艺是高难度挑战，本文不加叙述。提高延迟断裂强度不仅仅与晶粒细化有关，还与钢中相结构、晶界状态有关。如图14所示，在我们开发的超细晶ADFl钢中[10]，超细晶能提高延迟断裂强度比，但是进一步的超细晶化，如图14中所示奥氏体细化至2μm时，它的延迟断裂比并不比较粗的晶粒尺寸(4μm)好。延迟断裂实质是氢脆现象，通常以沿晶断裂形式发展，因而易在使用时发生延迟的脆性断裂。因此，在超细晶基础上，如何强化晶界，增加钢中的氢陷阱以及减少活动氢的浓度是必须同时考虑的问题。本文由于篇幅限制不再介绍，见另文[11]。但其关键思路是：
　(1)发展二次硬化钢，它比一般调质钢在高温回火后强度提高200～400 MPa，为此应用了M02C，VC的析出控制；
　 (2)在采用电致热处理和循环热处理作奥氏体细晶化热处理同时，借鉴HSLA钢的Nb细晶化作用；
　　(3)采用加Mo使Mo偏聚在奥氏体晶界，通过低能电子衍射和晶界强度计算证明强化了原子相的晶界；
　 (4)充分应用V、Ti碳化物的氢陷阱作用。
按其思路，新发展的新材料已小批量在依维柯(IVECO)汽车和康明斯发动机上作13．9～14．9级高强螺栓使用，突破了国际上最高只有12．9级螺栓钢的限制。


5 无碳化物贝氏体／马氏体复相钢(Carbide-Free Bainite／Martensite，CFB／M)的发展
　 以30CrMnSi为代表的低合金高强度钢，它们经济性好，强度高，在重要工程结构和交通运输、军事工业中有大量、长期的应用业绩。这类钢一般采用中低温回火热处理工艺，以充分运用回火马氏体的高强度。但是它的韧性和断裂韧性有待发展，特别是氢脆敏感性同样抗延迟断裂性能不理想。“973”项目研究并发展了“无碳化物贝氏体／马氏体的复相钢，并在其中分布着膜状富碳残余奥氏体”的思路，涉及开发了系列新钢种(0．2％-0．25％C，Si从1．0％到2．0％有几个钢种，并有适当的Cr、Mn)。
　产生B／M复相组织并同时存在富碳残余奥氏体，是借助于Trip钢(Transformation lnduced Plasticity，相变诱导塑性)原理，利用硅的这种作用。硅又是石墨化元素，它的溶解也使贝／马(B／M)组织抑制碳化物的析出。由于奥氏体(FCC结构)比铁素体(BCC结构)溶解氢能力高一个数量级，它可避免活动氢的局部高浓度集中产生氢脆，同时残奥以膜状分布在B／M相界区(图15)，它极大地提高高强B／M组织的抗裂纹扩展能力，既提高了韧性和断裂韧性。表2是让C-Si钢和30CrMnSi钢处理成相同的抗拉强度(1510～l530 MPa)，发现新钢种U20Si有较高的应力腐蚀条件下的断裂韧性Kiscc和较低的裂纹扩展速度。如果同样的C-Si钢处理成马氏体(M)组织或处理为无碳化物贝／马组织(CFB／M)，从图16和表3看，它的断裂韧性和冲击功都明显提高。这说明，这一思路为低合金高强度钢在中低温回火应用条件下开辟了一条利用复相组织在保证高强度(δb≥1 500MPa)条件下提高韧性和耐延迟断裂特性的新途径。
　　为发展这类钢，必须注意以下问题：
(1)由于在中低温回火，必须处理好抗第一类回火脆性能力的设计和工艺；
(2)运用CFB／M+γ残大幅度提高冲击韧性和断裂韧性，在实际工艺中必须有高的洁净度作为基础以防止夹杂物在高强条件下的裂纹源问题。
(3) γ残既提高抗氢致破坏能力，又提高韧性。但它必须有足够的热稳定性，能在使用温度和应力下不产生γ－M的相变。
(4)进一步提高γ残富碳薄膜的分布均匀性和进一步细化各类组织是进一步发展这类钢的课题。
目前这类钢已有若干试用领域和项目。新建的香港九号码头栈桥用l4.9级(σb≥1400 Mpa, σs／σb≥0.9)塔吊锚固大螺栓，就是国际投标中决定采用的新材料。

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