對鋼鐵材料而言，以奧氏體相在室溫的冷卻過程中可產生鐵素體變態、珠光體變態、貝氏體變態和馬氏體變態等多種固相變態為其最大優點。通過合金成分、加工和熱處理組合應用，可產生約200MPa～4GPa的大范圍抗拉強度。鋼鐵材料中多數為低合金鋼（指碳素以外的合金成分總量<10%），但由于當其屈服強度>1400MPa時，其韌性、耐延遲破壞性和耐疲勞性等耐破壞性均低，從而使其適用范圍常受到限制。
　　為提高結構材料的耐破壞性，除提高材料原有的抗破壞性外，緩和主裂紋前端的應力集中是主要措施。提高鋼鐵材料的耐破壞性有以下措施：
　　1）降低形成脆化原因的P、S等元素和夾雜物含量；
　　2）降低含碳量；
　　3）加入Ni等合金元素；
　　4）晶粒微細化；
　　5）利用層狀剝離現象(在Al-Li合金和管線鋼上已應用)。低合金鋼的強韌化主要采用上述措施中4和5。
　　本文著重關注4和5兩項，簡介低合金鋼通過加工熱處理實現強韌化的研發動向。對有關利用超微細纖維狀晶粒組織的層狀剝離現象而提高低合金鋼韌性的研究成果，予以重點介紹。
　　二、結晶粒微細化
　　結晶粒微細化通過降低粒界的應力集中和稀釋粒界處雜質元素的綜合效果，成為可使屈服強度提高并使延性-脆性轉變溫度（DBTT）降低的有效組織控制法。延性-脆性轉變在材料的屈服應力超過脆性破壞應力時產生，特別是鐵素體體心立方格子型金屬在低溫區，當屈服應力快速上升時表現出明顯的延性-脆性轉變。結晶粒細化可使屈服應力和脆性破壞應力同時上升，但后者比前者的上升幅度大，引起DBTT的降低。以下以單相組織鋼和復相組織鋼代表的鐵素體組織和馬氏體組織進行介紹。
　　1.鐵素體組織
　　近10多年來，日本國家項目（新世紀結構材料“超鋼鐵”：超級金屬技術開發、環境和諧型超微細粒鋼創新基礎技術開發）陸續起步，對含碳<0.2%的低合金鋼通過低溫區強形變加工使鐵素體晶粒徑<1μm的超微細化研究頗為盛行。例如1997～2005年在超鋼鐵項目的研發中，對相當于SS400、SM490的低碳低合金鋼，通過軋制或緞造實施形變>2.5的加工使鐵素體粒徑微細化至<1μm時，抗拉強度則從原來的400MPa成功地提高到800MPa。
　　還有采用形狀不變加工法之一的高壓下扭轉（HPT）加工，可使結晶粒徑進一步超微細化至數百微米以下。據報道稱：高純鐵（Fe-11ppmc）經HPT加工后其抗拉強度可上升至1800MPa以上。但是鐵素體的超微細化所產生的強化馬氏體會使延伸率明顯下降，并由縮頸所產生的不均勻變形成為延伸的主體和延性亦下降。
　　為提高延伸的均勻性而提高加工硬化率甚為必要，具體可將碳化物、氧化物、準穩態奧氏體和馬氏體等第二相粒子在基體組織中超微細分布，形成所謂的超微細粒鋼。在夏比沖擊試驗中，當鐵素體粒徑超微細化至<1μm時，則DBTT可降低到液氮溫度以下，并使上部的沖擊吸收能降低，后者形成的主要原因為由強形變軋制加工伴生的偏聚組織發達，導致層狀剝離現象明顯化和結晶粒微細化強化而使延性下降。
　　但有報道稱，電制CO納米結晶粒材（粒徑18nm）盡管未發生層狀剝離現象，其延性破壞區的沖擊仍比粒材顯著下降。由此可知，結晶粒微細化所產生的強化同時與延性下降和上部沖擊吸收能下降有關。但是在超微細鋼韌性的討論中目前數據尚不足，特別是僅靠晶粒微細化使屈服強度提升至1000MPa以上的等軸鐵素體鋼的相關數據尚未見到。今后，應通過積累韌性對結晶粒徑依存性的相關數據以詳細解析。
　　2.馬氏體組織
　　含碳量達0.6%左右的鋼淬火后出現條狀馬氏體組織，經回火后形成優良強度和延性、韌性平衡狀態。條狀馬氏體組織的單個結晶為厚度僅0.2μm的薄條狀，且條狀平行，在舊奧氏體組織粒內構成塊狀甚至桶狀。淬火狀態的馬氏體晶粒（條狀）的內部具有金屬強加工后位錯密度1015/m2的高密度位錯。條狀晶界的結晶方位差僅為數度內的小角粒界，而塊狀、桶狀則為大角粒界。據此，后者的粒徑成為決定馬氏體組織強韌性的“有效結晶粒徑”，且它們的形態依含碳量和舊奧氏體粒徑等而變化，對碳素鋼特別是依含碳量的增加而使他們被微細狀。從而中碳低合金鋼的條狀馬氏體組織為內芯高密度位錯的超微細結晶粒組織，進一步回火使碳化物微細分散化的回火馬氏體組織可視為“超微細復相組織”。[page]
　　作為提高馬氏體鋼韌性的組織控制法有高溫回火、舊奧氏體粒微細化和形變熱處理等常用方法，并有時組合使用。對要求高韌性的機械結構用鋼，馬氏體組織多采取550℃以上、A1點以下的高溫回火。回火溫度愈快其效果有：（a）淬火產生的內部應力可伴隨位錯回復而降低；（b）可將碳化物分散為球狀。形變熱處理和舊奧氏體粒的微細化亦是有效的組織控制法，可通過對塊狀晶、桶狀晶、微細化以使馬氏體鋼強韌化。例如，快速加熱淬火使舊奧氏體粒徑微細化至2.5μm的回火馬氏體鋼（HY130：0.1C-5Ni-0.6Cr-0.5Mo-0.06V-0.7Mn鋼）屈服強度高達1400MPa，比通常淬火回火材高的同時，DBTT卻在下降。
　　總之，低合金馬氏體鋼在屈服強度1000MPa左右時仍具有優良的韌性，特別是隨著屈服強度上升而吸收能降低，到1400MPa競降到40J以下，而包含馬氏體時效鋼在內的高合金鋼（碳素以外的合金總量>10%）。由于納米級第二相粒子的分散強化加上以下因素：（a）減少S、P等有害元素和夾雜物；（b）降低含碳量；（c）加入Ni等合金元素可達到比低合金鋼更優的強度、韌性平衡。但最高級的馬氏體時效鋼當屈服強度>1800MPa時，吸收能仍低至40J左右。這說明僅依靠提高抗衡材料固有破壞特性的方法，將低合金鋼的屈服強度提高到>1800MPa時，大幅提高其韌性則甚難。
　　三、充分利用層狀剝離現象
　　狀剝離現象的軋制鋼板、超微細粒鋼、積層鋼板和形變熱處理鋼等組織異方向性強的材料，在進行夏比沖擊試驗時偶而發生斷面現象。當主裂發生或在其傳播以前板面的平行面上發生層狀剝離時，主裂前端的3軸應力狀態則得到緩和（開裂鈍化），導致主裂的傳播受到抑制，其結果使韌性得以改善。
　　層狀剝離的模式有兩種。以接合力低的積層鋼板為例，Crack-divider方式為由荷重而在缺口或主裂前端產生的3軸應力的σx的作用，使接合面剝離而分開。該方式的層狀剝離，其實效和薄板的重合狀態相當。即隨著層狀剝離的頻度增加，開裂前端的應力狀態由3軸應力向2軸應力緩和，導致主裂的傳播受到抑制。
　　對軋制鋼板和超微細粒鋼的層狀剝離觀察結果，層狀剝離的發生溫度區和能量遷移溫度區大體相同，導致在轉變溫度以上或以下的發生頻度減少。但在層狀剝離頻度愈高時，則100%延性破壞溫度區對延性開裂的阻抗降低，即吸收能在減少（抗延性破壞性劣化）。
　　另一種方式的Crack-arrester為沿主裂的方向（Z軸方向）和垂直面產生層狀剝離，使開裂基本被鈍化導致主裂前端的應力狀態由3軸應力緩和為一軸抗拉狀態，即實質上成為單純的彎曲變形，導致韌性被改善。MeEvily和Bush用0.2C-3Ni-3Mo鋼進行形變熱處理時，發現在200℃附近，此式的層狀剝離沿伸長的舊奧氏體粒界發生，夏比沖擊吸收能達到了325J的異常高值。但在室溫附近則層狀剝離未發生吸收能仍為33J的低值，此時的室溫屈服強度為1600MPa。未反映延性-脆性破壞遷移的奧氏體不銹鋼（室溫屈服強度為215MPa），愈接近低溫則此式的層狀剝離愈顯著，夏比沖擊吸收能則增大。
　　此試樣取自性能劣化的燃汽輪機的燃燒室，奧氏體已充分再結晶致層狀剝離起因于偏析帶粗大化的碳化物。還有0.12C-0.4Si-1.8Mn-0.03Nb棒鋼實行控軋后生成和板材控軋后形成的不同組織，經夏比沖擊試驗形成和軋制面平行的多數層狀剝離，在-196℃下試樣仍未發生破斷分離。如上DBTT的顯著降低與和軋制方向（RD）垂直斷面的鐵素體粒的微細化及[111]～[211]<110>組織發達所產生的防止裂紋發生傳播效果和由層狀剝離所實現的平面應力狀態有關。
　　層狀剝離發生和伸長的舊奧氏體粒界、MnS、碳化物等夾雜物、積層鋼接合部等界面的破壞和偏聚組織有關，從而在有效利用層狀剝離以提高韌性時，通過組織控制以對層狀剝離合理控制甚為重要。
　　四、利用在超微細纖維狀結晶粒組織中的層狀剝離
　　1.由形變回火處理建立超微細纖維狀結晶粒組織的概念
　　根據1963年由田村匯總的加工熱處理法的分類，回火馬氏體組織的加工和鋼琴絲的鉛浴淬火+加工等歸屬于馬氏體類的相變態后加工，統稱為應變回火處理和形變回火處理。當時回火馬氏體組織的加工為將馬氏體組織于200℃附近的低溫區回火并進行加工后再進行回火，研究稱由此可使強度顯著上升。
　　巖瀨等則對鋼塑性加工后的應力負荷低溫退火處理稱之為應變回火處理，但并未施加大塑性變形。時實等則通過奧氏體粒的逆變態作為取得微細化前加工組織的手段而重視對中碳低合金鋼回火馬氏體的冷加工和溫加工。對回火馬氏體組織實施減面率80%的冷軋后再實施短時奧氏體化處理，則舊奧氏體粒徑可成功地超微細化至1μm左右。最近作為取得超微細結晶粒組織的有效手段，回火馬氏體加工受到重視，通過較高溫區的多軸加工和加工后退火均可形成等軸狀的超微細粒。
　　另外，為得到超微細纖維狀結晶粒組織的有效手段，開始重視對中碳低合金鋼回火馬氏體的溫加工；且在通過加工熱處理形成組織的同時，并成形為螺栓等部件，對此亦稱為形變回火處理。過去，生產高強螺栓等高強度部件時，在成形前需將鋼材作球狀化退火處理，現在則可將軟質化處理完全省去。
　　還有加工熱處理屬于準穩態奧氏體相的加工，必須注意以下：（a）為了奧氏體相穩定化，應加入較多的合金元素；（b）需解決形狀復雜部件的加工難點。對此，形變回火處理乃對回火馬氏體組織的加工，故可適用于較廣范圍的低合金鋼。特別是對中碳低合金鋼的溫間形變回火處理，對基體組織中微細分散的碳化物粒子區還有阻止作為。這樣可使基體組織的結晶粒超微細化的同時，還可對超微細粒的集合組織和形狀控制；特別是基體組織中以納米級超微細分散碳化物粒子的位錯亦受到阻止，從而有利于超微細纖維狀結晶粒組織的高強度化和均勻延伸率的提高。
　　2.形變回火處理制成超微細纖維狀結晶粒組織的力學性能
　　本研究對象為0.4C-2Si-1Cr-1Mo鋼，為二次硬化鋼的一種。通過加入Si、Cr和可引起二次硬化的Mo等合金設計，在500℃回火下碳化物粒子仍呈超微細分布，可保1800MPa的抗拉強度。應用形變回火處理的加工熱處理的概況如下：首先從熱軋材中切出4×4×12cm的方形材，實施1200℃下1h的溶體化處理，再用帶槽軋機軋成斷面為9cm2的方鋼，并用水淬火得到馬氏體組織，該組織的舊奧氏體平均結晶粒徑為50μm。其次，對淬火材經500℃、1h回火后，再用帶槽 軋機經9道次加工（累計減面率77%、相當形變1.7）為斷面2cm2、長約1m的方鋼，并經空冷至室溫，成為形變回火處理材（TF），且每軋3道次對試樣進行500℃下5min再加熱，為整形并在最終道次將鋼材回轉90°后軋制。
　　TF材為沿軋制方向（RD）伸長的鐵素體粒的基體組織中，有<50μm的碳化物粒子呈球狀分散形成的超微細纖維狀結晶粒組織。用FBSP法測量結果顯示，鐵素體粒的短軸平均切片長度在結晶方位差>15°的大角粒界為260nm。由<110>和RD形成的纖維集合組織對超高強度金屬極細絲、高碳鋼絲和鐵素體鋼等冷拔鋼絲所觀察到的即為典型的加工組織。
　　表1為室溫下的抗拉強度和V缺口夏比沖擊吸收能的綜合數據，為比較而同時列出正火材在950℃下、30min奧氏體化后再經由淬火和500℃、1h回火后水冷材（QT材）的結果亦。

　　 表1 0.4C-2Si-1Cr-1Mo鋼TF材和QT材的機械性能對比
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項目 σ0.2，MPa σB，MPa EU，％ EL，% RA，% vE，J
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TF材 1840 1850 6.7 14.7 50 226
QT材 1470 1770 4.5 10.3 35 14
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　　由上表可知，TF材比QT材的抗拉強度和屈服比（=屈服強度/抗拉強度）均高，強度、韌性的平衡亦優，沖擊吸收能亦遠高于后者。
　　對TF材和QT材的V切口夏比沖擊吸收能和溫度的關系對比如下。從60℃～100℃溫度區為QT材典型的延性-脆性轉變溫度，吸收能隨試驗溫度的降低而降低。而TF材在150℃的吸收能為QT材6倍的133J，特別對過去高強度鋼中應用較多的60℃～-60℃的溫度區，其吸收能大幅增加。韌性的顯著提高，由于在沖擊方向大體成直角處開裂，并起因于Crack-arrester式的層狀剝離。即它愈顯著則吸收能愈大，從-60℃～-20℃間高達500J。這種韌性的逆溫度依賴性在形變熱處理鋼和奧氏體系不銹鋼的應用中已被證實，但對1800MPa且在低合金鋼的低溫區尚屬重大發現。
　　對TF材，可忽略MnS作用，舊奧氏體粒界和其他粒界也無區別，引發層狀剝離的TF材和RD呈垂直的破斷面形態為延性的凹形斷面，而開裂分歧面（和RD方向平行和沖擊方向垂直）則呈脆性的開裂破斷模式。即TF材的層狀剝離可能起因于具有<110>//RD纖維集合組織的超微細纖維狀結晶粒組織。因為這一組織多含有對鐵的[100]開裂面而易引起脆性破壞的結晶面且和沖擊方向（和RD方向平行）垂直的另一方面，[100]面含量多且由粒徑超微細而在低溫下呈延性的結晶面則和沖擊方面平行（和RD方向垂直）。與RD方向垂直面的低溫延性好，是由于受抗拉變形對溫度的依存性導致。經液氮溫度下的抗拉試驗結果，QT材為脆性破斷；可拉伸度毫無；TF材則屈服強度上升到2300MPa時可拉伸度仍達40%的高水平。
　　對于此類微細纖維狀結晶粒組織從-60℃～60℃，隨著屈服應力的加大，和RD方向平行的結晶面將產生脆性破壞，即層狀剝離。由此說明其韌性的逆溫度依存性。如此所述，基體組織結晶粒的超微細化和納米級碳化物粒子的分散化，加上控制超微細粒集合組織和形狀以控制層狀剝離的發生，則可使屈服強度>1800MPa的低合金鋼韌性大幅提高。
　　但是在超高強度鋼絲方面，扭轉變形初期發生的層狀剝離是影響鋼絲高強度化的有害因素。從而今后對利用層狀剝離以提高韌性的優缺點開展調查的同時，對高強度鋼實用中所必要的有關延遲破壞和疲勞破壞的數據進行積累以利明確其適用范圍。過去對500℃附近回火馬氏組織的加工認為是嚴格的加工，今后應從量產化出發，對層狀剝離有關的有效結晶粒徑、形狀、集合組織、第二相粒子大小、形態等組織因素進行工藝改進，有助于利確立降低加工負荷而高效的溫加工成形技術。
　　五、小結
　　作為屈服強度>1400MPa低合金鋼高韌性鋼鐵材料開發的這一重大課題，本文重點介紹了頂級溫間形變回火技術。此項加工熱處理技術是作者等在超鋼鐵材料開發中，為實現1800MPa級超強螺栓的創新項目中，開發的奧氏體粒微細化加工熱處理技術的最佳成果。進一步改進后開發成功作為螺栓用鋼的二次硬化鋼，實現了迄今難以想象的低溫下的加工。最后強調的是，材料和部件生產者及鋼構件設計者應作為一體，對材料和部件統籌考慮以保實現。