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极低温用钢的热处理及强韧化柴田浩司

1序言

近年来，以超导及有关技术为中心，应用于液氮温度(一196℃)到液氦温度(-269℃)附近范围的极低温技术得到广泛发展。预期今后还会更加扩展它的应用范围，特别是所谓高温超导体的应用无疑将促进这种发展。

这一技术的发展，必然要求开发优良的极低温用结构材料。特别是在超导磁体技术中，由于超导发电、超导电力贮存、核熔炼炉等大型化与强化的发展趋势，极低温下高强韧(高强度和高韧性)结构材料是必不可少的。这类结构材料中尽管包含纤维增强塑料等复合材料及其它多种多样的材料，但不可否认，金属材料，特别是钢铁仍然是它的主要部份。事实上近年来通过对极低温用钢的研究，已经开发了多种超过现有材料特性的优良的极低温用钢。

在此介绍极低温用钢的热处理，特别是有关奥氏体钢热处理的几个值得注意的研究成果。一般，强韧化热处理很少用于奥氏体钢，大都用于马氏体钢(按照惯例，以下称作珠光体钢)。但极低温结构钢多用于强磁场条件下，因此用无磁材料是理想的；另外，在极低温下，尤其是液氦温度附近，抑制珠光体钢的低温脆性相当困难。因此，控制奥氏体钢的韧性降低并提高强度是研究和开发板低温用钢的中心。在极低温钢的强韧化问题中，本文主要叙述奥氏体钢的热处理，提及一部份珠光体钢的热处理。*

2奥氏体钢

2.1固熔化处理材料

2.1.1氮强化钢的低温脆性和热处理韧化

最常用的获得极低温韧性并提高强度的手段是固溶强化。关于在极低温度下各种合金元素的固溶强化作用已提出很多数据，其中氮的效果是最引人注意的。尽管氮引起的晶格畸变与碳接近，但特别是在低温下，其固溶强化的作用却比碳大得多。例如根据藤仓等的数据，在35~40Mn-5Cr钢中，氮引起的基体畸变应力比碳大3.3倍。因此大部份极低温用钢以氮固溶强化。关于氮这种强的固溶强化效应机制，虽然有人提出是间隙原子氮与置换原子铬或锰形成了某种化合物所致，但目前对其细节类不能子以说明。有待应用高能量X-射线获得原子尺度的固溶状态的观察来澄清。

·像珠光体钢一样，奥氏体钢提高强度的同时也会引起低温韧性的降低。在固溶处理

*本语文系摘译“极低温用钢の热处理と强じ九化”的第1、2部份，第3部份“珠光体钢”、第4部“结束语”因受本刊篇幅所限，未予刊出。一编注

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状态下，以氮强化的奥氏体钢，依赖于其成份在低温发生晶间断裂或晶内脆性断裂，并反映在韧-脆转变的迁移上。在极低温仍保持塑性断裂韧窝断口的钢，一般在极低温度下，韧性也降低。通过提高钢的纯净度，控制夹杂物形态、降低杂质元素含量可以大大减小韧性降低的程度。当高含锰量并用较高含氮量强化的奥氏体钢发生低温脆性断裂时，如含铬量高，多为晶内脆性断裂；而含铬量低时，容易发生晶间脆断。断裂表面平行于{111}y面，尚不清楚它是沿e-马氏体方向，还是沿着孪晶面或只是沿着滑移面。

鄧时间(h)图1从固熔温度冷却的方式对32Mn-7Cr-0.3N钢低温韧性(-196℃下的夏比冲击能)的影响(水冷时低于5J)关于品间脆断的机制目前仍不清楚，但出现了一些不同的观点，例如认为是由于锰引起晶界脆化，晶界附近产生了不均匀变形，氮在晶界上偏析等等。最近柴田等发现了一个在抑制晶间脆断方面的有趣现象，即高氮32Mn-7Cr钢由固溶化温度水冷时出现低温晶间脆断，当比较缓慢地冷却时，明显地抑制晶间断裂(图1),而特别慢的冷却，引起晶界析出，晶间断裂敏感性又提高。

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图1从固熔温度冷却的方式对32Mn-7Cr-0.3N钢低温韧性(-196℃下的夏比冲击能)的影响(水冷时低于5J)

通过控制冷却速度来韧化。另外，在固溶处理(水冷)之后，通过在适当的温度范围加热也可获得韧化。采用热中子与硼反应产生α射线显示硼的位置的裂变迹痕(fission-

track)腐蚀法乃至采用所谓自动射线照像法进行的试验指出，韧化与硼的晶界偏析有好的对应关系。当通过热处理获得韧化时，基本上没有观察到强度的变化，透射电镜检查也没有观察到特殊的组织变化。在含硼的珠光体钢中，由于硼易形成氮化物，一般都减少氮的含量而且加钛等元素以固定氮。与此不同，在上述高锰含量的钢中，硼含量至多不过1ppm,而旦氮含量大于0.3%,尽管如此，仍可观察到硼的晶界偏析。对Hadfield钢等高锰钢和奥氏体不锈钢，为避免碳化物、氮化物晶界析出，推荐采用由固溶化温度迅速冷却的处理方法(水韧处理)。但