无间隙原子钢中磷的晶界偏聚及其对材料脆性的影响

作     者：赵禹 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋申华

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：无间隙原子钢 晶界偏聚 韧-脆转变温度 晶界脆化 

摘      要：近年来随着汽车工业的迅速发展和冶金技术的不断进步，无间隙原子钢（interstitial free steel,以下简称IF钢）已经取代沸腾钢和镇静钢并作为第三代深冲钢被广泛应用于工业制造领域尤其是汽车工业领域。IF钢具有良好深冲性的同时通过添加溶质原子（如P、Si、Mn等）达到固溶强化的目的。P是IF钢最有效的固溶强化元素，然而P在固溶强化的同时容易发生晶界偏聚，从而使IF钢的脆性增加。 有研究表明P的晶界偏聚是导致钢脆化的重要原因，而在IF钢中P的晶界偏聚对脆性的影响尤为重要。这是因为IF钢的晶界上没有多余的C、N原子，晶界光滑且强度很低，若有P原子在晶界偏聚，则会大大降低晶界结合力，导致钢的脆性明显增加。导致P晶界偏聚的因素有很多，本文主要研究IF钢在高温时效时P的晶界偏聚及其对材料脆性的影响。 首先对IF钢于960℃奥氏体化淬火后再在880℃保温30min水冷获得统一的铁素体组织。随后，分别在520℃、600℃以及680℃恒温时效。金相组织分析表明晶粒尺寸约为225μm左右，组织为铁素体。维氏硬度测量表明，不同温度时效后IF钢的硬度都均在92HV左右。因此，硬度、组织对IF钢脆性的影响可以认为是统一的，不同试样之间没有差别。 通过俄歇能谱分析法测量时效后IF钢中P的晶界浓度。结果表明520℃、600℃及680℃下P的平衡偏聚浓度分别为23at.%、19.2at.%及16.5at.%。利用平衡晶界偏聚理论，计算得到P在IF钢中的偏聚熵（△S）约为-28.7J/mol·K，偏聚焓（△H）约为16.3kJ/mol。此外，680℃时效条件下P的晶界偏聚动力学测量表明，P在IF钢中具有非平衡晶界偏聚现象，非平衡晶界偏聚的临界时间约为30min。P晶界浓度随保温时间的变化趋势与理论模拟曲线相符合，验证了非平衡偏聚理论应用的有效性。 对680℃时效的试样进行冲击试验并通过断口观察，确定各试样的韧脆转变温度（ductile-to-brittle transition temperature，以下简称DBTT）。分析发现，DBTT随保温时间的变化趋势与P晶界浓度的变化趋势一致，DBTT与P晶界浓度之间存在线性关系。线性拟合得到两者之间的关系式为：DBTT(℃)=4.43Cp64.76，其中Cp代表P晶界浓度（at.%）。随后，通过晶界偏聚理论及DBTT与P晶界浓度的关系式，预测了不同时效温度下IF钢的DBTT。最后，分析了P基体浓度变化、时效温度变化对IF钢DBTT的影响。