法律顧問：趙建英律師

鐵素體-珠光體鋼占鋼總產(chǎn)量的絕大多數(shù),。它們通常是含碳量在0.05%～0.20%之間的鐵-碳和為提高屈服強(qiáng)度及韌性而加入的其它少量合金元素的合金。

鐵素體-珠光體的顯微組織由BBC鐵（鐵素體）,、0.01%C,、可溶合金和Fe3C組成。在碳含量很低的碳鋼中,，滲碳體顆粒（碳化物）停留在鐵素體晶粒邊界和晶粒之中,。但當(dāng)碳含量高于0.02%時(shí)，絕大多數(shù)的Fe3C形成具有某些鐵素體的片狀結(jié)構(gòu)，而稱為珠光體,，同時(shí)趨向于作為“晶?！焙颓蚪Y(jié)（晶界析出物）分散在鐵素體基體中。含碳量在0.10%～0.20%的低碳鋼顯微組織中,，珠光體含量占10%～25%,。

盡管珠光體顆粒很堅(jiān)硬，但卻能非常廣泛地分散在鐵素體基體上,，并且圍繞鐵素體輕松地變形,。通常，鐵素體的晶粒尺寸會隨著珠光體含量的增加而減小,。因?yàn)橹楣怏w球結(jié)的形成和轉(zhuǎn)化會妨礙鐵素體晶粒長大,。因此，珠光體會通過升高d-1/2（d為晶粒平均直徑）而間接升高拉伸屈服應(yīng)力δy,。

從斷裂分析的觀點(diǎn)看,，在低碳鋼中有兩種含碳量范圍的鋼,，其性能令人關(guān)注,。一是，含碳量在0.03%以下,，碳以珠光體球結(jié)的形式存在,，對鋼的韌性影響較小,；二是,，含碳量較高時(shí)，以球光體形式直接影響韌性和夏比曲線,。

2. 處理工藝的影響

實(shí)踐得知,，水淬火鋼的沖擊性能優(yōu)于退火或正火鋼的沖擊性能，原因在于快冷阻止了滲碳體在晶界形成,，并促使鐵素體晶粒變細(xì),。

許多鋼材是在熱軋狀態(tài)下銷售，軋制條件對沖擊性能有很大影響,。較低的終軋溫度會降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度,，增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細(xì)，從而提高鋼材韌性,。厚板因冷卻速度比薄板慢,，鐵素體晶粒比薄板粗大。所以,，在同樣的熱處理?xiàng)l件下厚板比薄板更脆性,。因此，熱軋后常用正火處理以改善鋼板性能。

熱軋也可生產(chǎn)各向異性鋼和各種混合組織,、珠光體帶,、夾雜晶界與軋制方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長后的夾雜粗大分散成鱗片狀,，對夏比轉(zhuǎn)變溫度范圍低溫處的缺口韌性有很大影響,。

3. 鐵素體-可溶合金元素的影響

絕大多數(shù)合金元素加入低碳鋼，是為了生產(chǎn)在某些環(huán)境溫度下的固溶體硬化鋼,，提高晶格摩擦應(yīng)力δi,。但目前還不能僅用公式預(yù)測較低屈服應(yīng)力，除非已知晶粒尺寸,。雖然屈服應(yīng)力的決定因素是正火溫度和冷卻速度,，然而這種研究方法仍很重要，因?yàn)榭梢酝ㄟ^提高δi預(yù)測單個(gè)合金元素可降低韌性的范圍,。

鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變（NDT）溫度和夏比轉(zhuǎn)變溫度的回歸分析至今尚無報(bào)導(dǎo),，然而這些也僅限于加入單個(gè)合金元素對韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對鋼性能的影響作簡要介紹,。

1）錳

絕大多數(shù)的錳含量約為0.5%,。作為脫氧劑或固硫劑加入可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還有以下作用,。

◆ 含碳量0.05%鋼,，空冷或爐冷后有降低晶粒邊界滲碳體薄膜形成的趨勢。
　　◆ 可稍減小鐵素體晶粒尺寸,。
　　◆ 可產(chǎn)生大量而細(xì)小的珠光體顆粒,。

前兩種作用說明NDT溫度隨著錳量的增加而降低，后兩種作用會引起夏比曲線峰值更尖,。

鋼含碳量較高時(shí),，錳能顯著降低約50%轉(zhuǎn)變溫度。其原因可能是因珠光體量多,，而不是滲碳體在邊界的分布,。必須注意的是，如果鋼的含碳量高于0.15%,，高錳含量對正火鋼的沖擊性能影響起到了決定性作用,。因?yàn)殇摰母叽阃感砸饖W氏體轉(zhuǎn)變成脆性的上貝氏體，而不是鐵素體或珠光體,。

2）鎳

加入鋼中的作用似錳,，可改善鐵-碳合金韌性。其作用大小取決于含碳量和熱處理,。在含碳量（約0.02%）很低的鋼中,，加入量達(dá)到2%就能防止熱軋態(tài)和正火鋼晶界滲碳體的形成,，同時(shí)實(shí)質(zhì)降低開始轉(zhuǎn)變溫度TS，升高夏比沖擊曲線峰值,。

進(jìn)一步增加鎳含量,，改善沖擊韌性效果則降低。如果這時(shí)含碳量低至正火后無碳化物出現(xiàn)時(shí),，鎳對轉(zhuǎn)變溫度的影響將變得很有限,。在含碳約0.10%的正火鋼中加入鎳，最大的好處是細(xì)化晶粒和降低游離氮含量,，但其機(jī)理目前尚不清楚,。可能是由于鎳作為奧氏體的穩(wěn)定劑從而降低了奧氏體分解的溫度,。

3）磷

在純凈的鐵-磷合金中,，由于鐵素體晶界會發(fā)生磷偏析降低了抗拉強(qiáng)度Rm而使晶粒之間脆化。此外,，由于磷還是鐵素體的穩(wěn)定劑,。所以，加入鋼中將大大增加δi值和鐵素體晶粒尺寸,。這些作用的綜合將使磷成為極其有害的脆化劑,，發(fā)生穿晶斷裂。

4）硅

鋼中加硅是為了脫氧,，同時(shí)有益于提高沖擊性能,。如果鋼中同時(shí)存在錳和鋁,，大部分硅在鐵素體中溶解,，同時(shí)通過固溶化硬化作用提高δi。這種作用與加入硅提高沖擊性能綜合的結(jié)果是,，在穩(wěn)定晶粒尺寸的鐵-碳合金中按重量百分比加入硅,，使50%轉(zhuǎn)變溫度升高約44℃。此外,，硅與磷相似,，是鐵素鐵的穩(wěn)定劑，能促進(jìn)鐵素體晶粒長大,。按重量百分?jǐn)?shù)計(jì),，硅加入正火鋼中將提高平均能量轉(zhuǎn)換溫度約60℃。

5）鋁

以合金和脫氧劑的作用加入鋼中有以下兩方面的原因：第一,，與溶體中的氮生成AlN,，去除游離氮；第二,，AlN的形成細(xì)化了鐵素體晶粒,。這兩種作用的結(jié)果是,，每增加0.1%的鋁，將使轉(zhuǎn)變溫度降低約40℃,。然而,，當(dāng)鋁的加入量超過了需要，“固化”游離氮的作用將變?nèi)酢?/span>

6）氧

鋼中的氧會在晶界產(chǎn)生偏析導(dǎo)致鐵合金晶間斷裂,。鋼中氧含量高至0.01%,，斷裂就會沿著脆化晶粒的晶界產(chǎn)生的連續(xù)通道發(fā)生。即使鋼中含氧量很低,，也會使裂紋在晶界集中成核,，然后穿晶擴(kuò)散。解決氧脆化問題的方法是,，可加入脫氧劑碳,、錳、硅,、鋁和鋯,，使其和氧結(jié)合生成氧化物顆粒，而將氧從晶界去除,。氧化物顆粒也是延遲鐵素體生長和提高d-/2的有利物質(zhì),。

4. 含碳量在0.3%～0.8%的影響

亞共析鋼的含碳量在0.3%～0.8%，先共析鐵素體是連續(xù)相并首先在奧氏體晶界形成,。珠光體在奧氏體晶粒內(nèi)形成,，同時(shí)占顯微組織的35%～100%。此外,，還有多種聚集組織在每一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)形成,，使珠光體成為多晶體。

由于珠光體強(qiáng)度比先共析鐵素體高,，所以限制了鐵素體的流動,，從而使鋼的屈服強(qiáng)度和應(yīng)變硬化率隨著珠光體含碳量的增加而增加。限制作用隨硬化塊數(shù)量增加,，珠光體對先共析晶粒尺寸的細(xì)化而增強(qiáng),。

鋼中有大量珠光體時(shí)，形變過程中會在低溫和/或高應(yīng)變率時(shí)形成微型解理裂紋,。雖然也有某些內(nèi)部聚集組織斷面,，但斷裂通道最初還是沿著解理面穿行。所以,，在鐵素體片之間,、相鄰聚集組織中的鐵素體晶粒內(nèi)有某些擇優(yōu)取向。

5. 貝氏體鋼斷裂

在含碳量為0.10%的低碳鋼中加入0.05%鉬和硼可優(yōu)化通常發(fā)生在700～850℃奧氏體-鐵素體轉(zhuǎn)變,，且不影響其后在450℃和675℃時(shí)奧氏體-貝氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)條件,。

在大約525～675℃之間形成的貝氏體,，通常稱為“上貝氏體”；在450～525℃之間形成的稱為“下貝氏體”,。兩種組織均由針狀鐵素體和分散的碳化物組成,。當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度從675℃降至450℃時(shí)，未回火貝氏體的抗拉強(qiáng)度會從585MPa升高至1170MPa,。

因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度由合金元素含量決定,，并間接影響屈服和抗拉強(qiáng)度。這些鋼獲得的高強(qiáng)度是以下兩種作用的結(jié)果：

1）當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度降低時(shí),，貝氏體鐵素體片尺寸不斷細(xì)化,。

2）在下貝氏體內(nèi)精細(xì)的碳化物不斷分散。這些鋼的斷口特征在很大程度上取決于抗拉強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變溫度,。

有兩種作用要注意：第一,，一定的抗拉強(qiáng)度級別，回火下貝氏體的夏比沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未回火的上貝氏體,。原因是在上貝氏體中,，球光體內(nèi)的解理小平面切割了若干貝氏體晶粒，決定斷裂的主要尺寸是奧氏體晶粒尺寸,。

在下貝氏體中,，針狀鐵素體內(nèi)的解理面未排成一直線，因此決定準(zhǔn)解理斷裂面是否斷裂的主要特征是針狀鐵素體晶粒尺寸,。因?yàn)檫@里的針狀鐵素體晶粒尺寸僅為上貝氏體中的奧氏體晶粒尺寸的1/2,。所以，在同一強(qiáng)度級別,，下貝氏體轉(zhuǎn)變溫度比上貝氏體低許多,。

除了上面的原因之外是碳化物分布。在上貝氏體中碳化物位于晶界沿線,，并通過降低抗拉強(qiáng)度Rm增加脆性,。在回火的下貝氏體中,，碳化物非常均勻地分布的鐵素體中,，同時(shí)通過限制解理裂紋以提高抗拉強(qiáng)度并促進(jìn)球化珠光體細(xì)化。

第二,，要注意的是未回火合金中轉(zhuǎn)變溫度與抗拉強(qiáng)度的變化,。在上貝氏體中，轉(zhuǎn)變溫度的降低會使針狀鐵素體尺寸細(xì)化同時(shí)升高延伸強(qiáng)度Rp0.2,。

在下貝氏體中,，為獲得830MPa或更高的抗拉強(qiáng)度，也可通過降低轉(zhuǎn)變溫度提高強(qiáng)度的方法實(shí)現(xiàn),。然而,，因?yàn)樯县愂象w的斷口應(yīng)力取決于奧氏體晶粒尺寸,，而此時(shí)的碳化物顆粒尺寸已經(jīng)很大，因此通過回火提高抗拉強(qiáng)度的作用很小,。

6. 馬氏體鋼斷裂

碳或其它元素加入鋼中可延遲奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體和珠光體或貝氏體,，同時(shí)奧氏體化后如果冷卻速度足夠快，通過剪切工藝奧氏體會變成馬氏體而不需進(jìn)行原子擴(kuò)散,。

理想的馬氏體斷裂應(yīng)具有以下特征,。

◆ 因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度很低（200℃或更低），四面體鐵素體或針狀馬氏體非常細(xì),。

◆ 因?yàn)橥ㄟ^剪切發(fā)生轉(zhuǎn)變,，奧氏體中的碳原子來不及擴(kuò)散出晶體，使鐵素體中的碳原子飽和從而使馬氏體晶粒拉長導(dǎo)致晶格膨脹,。

◆ 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變要超過一定的溫度范圍,，因?yàn)槌跏忌傻鸟R氏體片給以后的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體增加阻力。所以,，轉(zhuǎn)變后的結(jié)構(gòu)是馬氏體和殘余奧氏體的混合結(jié)構(gòu),。

為了保證鋼的性能穩(wěn)定，必須進(jìn)行回火,。高碳（0.3%以上）馬氏體,，在以下范圍內(nèi)回火約1h，經(jīng)歷以下三個(gè)階段,。

1）溫度達(dá)到約100℃時(shí),，馬氏體某些過飽和碳沉淀并形成非常細(xì)小的ε-碳化物顆粒，分散于馬氏體中而降低碳含量,。

2）溫度在100～300℃之間,，任何殘余奧氏體都可能轉(zhuǎn)變成貝氏體和ε-碳化物。

3）在第3階段回火中,，大約200℃起取決于碳含量和合金成分,。當(dāng)回火溫度升至共析溫度，碳化物沉淀變粗同時(shí)Rp0.2降低,。

7.中強(qiáng)度鋼（620MPa

除了消除應(yīng)力提高沖擊韌性之外,，回火還有以下兩種作用：第一，轉(zhuǎn)變殘余奧氏體,。殘留奧氏體將在低溫約30℃轉(zhuǎn)變成韌性針狀下貝氏體,。在較高的溫度如600℃，殘余奧氏體會轉(zhuǎn)變成脆性的珠光體,。因此,，鋼在550～600℃進(jìn)行第一次回火，在300℃進(jìn)行第二次回火,，以避免形成脆性珠光體,，稱這種回火制度為“二次回火”,。

第二，增加彌散性碳化物含量（抗拉強(qiáng)度Rm增加）,，降低屈服強(qiáng)度,。如果升高回火溫度，兩者都將會引起沖擊,，轉(zhuǎn)變回火范圍降低,。因?yàn)轱@微組織變精細(xì)，在同樣強(qiáng)度級別,，將提高抗拉塑性,。

回火脆性是可逆的。如果回火溫度高到超過了臨界范圍而降低了轉(zhuǎn)變溫度,，可將材料再加熱后在臨界范圍處理,，回火溫度才可以再升高。如果出現(xiàn)微量元素,，表明脆性將得到改善,。最重要的微量元素是銻、磷,、錫,、砷，加上錳和硅都有去脆作用,。如果其它合金元素存在,，鉬也能降低回火脆性，同時(shí)鎳和鉻也有一定的作用,。
　

8. 高強(qiáng)度鋼（Rp0.2>1240MPa）斷裂
　　高強(qiáng)鋼可通過以下方法進(jìn)行生產(chǎn)：淬火和回火,；淬火和回火前奧氏體變形；退火和時(shí)效生產(chǎn)沉淀硬化鋼,。此外,，還可通過應(yīng)變和再回火或回火期應(yīng)變，都可進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度,。

9. 不銹鋼斷裂

不銹鋼主要由鐵-鉻,、鐵-鉻-鎳合金和其它改善力學(xué)性能與抗蝕能力的元素組成。不銹鋼防蝕是因?yàn)樵诮饘俦砻嫔闪丝煞乐惯M(jìn)一步氧化的鉻氧化物—不可滲透層,。

因此,，不銹鋼在氧化氣氛中能防止腐蝕并使鉻氧化物層得到強(qiáng)化。但在還原氣氛中,，鉻氧化層受到損害?？刮g性隨著鉻,、鎳含量增加而增加,。鎳可全面提升鐵的鈍化性。

增加碳是為了改善力學(xué)性能和保證奧氏體不銹鋼性能的穩(wěn)定,。一般說來,，不銹鋼利用顯微組織進(jìn)行分類。

◆ 馬氏體不銹鋼,。屬于鐵-鉻合金,，可進(jìn)行奧氏體化和后序熱處理生成馬氏體。通常含鉻12%,，含碳0.15%,。

◆ 鐵素體不銹鋼。含鉻約14%～18%,，碳0.12%,。因?yàn)殂t是鐵素體的穩(wěn)定劑，奧氏體相被超過13%的鉻徹底抑制,，因而是完全的鐵素體相,。

◆ 奧氏體不銹鋼。鎳是奧氏體的強(qiáng)穩(wěn)定劑,，因此,，在室溫、低于室溫或高溫狀態(tài)下,，鎳含量為8%,，鉻含量為18%（300型）能使奧氏體相非常穩(wěn)定。奧氏體不銹鋼類似于鐵素體型,，不能通過馬氏體轉(zhuǎn)變而硬化,。

鐵素體和馬氏體不銹鋼特征，如晶粒尺寸等與同級別的其它鐵素體鋼和馬氏體鋼相似,。

奧氏體不銹系FCC結(jié)構(gòu),，在冷凍溫度下都不可能解理斷裂。大型件冷軋80%后,，310型不銹鋼有極高的屈服強(qiáng)度和缺口敏感性,，甚至在溫度低至-253℃還具有1.0的缺口敏感性比。因此,，可用于導(dǎo)彈系統(tǒng)的液氫貯存箱,。相似的301型不銹鋼可用于溫度低至183℃的液氧貯存箱。但在這些溫度以下是不穩(wěn)定的,，如發(fā)生任何塑性變形,，不穩(wěn)定的奧氏體都會變成脆性的非回火馬氏體。絕大多數(shù)奧氏體鋼用于防腐環(huán)境，被加熱至500～900℃溫度范圍,，鉻碳化物會沉淀在奧氏體晶界,，結(jié)果使晶界附近范圍內(nèi)的鉻層被完全耗盡。該部位非常容易受到腐蝕和局部腐蝕,，如果存在應(yīng)力,，還可導(dǎo)致晶脆性斷裂。

為了減輕上述危害,，可加入少量性能強(qiáng)于鉻碳化物的元素,，例如鈦或鈮，與碳形成合金碳化物,，防止鉻被耗盡和隨之而致的應(yīng)力腐蝕裂紋,。常稱這種處理為“穩(wěn)定化處理”。

奧氏體不銹鋼也常用于高溫,，如壓力容器,，防止和滿足抗腐蝕和抗蠕變。某些鋼種因?yàn)樵诤负鬅崽幚砗透邷丨h(huán)境下對熱影響區(qū)及其附近的裂紋十分敏感,。所以,，當(dāng)焊接再加熱時(shí)，受高溫作用,，鈮或鈦碳化物會在晶粒內(nèi)和晶界沉淀,，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生而影響使用壽命，這必須給予高度重視,。

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