摘要
无间隙原子（IF）钢和 2.25Cr1Mo 钢都具有碳当量低，韧性和塑性良好等特点。这两种钢因成分和性能的差异被应用于不同的领域。其中，具有良好深冲性能的无间隙原子钢是汽车车身覆盖件及部分结构件的主要材料。2.25Cr1Mo钢因具有良好的韧性、较高的抗氧化性和耐高温性能，被广泛应用于制造各种高温承压容器及管道等。然而，IF钢中的固溶强化元素磷会在热轧等过程中发生晶界偏聚，引起材料的非硬化脆化；同时在深冲和冷轧过程中会发生硬化脆化现象。2.25Cr1Mo钢在长期中等温度的服役过程中，钢中的杂质元素会发生晶界偏聚并引起材料的非硬化脆化；工程实践中的诸如焊接、时效析出等过程会引起钢的硬化脆化。此外，晶粒尺寸会同时影响钢的硬化和非硬化脆化。可见，钢铁材料的脆化往往是由硬化脆化和非硬化脆化这两种机制共同作用的结果，而目前还没有这方面的研究。因此，本文主要研究磷的晶界偏聚、强化硬化和晶粒尺寸对IF钢和2.25Cr1Mo钢脆性的综合影响，并揭示低合金钢的硬化与非硬化联合脆化机制。 本课题以 IF钢和 2.25Cr1Mo 钢为研究对象，通过高温热处理、时效热处理、室温拉伸、焊接热模拟等方法，获得不同晶粒尺寸、磷晶界偏聚浓度和强化硬化的试样。通过系列冲击实验并结合扫描电子显微镜（SEM）进行断口形貌观察，测定试样的断口形貌转变温度（FATT）。利用硬度测试、金相分析、俄歇电子能谱分析（AES）、场发射扫描透射电子显微镜（FEGSTEM）、电子背散射衍射（EBSD）等表征手段，对试样的微观组织、晶界化学成分、晶界特征结构、维氏硬度等参数进行表征。综合分析IF钢和2.25Cr1Mo钢的断口形貌转变温度与材料的强度（硬度）、晶粒尺寸和磷晶界偏聚浓度之间的关系，建立 IF钢和 2.25Cr1Mo 钢的硬化与非硬化联合脆化的数学模型。 研究发现，高温淬火的IF钢在600℃恒温时效过程中的P晶界偏聚表现出非平衡的特征，并且在时效20 h后恢复平衡状态。此外，P在IF钢和2.25Cr1Mo钢中的平衡晶界偏聚浓度随晶粒尺寸的增加而增加，随温度增加而降低。研究表明，晶粒尺寸增加会促使钢中大角度晶界和高Σ指数的CSL晶界的含量增加，这是导致不同晶粒尺寸的钢中 P 晶界偏聚浓度不同的重要因素。通过偏聚热力学的理论分析认为，偏聚自由能随晶粒尺寸增加而增加，同时偏聚熵和焓在变化中存在一定的线性关系。 对不同晶粒尺寸、磷晶界浓度和屈服强度的IF钢的FATT进行了测定，研究表明IF钢的FATT与磷晶界偏聚浓度（Cp，at.%）和屈服强度（σs，10MPa）成正线性相关性，与晶粒尺寸（d-1/2，mm-1/2）成负线性相关性。而且，FATT与磷晶界偏聚浓度或屈服强度之间的线性关系受晶粒尺寸的影响，而磷晶界偏聚和屈服强度两者与FATT之间的关系是互不影响的。以泰勒公式为模型，建立的脆化公式为：FATT(oC)=2.1Cp+3.48σs-22.36d-1?2+0.64(Cp-14)（d-1?2-3.06)+0.896(σs-14)（d-1?2-3.06)-13.7，其中 Cp、σs、d 分别表示磷的晶界偏聚浓度（at.%）、屈服强度（10MPa）、晶粒尺寸（mm）。 然而，2.25Cr1Mo钢的脆化机制与IF钢有所不同。其中，最主要的是2.25Cr1Mo钢的FATT不受晶粒尺寸的影响。分析认为，造成这种差别的主要原因是两种钢的微观组织不同，进而导致材料的脆性对晶界结构的敏感度不同。两者相同的是，2.25Cr1Mo钢的FATT同样与钢中磷晶界偏聚浓度或屈服强度成正线性相关性。综合分析并建立了 2.25Cr1Mo 钢的FATT 与磷晶界偏聚浓度和屈服强度之间的关系式：FATT(oC)=0.25σs+2.64CP-270，其中Cp和σs分别表示磷的晶界偏聚浓度（at.%）和屈服强度（MPa）。 对不同峰值温度下的2.25Cr1Mo 钢焊接热影响区脆性的研究表明，热影响区的脆性随峰值温度的增加而增加，而回火后热影响区的脆性显著降低。对冲击断口形貌的分析发现，焊后热影响区的脆性断裂属于解理型，而回火后的脆断属于沿晶型。分析认为，焊后热影响区的脆化与微观组织中存在的M/A岛以及焊接残余应力有关，属于硬化脆化机制。其中，M/A 岛形状随峰值温度的升高而发生粗化，这是导致热影响区的脆性随焊接峰值温度升高而加剧的主要原因。焊后经520℃回火800 h后，热影响区组织中的M/A岛消失并析出细小的碳化物，分布于组织中的界面附近。同时，热影响区中磷的晶界偏聚量明显增加，并随峰值温度的增加而增加，这与较高峰值温度下的晶粒粗化有关。因此，回火后热影响区的脆化主要由磷晶界偏聚引起，属于非硬化脆化机制。
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