（材料学专业论文）钢中贝氏体相变机理的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 奥氏体的中温转变产物贝氏体，从被发现之日起就受到广泛怀疑，而贝氏体 相变机制至今还在延续着切变观点和扩散观点近个多世纪的针锋相对的论争。本 文应用透射电镜( j e m 2 1 0 0 f ) 、环境扫描电镜( q u a n t a - 4 0 0 ) 、扫描隧道显微镜 ( n a n o f r i s t 1 0 0 0 型) 和光学显微镜( l e i c a ) 等仪器对2 0 c r m o 、3 5 c r m o 、 4 5 c r n i m o v 、s 7 、6 0 s i 2 c r v 、g c r l 8 m o 、g c r l 5 、9 c r 3 n i 等工业用钢分别进行 等温实验和表面浮凸观察实验。 对组织形貌观察表明，上贝氏体不止可在界面形核，还可以在晶内激发形核， 随着碳含量的增加，组织形貌由片条状逐渐过渡为羽毛状；针状贝氏体束构成下 贝氏体组织；通过对铁原子和替换原子扩散系数、贝氏体长大速度的计算和表面 浮凸的观察，表明贝氏体相变切变机制和扩散机制与实际不符；并且证明了贝氏 体形核和长大过程中，相界面处铁原子和替换原子的非协同热激活跃迁性。 同时，实验分析和理论研究，表明贝氏体转变开始于贝氏体铁素体的形核， 且在贝氏体铁素体和原奥氏体界面析出形核的贝氏体碳化物通过长大形成的贝 氏体亚单元，使得贝氏体形貌多样化。贝氏体铁素体和贝氏体碳化物形核长大 过程中铁原子和替换原子是以原子非协同热激活跃迁方式进行的。贝氏体热激活 跃迁机制是相界面处铁原子和替换原子以不同位移矢量跃迁，使贝氏体铁素体 奥氏体( b f a ) 和贝氏体碳化物奥氏体( b c a ) 界面向奥氏体中推移，形成贝 氏体，且原子跃迁距离在一个原子间距内。 最后，在系统的自组织作用下，贝氏体组成相有序组合，有效配合，最终形 成贝氏体组织；并指出表面浮凸只是表面转变必然存在，不能作为某些相变的特 征进行研究。本论文也对贝氏体转变的原子热激活跃迁机制提供实验和理论支 持。 关键词：贝氏体：相变机制；扩散；切变；热激活跃迁；整合 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a i n i t e ，t h ei s o t h e r m a lt r a n s f o r m a t i o np r o d u c to fa u s t e n i t e ，w a sw i d e l ys u s p e c t e d f r o mt h ed a yo fd i s c o v e r y b a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mw a sd e b a t e db y d i s p l a c ea n dd i f f u s i o np o i n t s ，w h i c hh a sb e e nm o l lt h a nh a l fo ft h ec e n t u r y i nt h e p a p e r , i s o t h e r m a le x p e r i m e n t a t i o na n ds u r f a c er e l i e fo b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t a t i o no f 2 0 c r m os t e e l ，3 5 c r m os t e e l ，4 5 c r n i m o vs t e e l ，s 7s t e e l ，6 0 s i 2 c r vs t e e l ，g c r l8 m o s t e e l ，g c r l5s t e e la n d9 c r 3 n is t e e l o fi n d u s t r i a ls t e e l sw e r ei n v e s t i g a t e d b y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( j e m 一210 0 f ) ，e n v i r o n m e n t a ls c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( q u a n t a - 4 0 0 ) ，s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ( n a n o f r i s t - 10 0 0 ) a n d o p t i c a lm i c r o s c o p y ( l e i c a ) a n ds oo n 1 1 1 eo b s e r v a t i o no ft h em o r p h o l o g ys h o w e dt h a tt h eu p p e rb a i n i t em o i lt h a nc a l l b en u c l e a t e da tt h eb o u n d a r ya n da l s oc a l lb es t i m u l a t e n u c l e a t e di nt h ei n t r a g r a n u l a r , t h em o r p h o l o g yg r a d u a l l yt r a n s m i t t e df r o mt h en e e d l e l i k et of e a t h e r e db yi n c r e a s i n g o fc a r b o nc o n t e n t s ；n e e d l eb a i n i t eb e a mf o r m e dl o w e rb a i n i t e ；b a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n s h e a rm e c h a n i s ma n da c t u a ld i f f u s i o nm e c h a n i s mw e r ei n c o n s i s t e n ts u p p o r t e db yt h e c a l c u l a t i o no fg r o w t hs p e e do fb a i n i t e ，t h er e p l a c e m e n to fi r o na t o m sa n da t o m i c d i f f u s i o nc o e m c i e n t ，a n dt h eo b s e r v a t i o no fs u r f a c er e l i e f ；a n dn o n - c o n c e r t e dt h e r m a l a c t i v a t i o nt r a n s i t i o no fi r o na t o m so ft h ei n t e r f a c ea n dr e p l a c e m e n ta t o m sw e r ep r o v e d i nn u c l e a t i o na n dg r o w t hp r o c e s so fb a i n i t e a tt h es a l n et i m e ，e x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hs h o w e dt h a t b a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o no c c u r r e da tt h eb e g i n n i n go fn u c l e a t i o no fb a i n i t i cf e r r i t e ，a l s o b a i n i t i cc a r b i d eo fb a i n i t i cf e r r i t ea n do r i g i n a la u s t e n i t ei n t e r f a c en u c l e a t i o nf o r m e da s b a i n i t i cs u b - u n i t e sb y , w h i c hm a d ed i v e r s e l yb a i n i t em o r p h o l o g y 1 1 1 ei r o na t o m sa n d r e p l a c e m e n ta t o m sw e r e c o n d u c t e db ya t o mn o n - c o n c e r t e dt h e r m a la c t i v a t i o n t r a n s i t i o nw a yi nt h ep r o c e s so fg r o w i n ga n dn u c l e a t i o no fb a i n i t i cf e r r i t ea n db a i n i t i e c a r b i d e t h eb a i n i t i ct h e r m a la c t i v a t i o nt r a n s i t i o nm e c h a n i s mw a sd i f f e r e n t d i s p l a c e m e n tv e c t o rt r a n s i t i o nb e t w e e ni r o na t o m so ft h ei n t e r f a c ea n dr e p l a c e m e n t a t o m s ，w h i c hm a d et h eb a i n i t i cf e r r i t e a u s t e n i t e ( b f a ) a n db a i n i t i cc a r b i d e a u s t e n i t e ( b e a ) i n t e r f a c el a p s et ot h ea u s t e n i t et o f o r m e da sb a i n i t e ，a n da l s ot h ea t o m t r a n s i t i o nd i s t a n c ew i t h i na na t o m f i n a l l y , t h eb a i n i t ew a sf o r m e db yt h es y s t e m sf u n c t i o no fs e l f - o r g a n i z a t i o n , o r d e r l yc o m b i n a t i o na n de f f i c i e n c yc o o p e r a t i o no fc o m p o s i t i o np h a s eo fb a i n i t e ，a n d u 内蒙古科技大学硕士学位论文 a l s oi n d i c a t e dt h a ts u r f a c er e l i e fw a sm u s te x i s ti ns u r f a c et r a n s i t i o n , c o u l dn o tb e s t u d i e da st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o m ep h a s et r a n s i t i o n s i nt h ep a p e r , t h ee x p e r i m e n t s a n dt h e o r i e sw e r ep r e s e n t e dt os u p p o r tt h em e c h a n i s mo fa t o mt h e r m a la c t i v a t i o n t r a n s i t i o no fb a i n i t et r a n s f o r m a t i o n k e yw o r d s ：b a i n i t e ；t r a n s f o r m a t i o nm a c h a n i s m ；d i f f u s i o n ；d i s p l a c i v e ；h e a ta c t i v a t i o n t r a n s i t i o n ；i n t e g r a t i n gi nas y s t e m a t i cw a y i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 夕， 虢阻吼毕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名： ) 锨入 、 日期：翌z 芝互：! 内蒙古科技大学硕士学位论文 材料科学的产生也有三个必要条件，它们构成支撑这一学科的三脚凳，也可 以看成材料学科得以诞生的基础这三个必要条件是：( 1 ) 原子和晶体学说；( 2 ) 相平衡；( 3 ) 显微组织研究。 一r o b er tw c a h n ；杨柯等译 1 文献综述 1 9 3 0 年，一战的结束和新大战的来临，钢铁工业在膨胀式发展之年；1 9 3 0 年，随着2 0 世纪初，人类对“存在”本质的认识，自然科学尤其是原子论 的发展和知识积累，人们对未知领域的探求和认知更加“狂热”；1 9 3 0 年，随着 索拜的光学金相技术的应用，随着对已经发现的钢铁组织奥氏体、珠光体和 马氏体的研究和认识的深入，人们对钢的组织研究充满了好奇和认知的欲望。也 是1 9 3 0 年，贝茵对马氏体相变研究做出杰出贡献的他在得知等温实验和奥 氏体可以在低温转变前存在的实验事实，他就怀疑“是否异常极小的试样完全奥 氏体化可能在某一个中间温度不会发生任何转变，它们的转变可能被延迟 ( f o l l o w e d ) 并说服e c d a v e n p o r t 和他一起为他的这一想法实剐2 1 。 1 1 贝氏体的发现 随着对铁陨石中魏氏体组织和索拜对钢中“硬组织和软组织 的观察，人们 开始对钢的组织进行研究。 在2 0 世纪2 0 年代后期，在对奥氏体等温转变先前的研究，首先是马氏体形 成，随后是精细珠光体的发现。 1 9 3 0 年，d a v e n p o r t 和b a i n 发现了新的显微组织，该组织由针状的浸蚀时 为黑色的集合体组成，在相同的钢中，它和马氏体与珠光体都不相似( 如图1 所示) 。他们最初叫这种显微组织为“马氏体屈氏体”，随后，他们认为它“形成 和马氏体相似，随后或多或少被回火，并成功析出碳”。并发现这个组织侵蚀速 度比马氏体快，但比屈氏体( 精细珠光体) 慢，在马氏体开始温度稍上温度形成 的“短程”马氏体屈氏体形貌不同与稍高温度形成的“长程”马氏体屈氏体。他们 当时也注意到显微组织中含有许多精细碳化物1 2 j 。 1 9 3 4 年，为了纪念e c b a i n 开创性实验，发表第一张贝氏体显微照片，实 验室的研究人员命名这种显微组织为贝氏体。b a i n 和他的合作者对贝氏体概念 的应用非常谨慎，认为是没有名字的黑色腐蚀，针状聚合体，有时类似于马氏体。 1 9 3 9 年，m e h l 把在高温区域和低温区域的贝氏体随后分别被命名为上贝氏 内鼙古科技大学硕士学位论文 体和下贝氏体。这个术语被沿用至今但当时对于贝氏伴的本质和转变机制尚未深 入研究m 。 图l 共析铜中的显微组织“1 ( a ) 7 2 0 c 形成的珠光体( b ) 2 9 0 c 等温转变观察到的贝氏体( c ) 1 8 0 c 等温转变观察到 的贝氏体棚) 马氏件 f i glm i c f o s u n m 镐i n 8 e u t e c t o i d s t e e l ： ( a ) p e a r l i t e f o r m e d a t7 2 0 c ，b a i a i t e o b t a i n e d b y i s o t h e r m a l t r a n s f o r m a t i o n a t 2 9 0 c ；( c ) b a i n i t e o b t a i n e d b y i s o t h e r m a l t r a m f o r r i 删o n n l 8 0 ( 2 ；m 砷曲n 蛆k 1 2 贝氏体的性能和应用 由于贝氏体本身具有良好的强度和韧性，贝氏体钢也具有了优异的综合力学 性能，尽管贝氏体研究还存在诸多分歧，但贝氏体以其组织结构、处理工艺简单、 高韧性等优越性和扎实的基础研究而得以不断扩大应用，这也促进了贝氏体钢的 发展和应用。贝氏体钢是世纪的新钢种之一。按碳含量分为低碳贝氏体钢、中碳 贝氏体钢和高碳皿氏体钢。低碳贝氏体钢既可满足高韧性调质件的使用要求，也 内蒙古科技大学硕士学位论文 可用于需焊接的工程构件和其他汽车零件比如汽车前轴、连杆等。中高碳贝氏体 钢合金成分比较简单，成本低，节约能源，同时具有高的硬度，该钢已在塑料和 橡胶模具、电厂和矿山耐磨钢球、衬板、截齿等产品上使用，而且贝氏体钢也在 航空上得到应用【1 0 - 1 3 1 。 1 2 1 低碳贝氏体钢 工程机械制造、架设桥梁、造船、车辆制造、航空等领域广泛地使用着各种 规格的钢板。由于服役条件及焊接工艺的限制，这类用途的钢板不仅要求材料具 有足够的强度和塑性，而且还要求具备一定的低温韧性和优良的焊接性能，以适 应野外作业和制造工艺的要求【1 0 , 1 4 】。低碳贝氏体钢正是为满足这一需求而研发 的，已广泛应用于桥梁、建筑、车辆、水轮机壳体、舰船、飞机构件及其它紧固 件、轴类件等方面，超高强度的低碳贝氏体钢还将满足这些构件的减重要求。 2 0 世纪5 0 年代，英国人p b p i c k e r i n g 掣b j 发明了m o b 系空冷贝氏体钢。 m o 与b 的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。由于 生产成本较高，因此该钢种的发展受到一定限制。 日本东京钢公司【1 6 】研制了低碳含v 贝氏体非调质钢，该钢锻后空冷得到以 贝氏体为主及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到8 0 0 , - , 1 0 0 0 m p a ， 室温冲击韧性为5 0 j c m 2 ，而一4 0 。c 的冲击韧性仍高达4 0 j c m 2 。日本新日铁公司 在贝氏体非调质钢的研究开发中多添加微合金化元素，这类钢在很宽的冷却速度 范围内都可获得贝氏体组织，并可获得更好的低温性能，适合于强度高、韧性好 的汽车行走系部件。 e g = c a b a l l e l o 等【l 7 】在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了f e 0 2 c 2 s i 3 m n 和f e o 4 c 2 s i - 4 n i 两种钢成分。研究发现：f e 0 2 c 一2 s i 3 m n 贝氏体钢表现出良 好的断裂韧性，强度可以达到1 3 7 5 1 4 4 0 m p a ；而增加碳含量，即f e - 0 4 c - 2 s i - 4 n i 成分的贝氏体钢强度可达1 5 0 0 - , 1 8 4 0 m p a ，其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强 度马氏体钢，这两种钢均需回火处理。美国联邦铁路管理局与t u s k e g e e 大学联 合开发的低碳贝氏体钢轨钢【1 8 】，其极限强度、屈服强度、延伸率分别为1 5 0 0 m p a 、 1 1 0 0 m p a 和1 3 ，比相同条件下的珠光体钢性能要高，且具有良好的断裂韧性 ( k i 。= 1 5 0 m p am 2 ) ，其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性的1 5 倍。 低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到工程界的注意，逐步得以 推广应用。在此基础上发展了超低碳的控轧控冷贝氏体钢( u l c b 钢，含碳量小 于0 0 5 ) 。m c e v i l y 于1 9 6 7 年研制出采用m n 、m o 、n i 、n b 合金化的u l c b 钢，经热机械控制( t m c p ) 处理后，屈服强度达到7 0 0 m p a ，且具有良好的低 内蒙古科技大学硕士学位论文 温韧性和焊接性能。日本钢铁公司研制了x 7 0 和x 8 0 超低碳控轧贝氏体钢，其 屈服强度高于5 0 0 m p a ，脆性转变温度( f a t t ) 小于8 0 ，它既可以作为低温 管线钢，也可作为舰艇系列用钢。d e a r d o 等【l 引开发出u l c b 1 0 0 型超低碳贝氏 体中厚钢板( 含碳量低于o 0 3 ) ，通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强 化、弥散强化与位错强化的综合作用。该钢种以8 0 累积变形量进行精轧并随后 空冷，其屈服强度可高达7 0 0 m p a ，且f a t t 可提高到5 0 。巴西学者【2 0 ，2 1 】通过 模拟高强低合金贝氏体钢的控轧控冷工艺过程，研究了控轧控冷工艺参数对其微 观组织和力学性能的影响，发现轧制后冷却速率与终轧温度是主要的控制工艺参 数。波兰学剖2 2 】研究了在热轧、淬火及回火加工条件下超低碳贝氏体钢的微观 组织与力学性能，研究表明可以获得屈服强度大于6 5 0 m p a 、低温冲击性能为2 0 0 j ( 2 1 3 k ) 的应用于造船、海上石油钻采平台、压力容器及高性能结构部件的超 低碳贝氏体钢板。 国内高强度钢的发展大约比国外落后数十年，目前我国鞍钢、武钢、舞钢、 济钢和宝钢等企业均生产过低碳贝氏体钢板。总体上讲，国内钢铁企业基本上是 跟踪国外的技术，采用与国外类似的合金化体系，技术上主要采用微合金化和控 轧控冷技术。 近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高，除了具有高强度外， 还要具有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。目前世界上许多国家都利用( 超) 低碳的控轧控冷贝氏体钢生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌 的低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等。 1 2 2 中高碳贝氏体钢 1 2 2 1 贝氏体非调质钢 目前尽管调质钢在工业上应用很广，但也存在两大问题。一是调质工艺较复 杂，淬火加高温回火，所用热处理费用较高，并有氧化脱碳、变形及裂纹等淬火 缺陷。另一个是淬透性问题，如4 5 钢截面为1 0 1 5 m m ，4 0 c r 钢为3 0 m m ， 4 0 c r n i m o 钢为6 0 。1 0 0 m m ，其淬透性随合金元素含量的增加而增大。若不能满 足淬透性要求，则达不到调质的作用。所以希望能研制出一种新材料，既能通过 一种简单的工艺达到目前调质钢的性能要求，且合金元素少，成分简单的钢，这 就是非调质钢。 贝氏体非调质钢是2 0 世纪7 0 年代首先由德国森特钢铁公司开发成功的，是 在中低碳钢中添加廉价经济性微合金元素。在国外为降低成本，在制造大型l n g 和l p g 贮罐和运输船等都采用非调质处理钢。由于低碳贝氏体非调质钢具有较 内蒙古科技大学硕士学位论文 高的综合性能，尤其在低温下具有较高的韧性，因而在机械、汽车等含行业得到 了广泛的应用【2 引。汽车工业发达的日本，非调质钢应用最为多见，日本新日铁 公司在贝氏体非调质钢的研究中采用低温轧制和n b 、v 析出强化相结合，开发 出强度高、韧性好、低温性能良好的汽车部件【2 4 】。川琦铁业公司开发出非调质 低碳贝氏体型厚钢板；国内1 9 9 9 年武汉钢铁公司开始开发板厚1 2 m m 3 0 m m ， 抗拉强度达5 9 0 m p a 和6 8 5 m p a 级别的低碳、超低碳贝氏体结构板；近年来，唐 山贝氏体钢总厂开发研制出非调质贝氏体汽车前桥钢、非调质贝氏体钢、铁素体 珠光体非调质钢等多系列贝氏体非调质钢品种；济南钢铁公司开发出一种新型贝 氏体非调质钢，采用廉价的合金代替n i 、m o 等高价元素不经过淬火回火等热处 理工艺使钢板热成型后空冷自硬，目前应用良好。贝氏体钢汽车前轴台架疲劳寿 命与原用材料相比明显提高。 1 2 2 2 贝氏体耐磨钢球 磨球是广泛应用于矿山、冶金、电力、建材和化工等行业的重要易耗件，仅 国内年耗量就高达1 0 0 万吨左右，国际市场容量在5 0 0 万吨以上，其巨额消耗引 起人们高度重视。如何降低磨耗和破碎率，一直是国内外研究的热点之一。国内 外广泛应用的磨球材料有高碳低合金钢球和低铬、中铬及高铬铸铁球、中碳合金 铸铁球、挤压球等，但均未能很好地解决磨球硬度与韧性、磨球淬透性与合金元 素含量这两对矛盾【2 5 】。通常是硬度高而韧性差，破碎率高，合金元素量多使淬 透性提高，但成本增加。 1 2 2 3 贝氏体弹簧钢 弹簧要求有高的疲劳极限和屈服强度极限，并有足够的淬透性及强韧性配 合。常用的有6 0 s i 2 m n 钢，它具有较高的强度极限( o 它1 3 0 0 m p a ) 和屈服极限 ( o 之1 2 0 0 m p a ) 。但淬透性较低，油淬时，可制造厚1 0 - 1 2 m m 的板簧和q 2 0 - q 2 5 m m 的圆簧。这样，限制了它在更高负荷下使用。淬透性较大的有5 5 s i m n m o v 等钢 种，但由于钼、钒等贵重元素的加入，使成本显著提高。 贝氏体弹簧钢利用空冷自硬和空冷淬透性高的特点，在保证高性能的前提 下，同时简化工艺。与现有弹簧钢相比，具有以下特点：性能有显著提高。新 型贝氏体钢空冷即得到贝氏体和马氏体复相组织，从而得到很好的性能， o 它1 4 0 0 m p a ，砼1 3 0 0 m p a 。且塑韧性也比6 0 s i 2 m n 钢提高。冲击韧度a k 可达 4 5 j e r a 2 ，而6 0 s i 2 m n 钢仅为2 5 j e r a 2 。淬透性比6 0 s i 2 m n 钢显著提高，可制 造尺寸为p 3 0 m m 9 4 0 m m 的圆簧或厚2 0 4 0 m m 板簧。弹簧( 如弹簧扁钢) 生 内蒙古科技大学硕十学位论文 产线可以和热轧生产线相结合，其工艺路线与传统弹簧钢的工艺路线比较省去了 淬火工艺，从而大幅度降低成本【2 6 1 。 1 2 2 4 建筑用贝氏体高强度级钢筋 建筑用钢筋用量很大，若稍有改进，即可带来很大效益。钢筋按强度级别分 4 级。现有钢筋提高强度的途径是不断地增加钢中的碳量，但它带来后果是塑性 不断降低，焊接性能不断恶化。针对上述问题，目前正在发展空冷贝氏体钢筋用 钢，它采用廉价的锰和微量硼进行合金化，含碳量低，成本很低，热轧后空冷不 仅强度高于现有较高质量水平级钢筋，同时提高焊接性能，而且塑性也显著改 善。主要优点如下：强度高：c b _ 9 0 0 m p a ，o 之7 0 0 m p a ；塑性好：赴1 2 ； 焊接性能优良，闪光对焊后，拉断时断于母材，强度极限高于9 0 0 m p a 。 其他类型的贝氏体钢，如铁路道俞高强度、超强度高韧可焊贝氏体钢，现在 国内也有不同程度的开发和广泛的应用【2 7 2 9 1 。其优良的性能促使了贝氏体钢在 工业生产中的广泛应用，但其性能来源其组织结构，在开发新的贝氏体钢同时， 贝氏体钢组织结构的研究又重燃了上世纪中期被马氏体相变机理研究冲淡了的 贝氏体相变机理研究的热情。 1 3 贝氏体相变机制的研究 在贝氏体组织被发现之后不久，研究者根据贝茵等人的等温实验，发明了以 1 r r 图方式描绘动力学数据方法【2 1 。 而贝氏体转变发生在t t t 图的中温区，在中温区扩散和切变反应都可以发 生，这样使得贝氏体相变比珠光体和马氏体相变更为复杂【1 1 4 , 2 6 , 3 3 3 9 。 1 3 1 相变机制的必要性和迫切性 在贝茵发现贝氏体之后，研究者就借用马氏体的早先发现的研究方法对贝氏 体进行了研究。 1 9 4 0 年，g r e n i n g e r 和t r o i a n o 发现贝氏体存在惯习面，它的改变是温度的 函数，不同于同种钢的马氏体惯习面。 1 9 4 4 年，k l i e r 和l y m a n 发现贝氏体转变的不完全性。贝氏体转变的最大体 积分数随温度的降低而增加，在任何温度的研究都没有完全转变的奥氏体发生完 全分解为贝氏体。也就是贝氏体转变存在和马氏体转变相似的特性转变不完 全性。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 9 4 4 年，k l i e r 和l y m a n 又提出对于预先进行贝氏体转变的奥氏体，变的不 稳定，并分为富碳区和贫碳区。当然，这个观点1 9 6 6 年被a a r o n s o n 用热力学在 f e c 奥氏体固溶体中证明，不能自然地分为富碳区和贫碳斟2 吲。 之前，人们就贝氏体的物理本质进行了一定的实验和推测。但，就贝氏体同 珠光体和马氏体的区别和联系进行了实验研究和理论推论，总体上认为贝氏体是 马氏体转变的特例或马氏体转变的自回火组织。随着贝氏体相变研究的积累和贝 氏体钢在工业生产中的大量应用，贝氏体相变机制的研究有了一定的实验积累， 一些实验事实是该理论无法解释的，如贝氏体的转变速度，位错密度等，这也促 使了转变机制研究的进一步活跃。 1 3 2 切变观点和扩散观点的产生 1 9 5 2 年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者s a c o t t r e l l 第一次对贝 氏体相变的本质进行了研究。发现在预先抛光的样品表面，经贝氏体转变时，产 生了表面浮凸效应。表面浮凸现象是在对马氏体相变研究时发现的，而当时理论 界普遍认为不能进行扩散式相变的马氏体，因其表面浮凸特征，提出了马氏体相 变切变模型和切变理论，如贝茵切变模型。因此贝氏体相变研究者以此实验现象 为依据，开拓性地提出了贝氏体相变机制类似于马氏体相变的切变机制。认为铁 原子和代位原子是无扩散的切变，而间隙溶质原子是有扩散的。这种学说被许多 学者所继承，形成“切变学派”，被后来的学者继承并发展【1 1 4 , 2 6 , 3 3 - 3 9 。 2 0 世纪6 0 年代末，美国冶金学家h i a a r o n s o n 及其合作者从能量上否定贝 氏体转变的切变可能性。认为：在贝氏体转变温度区间，相变驱动力不能满足切 变所需要的能量水平。他们还认为，贝氏体转变是共析转变的变种。这个学说被 我国金属学家徐祖耀及h i a a r o n s o n 的学生们所继承和发展，称为“扩散学派”。 徐祖耀院士等学者在其著作中系统地阐明了这种观点m 1 4 , 2 6 , 3 3 3 9 。 1 3 3 切变观点和扩散观点的论争 在上世纪7 0 年代关于贝氏体相变的第一次大讨论，以扩散学派为代表的 a a r o n s o n 和k i n s m a n 与以切变学派为代表的h e h e m a n n 经过针锋相对的辩论，并 共同署名发表了“关于贝氏体相变的学术论争一文。从此，引发了近半个世纪 的切变和扩散学派关于贝氏体相变机制的学术论争【2 6 5 , 7 2 7 5 】。讨论的焦点或论争 的症结不外乎以下几点1 7 叫： 1 3 3 1 贝氏体定义 内蒙古科技大学硕士学位论文 扩散型相变和无扩散型相变温度区之间，使得贝氏体相变产物组织形态的多 样化和贝氏体相变本质的认识复杂化。以致至今对“贝氏体相变 还没有公认的 科学的定义，随着对贝氏体组织结构的大量观察和研究和各学派的激烈论争，关 于贝氏体的定义也在不断改进和完善，同时也造成了贝氏体定义在材料学中认识 的混乱【h 1 ，如在各个材料相关刊物“b a i n i t ei sd e f i n e da sa n yn o n l a m e l l a re u t e t o i d ( f e r r i t e + c a r b i d e ) d e c o m p o s i t i o np r o d u c t 和“贝氏体是铁素体和碳化物的非片层 状混合组织。 【n 3 2 】。所以必须在总结大量的实验事实基础之上，尽量找到贝氏 体相变的普遍规律，从而对贝氏体相变机制有进一步的认识，达到知理知源。 1 3 3 2 关于贝氏体相变动力学特点 相变是一个有高能量状态到低能量状态的转变过程。而初态能量的高低以及 相变过程中各状态( g p 区、晶胚、晶核、晶胞和相以及相中的珠光体、贝氏体 和马氏体等各相念) 的能量状态( 能态) 是发生某种状态改变或相变的根本性原 因。在转变过程中还涉及到转变时间也就是从某种能态到下一个能态所用的时间 和转化这两个能态的能量差所需的时间，而1 盯图就是反映相转变过程中能量 转化和转变时间的。对于贝氏体相变的b s 点是否能说明贝氏体相变的独立性和 相变过程的整体相关性。 切变学派认为与马氏体相变m s 点类似，贝氏体相变也存在一个b s 点；贝 氏体相变有独立于珠光体的t t t 曲线。h e h e m a n n 及b h a d e s h i a 等则认为，河湾 区的存在表明贝氏体有自己独立的c 曲线，标志着贝氏体有不同于珠光体转变 的相变机制。他们引用k e n o n 绘出的c 曲线，认为即使f e c 二元合金贝氏体也 具有独自的c 曲线。对此，a a r o n s o n 认为贝氏体并无独自的c 曲线，只因m o 的存在对相界面的迁移产生了“溶质类拖曳作用”，才使c 曲线右移，且曲线上 的河湾对应着在该温度区间类拖曳作用最为强烈。a a r o n s o n 等扩散控制长大学 派认为贝氏体铁素体板条以台阶方式长大。台阶的宽面为半共格界面，端部则为 无序的非共格界面，它的长大速率受伽界面丫一侧碳向远离界面的 r 内扩散快 慢的控制。沿台阶伸长以及新台阶的形成与长大使得贝氏体板条增厚。h e h e m a n n 和b h a d e s h i a 等切变机制学派认为贝氏体的长大系重复以切变方式形成板条亚单 元的结果，所以贝氏体长大动力学决定于这种板条亚单元的形成速率p 川。 与上述问题密切相关的是所谓贝氏体转变的不完全现象，即海湾的深度发展 到使珠光体和贝氏体的c 曲线完全分离的状况。切变学派h e h e m a n n 对贝氏体相 变的不完全现象作了如下描述：在某些合金钢中，出现珠光体c 曲线和贝氏体c 曲线完全分开的双c 形的1 r r 曲线形态。在两条c 曲线分开的温度区间等温， 内蒙古科技大学硕士学位论文 过冷奥氏体完全不发生转变，定义为1 0 0 的转变不完全度，转变量等于零。在 这个温度区的下限最高温度，定义为b s 温度。在b s 温度以下的一定温度范围， 存在着一个贝氏体转变不完全区，等温转变到一定程度后，转变停止。贝氏体相 变的不完全度，随着等温温度的降低而减小。这个现象类似于变温马氏体的动力 学特点。因此，被切变学派作为推论贝氏体相变属于马氏体切变型相变的重要动 力学特征。与此相反，扩散学派则认为所谓转变不完全，仅仅是等温时间不够长 而没有观察到转变的完成，是转变的暂时阻滞，而不是终止，扩散学派徐启昆等 从f e c m o 合金的中温转变动力学的研究结果为此提供了实验证据：合金在b s 点以下温度等温6 到7 2 h 范围内，贝氏体铁素体相的生长受到阻滞，转变几乎停 止，继续等温，转变又继续进行，直到完成。初期的碳化物为m 0 2 c ，而转变阻 滞后又进行的粒状共析体的碳化物为m o 的合金渗碳体。因为是在b s 点以下等 温，扩散学派认为没有理由把这种粒状共析产物排除在贝氏体家族之外。 1 3 3 3 关于贝氏体相变的机制 固态相变机制可分为两大基本类型，即： ( 1 ) 扩散型相变。晶体点阵的改组是通过单个原子的长程扩散或短程扩散 的位移方式实现的，被称为“平民式 ( c i v i l i a n ) 相变，例如：过饱拟团溶体的 分解、共析分解、多晶型转变、块形转变、有序无序转变等。 ( 2 ) 无扩散型相变。晶体点陈的改组是通过整组原子的滑移切变或孪生切 变的集体位移方式进行，故称为“军队式 ( m i l i t a r y ) 相变。马氏体相变就是一 个典型例子【3 9 ，2 5 j 4 1 。 贝氏体相变理论两大学派的论争焦点，简单的说，就是贝氏体相变在本质上 是属于哪种机制的相变。切变学派的主要根据是【3 - - 9 , 2 5 , 3 4 】： ( 1 ) 在形貌学上与马氏体相似： ( 2 ) 在预先先抛光表面的针状浮凸现象与马氏体相似； ( 3 ) 与母相的晶体学关系上与马氏体相近： ( 4 ) 在动力学上近似于等温马氏体；在动力学b s 点以下有类似于变温马氏 体在m s 点以下的所谓转变不完全现象”； ( 5 ) 在热力学上，如果在贝氏体预转变期形成富碳和贫碳区，则贝氏体相 变的驱动力可以处理为近似于板条马氏体的驱动力。 扩散学派的主要根据是【3 9 , 3 5 , 4 8 】： ( 1 ) 用改进了的k a u f m a n r a d c l i f i e c o h e n ( k r c ) 模型对f e c 、f e x c 、 c u z n 合金贝氏体相变驱动力计算结果表明，在热力学上判断，贝氏体不可能以 内蒙古科技大学硕士学位论文 切变机制形成( 注：此模型假设奥氏体的成分是均匀的，不承认有切变学派所说 的贫碳区和富碳区的存在) ； ( 2 ) 与母相的晶体学关系上，很多合金的贝氏体惯习面与同一合金中马氏 体的惯习面不同； ( 3 ) 在贝氏体宽面( 惯习面) 上存在巨型台阶，以及贝氏体长大界面为非 共格弯曲面。说明贝氏体很可能按扩散台阶机制长大； ( 4 ) 由于m s 与奥氏体在该温度时的屈服强度成线性关系是切变型相变的 一个特征，但是动力学b s 点与奥氏体在该温度时的屈服强度并不成线性关系； 而b s 点却与碳和f e 在奥氏体中的扩散系数成线性关系。因此，至少在b s 与鼻 部温度之间，贝氏体相变的开始受f e 原子扩散的控制； ( 5 ) 贝氏体的表面浮凸现象不同于马氏体的表面浮凸现象，只是一种体积 变化效应。不具备切变所要求的不变平面应变的性质。扩散台阶机制也可以有表 面浮凸现象1 7 叫。 1 3 4 论争的意义 现存的贝氏体相变扩散机制和切变机制都无法反映连续冷却过程中贝氏体 相变的全貌。固态相变是一个复杂的系统，相变过程具既有连惯性也有跃迁性。 但，在论争的同时各学派进行大量的实验验证和分析，以支持各自的观点，这使 得各观点得到一定的发展。 同时，在论争中，使得贝氏体相变的特征和本质被逐渐发现，使得各学派在 某些方面达成了共识，也得到一些公认的实验事实： ( 1 ) 无变化平面应变的表面浮凸可以由台阶长大机制形成，因此具有无变 化平面应变的表面浮凸不能作为切变相变的证据，但是帐篷型的表面浮凸只能由 扩散控制台阶长大机制形成。因此，贝氏体相变中肯定有扩散存在； ( 2 ) n e m o t o 仅仅在贝氏体相变的高温区观察到超台阶； ( 3 ) 徐祖耀证明在贝氏体的c 曲线在b s 到鼻温之间贝氏体相变是扩散机 制； ( 4 ) o h t a n i 和o h m o r i 把上贝氏体分成b i ，b i i ，b i l l ，显示了在贝氏体相 变的高温区域中可能存在着不同的相变机制； ( 5 ) 贝氏体相变时最少需要一种原子的长程扩削7 - - 9 , 3 6 1 。 1 4 切变和扩散观点的发展 上世纪中叶以来，物理冶金学、金属材料学和边缘学科金属物理学等学科都 - 1 0 内蒙古科技大学硕士学位论文 取得了巨大进展。以及探索材料内在结构奥秘新一代的仪器设备得到广泛的开拓 应用。其中主要包括薄膜透射电子显微镜、x 射线和高温金相显微镜等显微技术， 在物理冶金学上的推广使用，为探求金属材料组织结构变化机制提供了不可或缺 的优异的硬件条件。在贝氏体相变研究领域内，也促使了切变和扩散学派的进一 步论争。 1 4 1 切变学派形核的观点 以康沫狂为代表的切变学派贝氏体相变研究组，在贝氏体相变的形核领域的 研究取得了良好的进展：他们在总结以往切变学派研究的理论成果和实验事实基 础上首次将m o n t e c a r l o ( 蒙特卡罗) 方法应用于贝氏体相变形成机制的研究。 模拟了f e c 合金中贝氏体的预相变过程及临界形核条件，在大量的实验的基础 上，提出了预相变等概念，认为在预贝氏体期内保温( 或时效) 过程中，用t e m 和能( 或俄歇) 谱仪或内耗仪等进行实验测定和理论分析，证实了溶质原子扩散 偏聚会形成溶质原子的贫富微区，贫溶质微区最低成分为m s 点，其温度等于或 高于等温温度，于是贝氏体将以马氏体样切变形核。故贝氏体是在溶质原子扩散 控制下贫溶质微区内以马氏体样切变形核。在预贝氏体期内保温( 或时效) 过程 中，溶质原子在晶界处富化程度高，而在其临近区域常为贫化微区( 形核位置 【3 7 】) ，表明晶体缺陷能使溶质原子发生扩散偏聚。已证明铁合金中位错可吸收大 量杂质( c ，n ) 而形成c o t t r e l l 气团。固溶化后等温淬火( 或时效) 时既可保留 高温时的缺陷，又能增加新缺陷【37 | ，贝氏体相变前沿是一列滑动位错，并且从 而晶内有大量缺陷存在，为溶质扩散创造了条件，形成了贝氏体相变是无变化平 面应变【3 8 】。贝氏体相变前沿是共格或者半共格的界面，而晶界两侧