钢铁结构材料的组织设计与控制

除细化和超细化晶粒外，组织设计与控制也是钢铁材料高性能化的重要途径。

3.3.1 低碳马氏体钢^[3]

20世纪50～70年代，西安交通大学系统开展了低碳马氏体的研究，表明低碳马氏体钢有较好的综合力学性能，特别是在高强度水平下仍有较大的塑性韧性和良好的工艺性能。为了满足截面较大、服役条件较恶劣的一些石油机械产品的需要，我们先后与大冶钢厂、西安交通大学合作，研制了20SiMn₂MoVA、20CrMnSiMoVA等大截面低碳马氏体钢。其中，20SiMn₂MoVA已列入合金结构钢国家标准。20SiMn₂MoVA和20CrMnSiMoVA具有高强度（抗拉强度达1400MPa、屈服强度1250MPa）与大塑性韧性（-20℃时CVN达80J以上，K_IC达124MPa·m¹/2）相结合的特点。在淬火低温回火的板条状马氏体状态，既具有不亚于中碳合金调质钢的塑性韧性，又有比调质钢高得多而与淬火中温回火相当的强度水平。这类钢可以用于截面较大（Φ80～Φ120mm）、形状复杂、应力状态较“硬”、应力集中系数较高的构件，以及承受低周疲劳或巨大冲击载荷的重要构件，以达到减轻重量、延长寿命的目的。从20世纪70年代到现在，40年来，宝鸡石油机械厂一直坚持本厂生产的吊环、吊卡等产品采用20SiMn₂MoVA等大截面低碳马氏体钢，取得重大经济效益和社会效益。

现代冶金技术的进步和材料科学的发展，使低碳马氏体钢又有许多进一步改进和完善的空间。低碳马氏体钢完全可以用于某些高强度钻柱构件和油套管。

3.3.2 无碳化物贝氏体钢^[4，5]

我国是贝氏体相变研究的大国。北京科技大学、西北工业大学、清华大学等都有突出的研究成果，先后出版多部专著。而国际上首推Bhadeshia的专著。

Bhadeshia等研究了含一定量硅、镍等非碳化物形成元素的钢，在贝氏体相变时，碳化物的析出受到抑制，其组织由贝氏体铁素体板条束及束间富碳的残留奥氏体所构成，称为无碳化物贝氏体（Carbide-freebainite）。这种贝氏体在形态上类似上贝氏体，但板条间析出的不是碳化物而是奥氏体薄膜。这种含碳较高的残余奥氏体薄膜有较高的热稳定性和机械稳定性。无碳化物贝氏体有较高的强韧性，膜状残余奥氏体进一步提高了塑性和韧性，改善了抗延迟断裂性能。

西北工业大学通过对低碳贝氏体钢板条内部精细结构的控制，大幅度提高了钢的强韧性（表3）。其主要措施：加硅，强烈抑制碳化物析出；B_F板条间的奥氏体膜（A_r）量多、分布均匀，而且非常稳定；晶粒细化。

表3 低碳贝氏体钢的性能

3.3.3 复相钢

复相钢的组织由软相（铁素体、奥氏体）与硬相（马氏体、贝氏体）组成，可以兼顾强度与塑性、韧性。复相钢有多种，包括贝氏体+铁素体、贝氏体+奥氏体（准贝氏体钢）、马氏体（回火索氏体）+铁素体钢等。其中，铁素体+贝氏体复相组织可在很宽的冷却范围内获得（图9）。(www.xing528.com)

图9 F_GBA/B_G复相组织可以在很宽的冷速范围内获得

3.3.4 Q&P处理钢^[6，7]

Speer等人近年来发展的Q&P（淬火与碳的重新分配）处理，系将含Si或Al较高的钢经淬火至Ms-Mf间一定的温度（QT）后，再在一定温度（PT，PT≥QT）停留，使碳由马氏体扩散（分配）至残余奥氏体，使其稳定化，增加最后淬至室温的奥氏体含量，改善高强度钢的韧性（图10）。

图10 Q&P处理示意图

注：C_i、C_γ、C_m分别表示原始合金、奥氏体和马氏体内的碳含量，QT和PT分别表示淬火温度和碳分配温度

3.3.5 低合金TRIP钢^[8]

TRIP钢最初是由Zackay等人在含铬、镍的奥氏体不锈钢中创制的。该钢虽然综合力学性能优异，但由于成本太高，其应用受到限制。含硅较高的低合金钢有一定量的残余奥氏体并有TRIP效应（相变诱发塑性）。国内外都在积极研究开发强度和塑性韧性兼顾的低合金TRIP钢。

在钢晶粒细化和组织控制时，应注意钢的洁净化和均匀化。除去钢中夹杂、气体及有害元素，尽可能降低钢的碳含量，是提高钢的韧性的有效方法。钢中非金属夹杂物往往会成为裂纹源。在冶炼上采用真空除气、电渣重熔、真空自耗重熔和各种炉外精炼技术可显著改善钢的韧性；钢中硫、磷、氢、氧、氮和砷、锑、铋、铅、锌等有害元素的去除，也能显著改善钢的韧性。

钢中碳虽然在很多情况下是不可缺少的，但碳使钢的韧性降低。在可能情况下，应尽量降低碳含量。

钢的成分偏析导致钢的组织、性能不均匀，致使钢的性能不能充分发挥出来，甚至提前失效。另外，在杂质总量不变的前提下，提高钢的均匀性，相当于提高了钢的洁净度。