铈和磷对锰钢脆性的影响

D0I:10.13374/j.issnl001-053x.1994.05.003 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vd.16o.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t1994 铈和磷对锰钢脆性的影响 冯松筠吴承建李景慧 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要利用冲击试验、扫描电镜、透射电镜、俄歇谱仪等方法，研究了铈和磷对含锰钢跪性转化温度 的影响.结果表明，磷在奥氏体晶界偏聚提高了含锰钢脆性转化温度，加人铈可减轻磷的偏聚程 度，从而降低了脆性转化温度， 关键词脆性，冲击韧性、锰钢，铈/偏聚 中图分类号TG142.13 The Influences of Cerium and Phosphorus on Embrittlement in Manganese Steel Feng Songjun Wu Chengjian Li Jinhui Department of Materials Science and Engneering.USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT The influences of Ce and P on embrittlement transition temperature in Mn steel has been investigated by impact test,SEM,TEM and Auger spectrometer.The results indicate that the segregation of phosphorus along the austenitic grain boundary increases the embrittlement transition temperature,and Cerium adding to steel can minimize the degree of segregation and improve the impact toughness,therefore the embrittlement transition temperature is decreased. KEY WORDS brittleness,impact toughness,Manganes steel,cerium/segregation 淬火钢在250~400℃范围回火时，将出现低温回火脆性，对钢的低温回火脆性的影 响实质上就是对韧一脆转化温度的影响.为了改善钢的低温回火脆性，研究者们习已对低 温回火脆性产生的条件、杂质元素（如磷）及微量合金元素铈的影响进行了研究.本文将重点 研究稀土元素铈及不同磷含量对锰钢低温回火韧一脆转化温度的影响， 1试验方法 1993-11-10收稿第一作者女58岁副教授

第 16 卷 第 5期 北 京 科 技 大 学 学 报 l州年 10月 oJ u m a l o f U n l v esr iyt o f S a e n ec a n d Te c h n o l o g y B吻 ngi V d . 16 N o . 5 O CL I望洲 钵和 磷对锰钢脆性的 影 响 冯 松药 吴 承建 李景 慧 北京 科技大学材料科学 与 工程系 , 北京 1〕 :旧83 摘要 利用冲击试验 、 扫描 电镜 、 透射电镜 、 俄歇谱仪等方法 , 研究了钵和磷对含锰钢脆性转化温度 的影响 . 结果表明 , 磷在奥 氏体 晶界偏 聚提 高了 含锰 钢脆性 转化 温 度 . 加人 柿可 减轻 磷 的偏 聚程 度 , 从而 降低了 脆性转化温度 . 关键 词 脆性 , 冲击韧性 , 锰钢 , 余市/偏 聚 中图分类号 I U 1 42 . 13 hT e I nfl ue n ces o f C e r i um a dn P h o s P h o r us o n E in b r it t l e rne nt i n M a n g a nes e S te e l 凡 月口 及刀更g j u n 环飞雀 C h en 骊i a n L i J i n h u i eD P a rt men t o f M a t e ir als S d en ce an d E n g ll e n n g , U S T B , B e ij i n g l仪刃8 3 , P R C A B S T R A C T hT e inl u en 毗 o f C e a n d P o n e m b r lt t l e m e n t t ar n s it i o n t e m P ear t毗 in M n s 桂℃1 h a s b en in ves t ig a t ed b y In 1P a ct est t , S E M , T E M a n d uA g e r s P ce tor n r t e r . hT e esr ul st in d ica et ht a t t h e s ge ger a t i o n o f P h o s Ph o ur s a lo gn t h e a us et in t i e g ar in b o u dn a yr 力n c 代么s es het e m b ir t t l e n l e n t tar ns iti o n te n l p e ar t u er , a n d C e ir u m a d d i n g ot s t e l ca n inr 俪瞿 het d ge er o f s ge ger a ir o n a n d lm p or v e ht e m l p a ct t o u g h n es s , t h e er fo er t h e e m b ir t t l e r le n t 加sn i iot n t e m P ear t u er 15 d e c r段 l s ed . K E Y W O RD S b ir t len es s , I n 1 P a c t t o u g h nes s , M a n g a n es s t e l , ce ir u m / s ge ger a t i o n 淬 火钢 在 2 50 一 4 0 ℃ 范围 回 火 时 , 将 出现 低温 回 火脆 性 . 对钢 的低 温 回 火 脆 性 的 影 响实质 上就 是对韧 一 脆 转化 温度 的影 响 . 为 了改善 钢 的低 温 回火 脆 性 , 研 究 者 们 1[, 2] 已 对低 温 回 火 脆性 产生 的条 件 、 杂质 元 素 (如磷 ) 及 微量合 金元 素 钵 的影 响进行 了研 究 . 本 文 将 重 点 研究 稀 土元 素钵 及不 同磷 含量 对锰 钢低 温 回 火韧 一 脆 转化 温 度的影 响 . 1 试验方 法 19 3一 1 一 10 收 稿 第一 作者 女 58 岁 副教授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 05. 003

Vol 16 No.4 冯松筠等：铈和磷对锰钢脆性的影响 .415 试验用钢的化学成分见表1.研究了30Mn钢中3种不同磷含量：0.005%，0.03%，0.06% 表1试验用钢的化学成分/% Table 1 Compositions of testing steels/% 炉号 C Mn P Ce Si 0.29 1.05 0.003 0.054 0.005 2 0.31 0.96 0.005 0.22 0.014 3 0.32 0.97 0.029 0.064 0.29 0.004 0.31 0.96 0.028 0.23 0.010 5 0.30 0.97 0.056 0.1140.22 0.004 6 0.29 0.95 0.061 0.23 0.014 0.30 2.92 0.092 0.120 0.15 0.006 8 0.30 2.86 0.086 0.140.007 及磷含量为0.09%的30M,钢.熔炼时，在相同磷含量的钢中，一炉加铈，另一炉不加 铈.试验用钢在真空感应炉中熔炼，钢锭质量为20kg.钢锭在1200℃均匀化4.5h,然 后锻成13mm×13mm×300mm的方坯和直径8mm的圆棒，再分别加工成冲击试样和俄歌 试样. 冲击试样先在硝盐炉中加热至850℃保温15min,淬碱液后，在350℃盐炉中回火75min ;俄歇试样850℃保温45min,淬碱液后，300℃回火60min,其中30Mn3Ce及30Mn,钢的 俄歇试样还要进行回火处理. 系列冲击试验在l5kg摆锤式冲击试验机上进行.试样在相应的试验温度下保持20min, 冲断后立即将断口放于丙酮内，并转入干燥器中保存. 用S-500型扫描电镜观察断口形貌.用H-700型透射电镜观察薄膜试样的精细结构.用 俄歇谱仪测量磷在品界的偏聚.俄歇试样在10×10Pa真空中打断，用氩离子溅射断口，溅 射不同时间，以测定不同深度上磷和铁的Pm、Fe的俄歇峰高，求出p,。峰高比. 2试验结果 图1是1~6号钢850℃淬火、350℃回火试样的冲击功和试验温度的关系曲线.由图1 可知，随钢中磷含量的增加，试验用钢的上、下平台能降低，同时脆性转化温度向高温方向 移动·当钢中加入铈后，平台能明显升高，而脆性转化温度降低. 如图2所示，韧-脆转化温度随钢中杂质元素磷含量增加而增高：当磷含量从0.005%升 高到0.028%，韧-脆转化温度升了156℃；磷从0.028%升高到0.061%，其韧-脆转化温度 升了158℃.图2还显示出在相同磷含量的钢中加铈后，降低了钢的韧一脆转化温度：磷含量 0.029%的钢加铈0.064%，其韧-脆转化温度降低了56℃；磷含量0.06%的钢加铈0.114%， 钢的韧一脆转化温度降低了90℃.铈虽然可以降低钢的韧一脆转化温度，但不能消除高磷 钢的低温回火脆性. 图3显示了30Mn;和30MnCe钢原奥氏体晶界磷的浓度分布，从图3中的俄歌谱线可

丫b l . 16 N O . 4 冯松箔等: 钵和 磷对锰钢脆性的影 响 试验 用钢 的 化学成 分见表 1 . 研究 了 30 M n 钢 中 3 种不 同磷含量 : 0. 0 05 % , .0 03 % , .0 06 % 表 1 试验用钢的化学成分 / % J b b晚 I C翩脚幽山. of et 拓I嗯 动理七l% 炉 号 C M n P Q 5 1 5 1 0 . 29 1 .0 5 .0 的3 .0 0义 一 .0 0 5 2 0 . 3 1 0 . % 0 . X() 5 一 0 . 2 0 . 0 14 3 .0 32 .0 97 .0 029 .0 (贬碑 .0 29 .0 ( X琳 4 0 . 3 1 0 . 96 0 . 028 一 0 . 2 3 0 . 0 10 5 .0 30 .0 盯 .0 056 0 . 1 14 .0 2 .0 (洲又 6 0 . 29 0 . 95 0 . 肠 l 一 0 . 2 3 0 . 0 14 7 0 3 0 2 92 0 . 田2 0 . 120 0 . 1 5 0 . 《X场 8 0 3 0 2 . 86 0 . 08 6 一 0 . 14 0 . 叨7 及 磷 含 量 为 .0 09 % 的 30 M n ; 钢 . 熔 炼 时 , 在 相 同磷 含 量 的 钢 中 , 一 炉 加 钵 , 另 一 炉 不 加 钵 . 试 验用 钢在 真空 感应 炉 中熔 炼 , 钢 锭 质 量 为 20 k g . 钢 锭 在 1 2 0 ℃ 均 匀 化 .4 5 h , 然 后锻 成 13 In ln x 13 ~ x 30 ~ 的方坯 和直 径 8 ~ 的圆棒 , 再分别加 工成 冲击 试样 和 俄 歇 试 样 . 冲 击试样 先在硝盐炉 中加热 至8 50 ℃ 保温 巧 而n , 淬碱液后 , 在 35 0 ℃ 盐 炉 中 回 火 75 而n ; 俄歇 试样 8 50 ℃ 保温 45 ~ , 淬碱 液后 , 3 0 ℃ 回 火 60 而n , 其 中 30 M n 3 eC 及 30 M n : 钢 的 俄歇 试样还 要进 行 回 火处理 . 系列冲 击 试验 在 15 kg 摆 锤式 冲 击试 验机 上进 行 . 试样 在相 应 的试验 温 度下保 持 20 而n, 冲断后 立 即将断 口 放于丙 酮 内 , 并 转 人干 燥器 中保存 . 用 S 一 50 0 型 扫描 电镜观察断 口 形 貌 . 用 H 一 7 0 型 透射 电镜 观 察薄 膜试样 的精细结 构 . 用 俄 歇谱 仪测 量磷 在 晶界 的偏 聚 . 俄 歇 试样 在 10 x lo ’ 7 P a 真 空 中打断 , 用 氢离 子溅 射断 口 , 溅 射不 同时 间 , 以 测定 不 同深度 上磷 和 铁 的 P l 二 、 F e二 的俄 歇 峰高 , 求 出 耘 2 。 气 。。 峰高 比 · 2 试验结 果 图 1 是 1 一 6 号钢 8 50 ℃ 淬 火 、 3 50 ℃ 回 火试 样 的冲击 功和 试 验温 度 的关系 曲 线 . 由 图 1 可知 , 随 钢 中磷含 量 的增 加 , 试验 用 钢 的上 、 下 平 台 能 降低 , 同 时 脆 性 转 化 温 度 向高 温 方 向 移动 . 当钢 中加入 钵 后 , 平台 能 明显 升高 , 而 脆性 转化 温度 降低 . 如 图 2 所 示 , 韧 一 脆转 化温 度 随钢 中杂 质元 素磷 含量 增加 而增 高 : 当磷 含 量 从 0 .0 05 % 升 高到 .0 0 28 % , 韧 一 脆 转化温 度 升 了 1 56 ℃ ; 磷 从 .0 0 28 % 升高 到 .0 0 61 % , 其 韧 一 脆 转 化 温 度 升 了 158 粉 . 图 2 还 显示 出在相 同磷含 量 的钢 中加 钵后 , 降低 了钢 的韧 一 脆 转化 温度 : 磷 含 量 .0 02 9 % 的钢加 钵 .0 0 64 % , 其 韧 一 脆转 化 温度 降低 了 56 ℃ ; 磷含 量 0 .0 6 % 的钢 加 钵 0 . 1 14 % , 钢 的韧 一 脆 转化温度 降低 了 90 ℃ . 钵 虽 然可 以 降 低 钢 的韧 一 脆 转 化 温 度 , 但 不 能 消 除 高 磷 钢 的低 温 回火 脆性 . 图 3 显示 了 30 M n 3 和 30 M n 3 eC 钢原 奥 氏体 晶界磷 的浓 度分布 . 从图 3 中 的俄 歇 谱 线 可

·416 北京科技大学学报 1994年No.5 260 140 120 180 100 含d 80 96 100 20 -20 0/ 60 140 220 300 380 T/℃ 0.0250.0500.075 p jo 图1试验钢的冲击功和温度的关系 图2Ce对试验钢FATTs%的影响 Fig.I The relationship of impact tenacity of experimental Fig.2 The effects of Ce on FATT steels and testing temperatures of experimental steels 看出，两种钢磷的俄歇峰均较高，说明含铈钢与无铈钢在晶界上均有磷的偏聚，但前者比后者 的磷峰明显要低， 30Mn,Ce 30Mn: 3P/ND 州址大 700600500"300200100700600500300200100一 U/eV 图3850℃淬火、300℃回火的30Mn,与30Mn,Ce钢沿晶断口表面的俄歇电子能谱图 Fig3 Auguer electron energy spectrums on intergranular fracture surfaces of 30Mn,and 30Mn,Ce steels 图4为30Mn,Ce钢在淬火态和淬火、300℃回火态的晶界表面俄歇电子能谱图 由图4可看出，淬火态晶界的磷与铁的峰高比和淬火、回火态晶界的相近，这就直接证实了 在奥氏体化过程中磷的晶界偏聚是导致钢的韧一脆转化温度升高的原因之一· 根据测量出的俄歇谱线峰高比，经数据处理可作出从晶界到晶内磷的浓度，分布曲 线，如图5所示.由图可见，30Mn,钢的晶界上磷偏聚较30MnCe多，说明铈能够降低磷的 晶界偏聚

· 6 4 1 · 北 京 科 技 大 学 学 报 刃 年 6 N 4 11 _ / ó U ù二,盈. . 月峥二, 泪六卜 180 .U、 20 冰日 ó山ó侧 “一ù n 甘 0 0 ;口。 产b nU 。 之才 4020 0 1 一 1 1 , r , 于下 一 l 0() 一 2 0 60 14 0 T / ,C 22 0 3 0 0 3 8 0 0 . 0 2 5 0夕5 0 /% 0 . 0 7 5 图 1 试验钢的冲击功和温度的关系 图 Z C e 对试验钢 F A I T 叨 ., 的影响 瑰J 11犯 比肠位服如 p of 如稗ct t“ . c iyt of e xl . 勿长洲. 1 瑰.2 1 1犯 e伟叹朽 of C e 阅 F A了嗡% 劝比肠 a司 .喇 班笔 t“ 11伴用加到拐 of e x ep 垃姗划目 劝巴坛 看 出 , 两 种钢磷 的俄歇 峰均 较 高 , 说 明含 钵 钢 与无 钵 钢 在 晶界 上均 有 磷 的偏 聚 , 但 前 者 比 后者 的磷 峰 明显要 低 . 30M n 3 Q 30 M n 3 叫P之\ 卜- ` 一 - - 上 - - - ~ 700 6 0 0 5 00 30 0 20 0 1占00 7 0 0 60 0 5 00 3 00 2 00 1 0 0 U / e V 图 3 脚 ℃ 淬火 、 引贾〕℃ 回火的 加M n 3 与 加M n J C e 钢沿晶断 口 表面的俄歇 电子 能谱 图 F 电3 A雌理r e傲如0n 。 此耳异 甲时仙.朽 on i n et 馆用 I . al r ha c O lr e 灿血a 拐 of 30 M鸭 斑 日 刃M 飞C e 劝 e 七 图 4 为 30 M n 3 eC 钢 在 淬 火 态 和 淬 火 、 3 0 ℃ 回 火 态 的 晶 界 表 面 俄 歇 电 子 能 谱 图 由 图 4 可看 出 , 淬火 态晶 界 的磷 与铁 的 峰高 比和 淬火 、 回火 态 晶界 的相 近 . 这 就直 接证 实 了 在 奥 氏体化 过程 中磷 的 晶界偏 聚是 导致 钢 的韧 一 脆转 化温 度 升高 的原 因 之一 根 据 测量 出 的俄歇 谱线 峰高 比 , 经数 据处理 可作 出从晶界到 晶 内磷 的浓 度 玩担成 : 。 3分布 曲 线 , 如 图 5 所 示 . 由图可 见 , 3 OM n : 钢 的 晶界上 磷偏 聚较 30 M n 3 eC 多 , 说明钵 能够 降 低磷 的 晶界偏 聚

Vol.16 No.4 冯松筠等：铈和磷对锰钢脆性的影响 417. 30Mn,Ce淬火 300℃回火 70060030030020010070060050030200100 U/eV 图4淬火态和淬火回火态30MmCe钢沿晶断表面的俄歇电子能谱图 Fig4 Auger electron energy spectrum of fracture surfaces of 30Mn,Ce quenched and tempered at 300C 用扫描电镜观察在350℃回火后的室温冲击断口形貌，如图6所示.0.005%P无铈钢 断口为韧窝、准解理；0.03%P含铈钢断口为韧窝、准解理和沿晶，其中沿晶所占比例较少； 0.03%P无铈钢主要为沿晶断口. 0.35m 300℃回火 0.30 30M 020 0.15 30Mn,Ce 024 6 8101214 16 t/s 图5沿晶向晶内P的浓度分布 Fig.5 The profiles of the concentration of P plotted as fimction of distance from the grain boundary into grain 用透射电镜观察850℃淬火，350℃回火的薄膜试样，如图7所示.无论加铈与否，含 磷的钢在奥氏体晶界和板条马氏体间都有FC片沉淀， 3讨论 沿晶断裂主要取决于晶界的内聚强度，而晶界内聚强度又受晶界化学状态和晶界析出相 的影响).磷在奥氏体晶界上的偏聚，淬火后仍被保留在马氏体的原奥氏体晶界，随钢中磷含 量增高，磷在晶界的偏聚浓度也相应增高，磷在原奥氏晶界偏聚浓度的升高将会引起晶界磷 化学状态的改变：磷的晶界偏聚浓度较低时，磷以固溶态存在于晶界；而当磷偏聚浓度高

V bl . 16 N b . 4 冯松绮等 : 钵和 磷对锰 钢脆性 的影 响 30 M 玛 Q 淬火 3印 ℃ 回火 ; 勺 … l加l ` 七 不 立 eF , 二 eF eF 7印 6刀 , 刃 3的 么刃 ~ J` - . J 一 J - 曰 - ~ - “ . 叫 卜` ~ ` - -占 . - -一 . - - - 1伪 7田 日刃 , 刃 创刃 2口) 1伪 切 eV 图 4 淬火态和淬火回火态 刃 M n ￡ e 钢沿晶断表面的俄歇 电子能谱图 瑰月 A雌辉 d仪血仪 . 曰” 仍 , 卿收肋口l of 加d l皿℃ , 『巨璐 of 刃凡1 11 3 C e 甲此砚卜月 田目 妞 m脚阁 at 洲月) ℃ 用扫描 电镜 观察 在 3 50 ℃ 回 火 后 的室温 冲击 断 口 形 貌 , 如 图 6 所 示 . .0 0 5 % P 无钵 钢 断 口 为韧窝 、 准 解理 ; 0 .0 3% P 含钵 钢 断 口 为韧 窝 、 准解理 和沿 晶 , 其 中沿 晶所 占比例较 少 ; .0 03 % P 无 钵钢 主要 为沿 晶 断 口 . \ ! 3田 ℃ 回火 } } !} . 1 1 . 1 . 、 段己ù者吕 图 5 沿晶向晶 内 P 的浓 度分布 f奄5 1飞比 声。日岛 of 胶 。 以臼) ” 。 , 位刃 of P 咖伪司 as 五. r 垃扣 of 血如川戈 介口 n 触 脚加 b 翔“ 面仃 加加 粤苗 . 用透 射电镜观 察 8 50 ℃ 淬火 、 3 50 ℃ 回 火 的 薄膜 试 样 , 如 图 7 所示 . 无 论加 钵 与否 , 含 磷的钢在 奥 氏体晶界和 板条 马 氏体间都 有 F e 3 C 片沉 淀 . 3 讨论 沿 晶断 裂主要取 决于 晶界 的 内聚 强度 , 而 晶界 内聚强度 又受 晶界 化学状态和 晶界 析 出相 的影 响阎 . 磷在奥 氏体 晶界上 的偏 聚 , 淬火后仍被保 留在 马氏体 的原奥 氏体晶界 , 随钢 中磷 含 量 增高 , 磷在 晶界 的偏 聚浓度 也相 应增 高 . 磷在 原 奥 氏晶界 偏 聚浓度 的 升高 将会 引起 晶界磷 化 学状 态 的改 变 4[] : 磷 的晶界 偏 聚浓度 较 低 时 , 磷 以 固溶 态存 在 于 晶界 ; 而 当磷偏 聚浓度 高

V bl . 16 N b . 4 冯松绮等 : 钵和 磷对锰 钢脆性 的影 响 30 M玛 Q 淬火 3印 ℃ 回火 ; 勺 …加l l ` 七 不 立 eF , 二 eF eF 7印 6刀 , 刃 3的 么刃 ~ J` - . J 一 J - 曰 - ~ - “ . 叫 卜` ~ ` - -占 . - -一 . - - - 1伪 7田 日刃 , 刃 创刃 2口) 1伪 切 eV 图 4 淬火态和淬火回火态 刃 M n ￡ e 钢沿晶断表面的俄歇 电子能谱图 瑰月 A雌辉 d仪血仪 . 曰” 仍 , 卿收肋口l of 加d l皿℃ , 『巨璐 of 刃凡1 11 3 C e 甲此砚卜月 田目 妞 m脚阁 at 洲月) ℃ 用扫描 电镜 观察 在 3 50 ℃ 回 火 后 的室温 冲击 断 口 形 貌 , 如 图 6 所 示 . .0 0 5 % P 无钵 钢 断 口 为韧窝 、 准 解理 ; 0 .0 3% P 含钵 钢 断 口 为韧 窝 、 准解理 和沿 晶 , 其 中沿 晶所 占比例较 少 ; .0 03 % P 无 钵钢 主要 为沿 晶 断 口 . \ ! 3田 ℃ 回火 } } !} . 1 1 . 1 . 、 段己ù者吕 图 5 沿晶向晶 内 P 的浓 度分布 f奄5 1飞比 声。日岛 of 胶 。 以臼) ” 。 , 位刃 of P 咖伪司 as 五. r 垃扣 of 血如川戈 介口 n 触 脚加 b 翔“ 面仃 加加 粤苗 . 用透 射电镜观 察 8 50 ℃ 淬火 、 3 50 ℃ 回 火 的 薄膜 试 样 , 如 图 7 所示 . 无 论加 钵 与否 , 含 磷的钢在 奥 氏体晶界和 板条 马 氏体间都 有 F e 3 C 片沉 淀 . 3 讨论 沿 晶断 裂主要取 决于 晶界 的 内聚 强度 , 而 晶界 内聚强度 又受 晶界 化学状态和 晶界 析 出相 的影 响阎 . 磷在奥 氏体 晶界上 的偏 聚 , 淬火后仍被保 留在 马氏体 的原奥 氏体晶界 , 随钢 中磷 含 量 增高 , 磷在 晶界 的偏 聚浓度 也相 应增 高 . 磷在 原 奥 氏晶界 偏 聚浓度 的 升高 将会 引起 晶界磷 化 学状 态 的改 变 4[] : 磷 的晶界 偏 聚浓度 较 低 时 , 磷 以 固溶 态存 在 于 晶界 ; 而 当磷偏 聚浓度 高