磷在钢中会偏聚在品界，使合金结构钢产生回火脆性。因此，在普通的熔铸合金钢中，磷含量的上限都有严格限制。在铁基粉末冶金材料中，由于磷能够扩大a-相区以及在烧结时能提供少量共晶液相，因而把磷作为添加元素之一，以便获得活化烧结和球化孔隙的效果。
实验研究已经发现，加入适量的磷后可以显著提高铁基粉末合金的强韧性。然而在烧结以及热处理后的铁基粉末合金中磷是怎样分布的，是否亦产生晶界偏聚，磷的分布对材料的性能有何影响，至今尚未见到有关的文献报道。本工作研究了烧结和热处理后的Fe-P-C-Cu-Mo中磷的分布及其对合金断口形貌和性能的影响。
试验方法
烧结后样品的化学成分为Fe+1.0%Cu+0.60%P+0.50%Mo+0.44%C。把粒度为-100目的铁粉、-200目的磷铁粉(含15%P)、铜粉、钼粉和石墨粉按重量百分比配好后混合2小时，在6～7吨/厘米2的压力下压制成JB2866—81冲击试样和JB2865—81拉伸试样，在H保护下分别于1080℃，1120℃，1160℃，1200℃和1240℃烧结，保温1～2小时，而后缓冷至室温。
样品的热处理工艺如下：把在1150～1200℃烧结好的样品加热至850～900℃，保温~2小时后油淬，而后分别于不同的温度回火，保温1～2小时，采用炉冷或油冷至室温。
试样的冲击韧性是用JB6型冲击试验机测定的，抗拉强度和延伸率是用WE型液压式30吨万能材料试验机测定的，硬度是用HR150洛氏硬度计测定的。
断口形貌是在JSM-35CF扫描电镜下观察的，加速电压为10KV。使用JAMP-10型俄歇电镜进行俄歇能谱分析，加速电压为10KV。能谱分析使用的是JSM—35C扫描电镜及EDAX9100型能谱分析仪。
试验结果与讨论
在烧结合金中磷的分布用扫描电镜观察合金的断口形貌发现，在1080℃~1240℃范围内烧结，样品的室温冲击断口大部分为解理断口或解理与少量韧窝的混合断口，只有少数局部区域出现沿晶断口。
对上述三种温度烧结的样品断口的解理面和晶界面分别进行了俄歇能谱分析，以便测定在合金晶界和晶内的含磷量以及烧结温度对此的影响。利用纯元素的俄歇能谱相应强度IG，对获得的俄歇谱线上的各元素的能量峰值I，进行了标准化处理，并将各元素的含量之和(Fe+Cu+P+Mo+C)作为100%对合金元素的标准化能量峰高(NPH)。
由数据可以看出：烧结温度越高，在晶界和解理面上的含磷量越低。晶界上的含磷量都高于晶内的含磷量。在1240℃烧结的样品晶界的含磷量较低，接近合金的磷的平均含量。而在1080℃烧结样品中的晶界含磷量可达5.3%左右，几乎为合金平均含磷量的9倍，大大超过了磷在a相或γ相中的溶解度。
在合金成分和加热、冷却条件分别相同的情况下，选用较低的烧结温度，晶界上磷的浓度增加。这就说明在Fe-P—C—Cu—Mo合金中，磷在晶界的偏聚具有平衡型特征。这与M。Cuttmann等人在Ni基合金中所观察到的磷的偏聚行为是一致的。
晶界平衡偏聚量下降。本试验中在各个不同温度烧结的样品只保温60分钟，烧结后冷却速度比较缓慢，所以晶界上磷的富集浓度不能代表烧结温度下的平衡偏聚浓度。
但是由于样品由高温带连续冷却到700℃左右后是在冷却水套中降温，在冷却过程中磷不可能随着温度下降连续在晶界上达到相应的平衡浓度，因此在一定程度上保留了烧结温度对磷分布的影响。故可以认为磷在晶界的偏聚对烧结后室温断裂方式影响较小。
烧结温度越低，断口晶界含磷量越高，但是合金的冲击韧性a，值并未因此降低，反而提高了。这一现象与熔铸合金钢中的情况恰恰相反，在熔铸合金钢中a.值随着磷在晶界的偏聚程度增加而显著下降。
造成这一现象的主要原因，可由烧结温度对合金组织的影响得到说明。在较低温度烧结时，合金组织中的铁素体量较多，因而合金的塑性变形能力较好，裂纹不容易形核和扩展，因此掩盖了磷在晶界富集所可能造成的脆化作用。
热处理后合金中磷的分布
为了研究热处理对Fe-P-C-Cu-Mo中磷分布的影响，曾把在1150～1250℃烧结好的样品再加热到850~900℃淬火，而后在不同温度进行回火，回火后分别采用油冷或炉冷，并测定了合金的机械性能。然后用扫描电镜观察了样品的断口形貌，并分析了断口的成分。
发现200℃回火后油冷的样品的断口主要呈准解理状，断口的解理面很小，河流花样短而弯曲，是比较典型的回火马氏体断口。此外，还发现少量沿晶断口。利用俄歇能谱分析了200℃回火试样断口的成份，发现晶界上有三种不同的情况：
(a) 钼富集在晶界及晶界附近，未发现晶界上有磷的富集。
(b) 晶界上有钼出现，未出现明显的磷峰(120ev)。而在距离晶界5A处开始有磷峰出现，到15A处磷的聚集程度最严重，偏聚区的厚度约30A左右。
(c) 磷的浓度在局部晶界超过合金的平均含磷量，约为3.3%。由这些结果可以看出，这种含0.6%磷的粉末合金钢在200℃回火时，其中的合金元素钼对磷的晶界偏聚有一定的抑制作用。尽管钼的浓度不高，却能有效地阻碍磷原子在晶界的富集或使其富集区移向品内。
Ph.Dumoulin等的试验工作发现，当富集区厚度为10A数量级时，磷是以原子状态偏聚，而不是以化合物的状态偏聚。因此可以认为本合金中磷在晶内30A左右的区域富集，也是以原子状态偏聚的。磷在晶内偏聚引起的畸变能产生固溶强化的效果。
因而铝不但减弱了磷在晶界的偏聚和所引起的脆化，而且促进了磷在晶内的固溶强化作用。当然，在回火温度较低时，扩散比较困难，也会在一定程度上阻碍磷的富集。在试样中曾发现少数晶界上的磷的浓度偏高，其形成原因可能是由于钼的分布不很均匀所造成的。在钼的浓度很低的区域，由于钼阻碍磷原子偏聚的作用不明显，就Emys→图8200℃回火后油冷的合金断口晶界的俄歇能谱曲线。
有可能出现高磷的现象。根据Ph.Du-moulin(7)等人的试验，当磷和钼同时偏聚在晶界上，钼能提高晶界粘性，所以在很大程度上降低了磷的脆化作用。在图8的曲线上可以看到有磷峰和钼峰同时出现。
在400℃回火的试样断口全部为典型的沿晶断裂，断口上还可以见到明显的二次裂纹沿晶扩展。俄歇能谱分析表明断口晶界上富磷，其含量约为7.6%左右。磷的偏聚是造成沿晶断裂的主要原因之一。
400℃回火样品的X射线相分析表明，合金中出现了少量的MoC相。显然这是磷沿晶偏聚的主要原因之一。钼一旦形成MoC，就会失去抑制磷偏聚的作用。回火温度升高到600℃，合金的冲击断口全部呈韧宽状，而且在断口上来观察到明显的磷富集。
在某些大韧窝的底部可以看到呈颗粒状的夹杂物。经俄歇能谱分析，该夹杂物为富硫，因此，这种颗粒可能是硫化物。断口上较大的韧窝是孔隙和这种夹杂物引发的，较小的韧窝则是材料发生塑性变形的产物。虽然那些小韧窝较浅，但对于延缓裂纹前的应力集中还是很有利的，所以600℃回火样品的az值较高。
本试验的合金试样中的含磷量为0.6%，600℃回火后无论炉冷或油冷都没有表现出明显的回火脆性。这显然不同于一般低合金钢。众所周知，含有少量磷杂质的低合金钢，在600℃回火后，如果采用炉冷，由于在冷却过程中发生了磷在晶界的偏聚而引起明显的回火脆性；如果采用水冷或油冷，由于冷却速度快而使磷来不及向晶界偏聚，可以消除或者减弱这种回火脆性。
为了弄清造成这种差异的原因，曾用扫描电镜和能谱对400℃和600℃回火样品中的孔隙表面的含磷量进行了分析，可以看出，随着回火温度升高，孔隙表面的含磷量增加。造成晶界偏聚的驱动力是偏聚原子磷在晶界和晶内的畸变能差。
若磷在孔隙表面上偏聚，由于不需要排开基体原子，所引起的畸变能要比偏聚在晶界引起的畸变能小得多。而磷在孔隙表面和晶内的畸变能差越大，则磷向孔隙表面偏聚的驱动力也就更大。明智清明曾经指出，在Ni-C基粉末合金中，发现石墨容易沿孔隙表面析出并长大的现象。
然而烧结后残留在合金中的孔隙大多数是处在原始粉末颗粒之间，彼此的间距较大，而合金经过热处理后的晶粒尺寸却很小。在一般情况下，磷向晶界的扩散距离比向孔隙表面的扩散距离要短得多。在400℃回火，温度偏低，不利于磷原子作长程扩散。
另一方面温度越低，磷在晶内的溶解度也就越低，按式(3)，在晶界的平衡偏聚浓度反而高，促进了磷向晶界的偏聚。所以在400℃回火时磷主要富集在晶界。回火温度较高时，减小了磷向晶界偏聚的趋势，并且有利于磷的长程扩散，因此在600℃回火时磷主要向孔隙表面富集。
而磷偏聚在孔隙表面比固溶在晶内更加稳定，所以在随后的冷却过程中，无论是炉冷还是油冷都不再产生回火脆性。正是由于铁基粉末冶金材料具有的多孔性，使得它在回火后具有不同于一般钢材的磷的分布状态，表现出独特的性能变化规律。当回火后的冷却方式由油冷改为炉冷时，孔隙表面的磷含量增加。这可能是在炉冷的过程中还发生了磷的扩散所致。
上述结果表明，热处理后磷的分布对合金断裂方式及机械性能的影响很大。当磷主要偏聚在晶界时，会造成沿晶断裂，降低合金的冲击韧性。当磷主要富集在孔隙表面时，明显减弱了磷的脆化影响，断口呈韧性断裂，具有较高的冲击韧性。
结论
Fe-P-C-Cu-Mo铁基粉末合金在1080～1200℃烧结，磷在晶界的浓度高于其在晶内的浓度。在此温度范围内，烧结温度越低，磷在晶界的偏聚程度越高。烧结后合金中的磷在晶界的偏聚状态对合金冲击韧性的影响被合金组织的影响所掩盖，合金断裂表现为穿晶断裂。
热处理后磷的分布和断口形貌主要决定于回火温度。在200℃回火，固溶在基体中的钼能起到抑制磷向晶界偏聚的作用，合金断口为穿晶断裂；在400℃回火，钼形成MoC后，磷主要偏聚在晶界，造成合金沿晶断裂，a，值下降；在600℃回火，磷主要富集在孔隙表面，合金断口呈韧窝状，合金的a，值较高。