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中低碳钢贝氏体形核长大动力学研究 摘要 钢中贝氏体相变的温度范围较宽，可形成广泛形貌的贝氏体组 织。深入了解贝氏体相变机制对钢种研制有指导性意义。本文采用了 具有较广泛适用性的微观组织定义，研究符合该定义的微观组织的形 成机制。 基于b o l t z m a n n 分布，应用c o t t r e l l 基本位错理论，推导出更为 精确的计算刃型位错处可富集碳原子个数的公式。计算了奥氏体中单 个和多个刃型位错处富集的碳原子个数，其随等温温度降低和奥氏体 中碳浓度增加而增加。 建立了描述刃型位错处富集碳原子个数及其周围贫碳区半径随 时间变化关系的模型。计算了贝氏体预相交期间，碳原子向位错处富 集过程和贝氏体的孕育期，理论值与实验值吻合较好。通过比较刃型 位错附近的贫碳区半径和切变形核的临界半径，并分析了等温温度、 界面能、位错形态、应变能等影响因素，发现温度较低时，下贝氏体 可能切变形核，温度较高时，切变形核几乎不可能。 分析了热力学和动力学参数，用z e n e r - h i l l e r t 和b o s z e t r i v e d i 公 式，计算了合金含量不同的钢的贝氏体铁素体长大速度。f e c 合金 的贝氏体铁素体长大速度符合z e n e r - h i l l e r t 公式，合金含量较低的钢 的实验值略低于理论值，f c c - 8 7 n iw t 的贝氏体铁素体长大速度比 理论值约慢2 个数量级。扩散控制动力学方程可描述部分而非全部钢 1 种的贝氏体铁素体长大速度。通过对界面条件和溶质拖曳效应等因素 的分析，提出贝氏体相变机制可能与成分相关。 ， 基于贝氏体相变的切变机制，改进了最大形核驱动力和自催化因 子的计算方法，建立了描述贝氏体体积分数随时间变化的模型。理论 值和实验结果吻合较好。根据切变理论获得的最大贝氏体体积分数在 较高温度时与实验值有较大偏差。提出贝氏体相变可能与温度相关。 研究了n b 含量不同对贝氏体相变的影响。在3 0 c s 和2 0 s 冷 却时，含量从0 0 1w t 增加到0 2w t ，会使曰。点升高约2 0 。c ， 但是对口，的影响不明显；连续冷却过程中，先形成粗大的贝氏体铁 素体片层，后继形成的贝氏体铁素体片层逐渐变细；n b 的碳化物的 形成可能与n b 的扩散相关。实验用钢在3 0 s 和2 0 s 连续冷却时， 贝氏体的形成可用扩散机制较好地解释。 通过分析成分和温度对贝氏体相变的影响，提出一个可能的相变 机制：如果钢中的合金元素含量较低，在较高温度等温，贝氏体可能 以扩散方式形成，随着温度的降低，贝氏体以切变方式形成；如果钢 中的合金元素含量很高，温度较高时，由于合金元素的溶质拖曳效应， 可能难以通过扩散方式形成贝氏体组织，等温温度较低时，贝氏体可 能以切变方式形成。 关键词贝氏体相变，形核，长大，动力学，扩散，切变 o nn u c l e a n o na n dg r o w t hk i n 脚c s o fb a i n i t et r a n s f o r 嘲o no fl o w a n dm e d i u mc a r b o ns t e e l s b a l n i t ec a nb ef o r m e da tw i d er a n g eo ft e m p e r a t u r ei ns t e e l sw i t hv a r i o u s m i c r o s t m c t u r e s ad e e pu n d e r s t a n d i n go ft h eb a i n i t ct r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mi s n e c e s s a r yf o rt h ed e v e l o p m e n to fn o v e ls t e e l s b u s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t e d d e f i n i t i o na b o u tb a i n i t e ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h et r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h e p r o d u c t sa c c o r d i n gw i t ht h eg e n e r a lm i c r o s t m c t u r ed e f i n i t i o no f b a i n i t e b a s e do nb o l t z m a n nd i s t r i b u t i o na n dd i s l o c a t i o nt h e o r yp r o p o s e db yc o t t r e l l ，a l l e x a c tf o r m u l aw a sd e r i v e df o rc a l c u l a t i n gt h ec a r b o na t o m sn u m b e ra g g r e g a t i n ga t e d g ed i s l o c a t i o n s ，w h i c hi n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gi s o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n d i n c r e a s i n gc a r b o nc o n c e n t r a t i o n am o d e lw a sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a r b o na t o m s d r i f t i n gt oe d g ed i s l o c a t i o n sa n di s o t h e r m a lh o l d i n gt i m e f u r t h e r m o r e ，t h er a d i u so f c a r b o nd e p l e t e dz o n ea r o u n de d g ed i s l o c a t i o nw a so b t a i n e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l t so f a g g r e g a t i o np r o c e s so fc a r b o na t o m st oe d g ed i s l o c a t i o n sa n db a i n i t ei n c u b a t i o nt i m e a l ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a b yc o m p a r i n gt h er a d i u so fc a r b o nd e p l e t e d z o n ew i t hc r i t i c a lr a d i u so fd i s p l a c i v en u c l e u sa n d c o n s i d e r i n gt h ei s o t h e r m a lh o l d i n g t e m p e r a t u r e ，i n t e f f a c i a le n e r g y , d i s l o c a t i o nm o r p h o l o g ya n ds t o r e de n e r g ye t c ，i ti s f o u n dt h a tl o w e rb a i n i t ed i s p l a c i v en u c l e a t i o np r o b a b l yo c c u r sa tl o w e rt e m p e r a t u r e r a t h e rt h a na th i g h e rt e m p e r a t u r e t h eg r o w t hr a t e so fb a i n i t i cf e r d t ei ns t e e l sw i t hv a r y i n ga l l o yc o n c e n t r a t i o n w e r ec a l c u l a t e db yz e n e r - h i l l e r ta n db o s z e - t r i v e d ie q u a t i o n sa f t e rr e e v a l u a t i n gt h e t h e r m o d y n a m i ca n dk i n e t i cp a r a m e t e r s ，ag o o da g r e e m e n tb e t w e e ne x p e r i m e n t a la n d l t h e o r e t i c a lr e s u l t sw a sf o u n di nf e ca n o y as l i g h to v e r e s t i m a t eo ft h et h e o r e t i c a l r e s u l t sw a so b s e r v e di nm e d i u ma l l o y e ds t e e l s h o w e v e r , t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r e t w oo r d e r sl o w e rt h a nt h e o r e t i c a lo n e si nf e - c - 8 7 n iw t a l l o y s t a k i n gt h ei n t e r f a c e c o n d i t i o n ，s u p e r s a t u r a t i o na n ds o l u t ed r a ge f f e c ti n t oa c c o u n t ，i ti ss u g g e s t e dt h a tt h e b a i n i t et r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m m a yb er e l a t e dt os t e e lc o m p o s i t i o n ak i n e t i cm o d e lb a s e do nd i s p l a c i v em e c h a n i s mw a sp r o p o s e da f t e rm o d i f y i n g t h em a x i m u mn u c l e a t i o nd r i v i n gf o r c ea n d a u t o c a t a l y s i s n u c l e a t i o nf a c t o r a s a t i s f a c t o r ya g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t ai n d i c a t e st h a tt h em o d e li sc a p a b l eo f r e p r e s e n t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef o r m a t i o no fb a l n i t ea n di s o t h e r m a lh o l d i n g t i m e i tw a sf o u n dt h a tt h ed e v i a t i o no ft h et h e o r e t i c a lm a x i m u mb a i n i t ef r a c t i o na n d t h ee x p e r i m e n t a lo n e si sl a r g ea th i 【g h c rt e m p e r a t u r e i ti s i m p l i e dt h a tt h eb a i n i t e t r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m m a y b ea s s o c i a t e dw i t ht r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e t h ee f f e c t so fn bc o n t e n to nt h eb a i n i t et r a n s f o 彻a t i o nw e r es t u d i e d i ti ss h o w n t h a t 皿i si n c r e a s e da b o u t2 0 cw i t hc o o l i n gr a t e so f3 0 sa n d2 0 sw h e nt h en b c o n t e n ti sr a i s e df r o m0 0 1t o0 2w t n os i g n i f i c a n te f f e c to fn bc o n t e n to n 曰，w a s o b s e r v e d u p o nc o n t i n u o u sc o o l i n gt h ec o a r s e rb a i n i t i cf e r r i t ep l a t e sa r ef o r m e d , f o l l o w e db yt h ef o r m a t i o no ft h i n n e db a i n i t i cf e r r i t ep l a t e s t h ep r o c e s so ft h e f o r m a t i o no fn b cm a yc o n c e r nw i t ht h ed i f f u s i o n a lp r o c e s so fn b t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h eb a i n i t ef o r m a t i o ni sc o n c e r n e dw i t hd i f f a s i o n a lp r o c e s s c o u p l i n gt h eo b t a i n e dr e s u l t s ，ap o s s i b l em e c h a n i s mo fb a i n i t et r a n s f o r m a t i o n w a ss u g g e s t e d i ft h ec a r b o na n da l l o yc o n t e n ta r el o w , b a i n i t em a yb et r a n s f o r m e db y d i f f u s i o n a lp r o c e s s e sa th i g h e rt e m p e r a t u r e w i t hd e c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e ，b a i n i t e t r a n s f o r m a t i o nm a yp r o c e e db yd i s p l a e i v em e c h a n i s m i nt h ec a s eo fh i g h e rc a r b o n a n da l l o yc o n c e n t r a t i o n ，b a i n i t et r a n s f o r m a t i o nw o u l dn o tb ee x p e c t e db yd i f f u s i o n a l p r o c e s sd u et ot h es o l u t ed r a g h o w e v e r , b a i n i t em a yb et r a n s f o r m e dd i s p l a c i v e l ya t l o w e rt e m p e r a t u r er e s u l t i n gf r o ms u f f i c i e n td r i v i n gf o r c e k e yw o r d sb a i n i t et r a n s f o r m a t i o n ，n u c l e a t i o n ，g r o w t h ，k i n e t i c s , d i f f u s i o n a l ， d i s p l a c i v e 2 上海交通大学博士学位论文 符号说明 口 4 r a d 彳 4 ，4 ，以 b 日，色 b b tb r ，b 。 b ( ) 乞 气 c c p c 。 c g e c ， c r d d 珥 玩 见 e f e t j 磊 毛 t 。，f 8 ， 符号说明 长方形贝氏体片层的长度，m 奥氏体和铁素体的晶格常数，n m 与材料性质相关的参数 切变形核动力学公式中b h a d e s h i a ，r e e s 和本文的参数 奥氏体中刃型位错的柏氏矢量， n m 计算位错富集碳原子个数所用的参数 切变形核动力学公式中b h a d e s h i a ，r e e s 和本文的参数 台阶间距的函数 台阶阶面处溶质的平衡浓度 台阶阶面处溶质的实际浓度 台阶起始处溶质的浓度 析出相中溶质的浓度 基体中溶质的浓度 延伸片层长度与曲率半径之比 切变形核动力学公式中b h a d c s h i a 的参数 圆柱状体积中碳原子数目，m 4 恒压时纯铁热容，j ( m o l k ) 切变形核动力学公式中r e e s 的参数 溶质原子的扩散系数，m 2 厶 扩散系数中仅与温度相关的项 奥氏体中碳的扩散系数，m z 厶 体扩散系数，m 2 厶 界面扩散系数，m 2 厶 空位形成能，e v 在晶界k a t ：和( k + 1 ) f 之间，时间m a t 到( m + i ) a i 之间，新相 和与晶界距离为y 的平面相截的截面积的变化 碳原子在第i 个位置与位错的相互作用能， t o o l 位错和溶质原子的相互作用能，s m o l 位错和不同位置的溶质原子相互作用能之和，y m o t 口和口相片层的平均宽度与口和p 片层中心面之间的距离之比 溶质原子在缺陷处受到的吸引力 上海交通大学博士学位论文 符号说明 ， ) g i g g s 瓯 a g + a g c m a 瓯m 厶g = 。 g 鬣，g 茹 g 7 一 g 7 7 a o g a g k “ g 。g 8 呜 丸，k h 羔 a h ，a h a l lb l o i i j l 咖j ； k k k l ，& x 3 k 毛 工 台阶间距的函数 能级简并度 贝氏体铁素体长大速度，m * 统一形核函数，i m o l b h a d e s h i a 提出的贝氏体应变贮存能，m 硝 形核激活能，j m o t 激活成分和反应物之间与温度和成分无关的激活能，i m o l 相变的化学驱动力，j l m o l 相变的应变贮存能，j m o l 纯铁y a 相变驱动力，j m i d l 纯铁y a 相变自由能的磁性和非磁性部分，j t o o l 奥氏体向无应力铁素体转交的相交驱动力，j t o o l 先共析铁素体相变的相变驱动力，j t o o l 最大形核驱动力，j m o l 体积自由能的变化，j m 3 体积应变能，j m 3 溶质拖曳耗散的自由能，j m o l 口和卢的长大速度，咖 台阶的高度 a 和口相片层的高度 o k 时纯铁y 一口相变时的焓变， j m o t 奥氏体和铁素体的偏摩尔焓，j m o l 存在自催化效应的形核率，m 4 ，4 时间m a t 到f m + 1 ) a t 之间，贝氏体的单位面积的形核率，m 4 s 1 无自催化效应的形核率，r t l 。3 一 单位面积的形核率，m - 2 5 。1 无侧向扩散的扩散通量 卢在a y 相界的再形核率，n 1 4 s 。 波尔兹曼常数，1 3 8 1 x 1 0 - 2 a j k 与材料性质相关的常数 切变形核动力学中的参数，常数 a 中的溶质浓度与a v 界面内的溶质浓度之比 台阶延伸的速度，卅，s 位错线长度或界面迁移距离，m 2 上海交通大学博士学位论文 符号说明 铁索体排出的碳和进入奥氏体中的碳的物质的量 空位个数计算的指前因子 单个奥氏体晶格中的八面体的间隙位置 基体中和刃型位错处碳原子的体积浓度，肌。3 拄状体积中的八面体间隙数目 阿佛加德罗常数，6 0 2 2 x 1 0 ”m o l 。1 计算范围内的八面体间隙数目 能级处于；的粒子总数 单位长度刃型位错线上可富集的碳原子总数，小。 t 时间内单位长度刃型位错上富集的碳原子个数，m 4 空位的浓度 晶界的总面积，m 2 新相和与晶界相距为y 的平面相截的实际和扩展截面积，m 2 p e c l e t 数 刃型位错与溶质原子相互作用的应力分量之和 位错附近第f 个位置被占据的几率 位错核心半径，m 临界晶核半径，m 普适气体常数，8 3 1 4 ，( 槐耐k l 碳原子与位错核心的距离，m 基体原子和溶质原子的半径，r a t r i v e d i 针状析出动力学公式中p e c l e t 数的复杂函数 相邻口晶粒中心面之间的距离，m t f i v e d i 片状析出动力学公式中p e c l e t 数的复杂函数 空位形成熵，j j ( m o l k 1 o k 时纯铁y 一口相变时的熵变，u ( m o l k ) 奥氏体和铁素体的偏摩尔熵，u ( , n o l k ) 时间，s 绝对温度，k 合金元素使纯铁y a 相变自由能的磁性部分睇= 和非磁性 部分g _ ：= 在温度轴的偏移量 无应变贮存能和有应变贮存能奥氏体向同成分铁素体转化限制 贝氏体亚单元的体积，m 3 球形贝氏体亚单元的体积，m 3 3 m 一 协 坷 一 巧 一坂一虬虬_m咐qp岛露r r一晰s泐s雠而，r 州m心 上海交通大学博士学位论文符号说明 片状析出相的最大长大速度，m 厶 位错处引入溶质原子后造成的体积改变，m 3 溶质原子向位错漂移的速度，m , 系统的总体积，坍， 扩展体积，m ， t r i v e d i 公式中平面界面的延伸速度，m 5 界面控制条件下平面界面的延伸速度，州s 台阶端面的延伸速度，所厶 奥氏体的摩尔体积m o l m 3 v e ，k ，k贝氏体理论最大体积分数、实际体积分数和标准化体积分数 ，啄 贝氏体的实际体积和扩展体积，m 形 溶质原子和位错的相互作用能，j t o o l b奥氏体向同成分有应力铁素体转化的限制 x ”，x a 7 碳在r a 和a r 相界的浓度 9 x ”，9 x ” 碳在片状析出相尖端y 屈和a r 相界的浓度 石伊，x 加，x 筇溶质原子在r 3 、卢口和p 相界的浓度 置，石奥氏体中碳浓度 a yy 平面距离的增量，m a铁素体 a ，c o t t r e l l 常数 激活成分的活度系数 4 ；，4 ：碳在奥氏体和铁素体中的活度系数 。铁素体碳含量为时，碳的活度系数 。奥氏体碳含量为时，碳的活度系数 口乏，口羔 铁在奥氏体和铁素体中的活度系数 卢两相同时析出时析出相之一 风理想气体参数 岛自催化形核因子 y奥氏体 r 毛细常数 l切变形核动力学公式中的参数 l ( x ，y ) 台阶处的毛细常数 6 相界的厚度 0渗碳体 4 缸y圪k k 磁 上海交通大学博士学位论文 符号说明 6 i 九，九 k p 鳓 彰，彰肛，彰厅 吨吣q 。峨1 p ，p 。 p t 见 妒 o t ov ，oz q ，鼠 亭( t ) 矗， 1 0 r ，吃 刃型位错之间的夹角 溶质原子进入位错后引起的相对半径的变化 宏观体系中不同的能级 口和口相片层间平均距离 奥氏体( 0 0 2 ) 面之间的距离 奥氏体的剪切模量，g p a 界面动力学系数 组分a 在y 中、r c , 和口 界面处的自由能 组分口在，中、y 肛和a r 界面处的自由能 泊松率，0 3 片状析出相的曲率半径和临界曲率半径，坍 位错密度掰 间隙原子位簧密度 可进入位错的碳原子和位错之间的距离与位错核心半径之比 奥氏体铁素体的界面能，脚2 刃型位错在x ，y 和z 轴方向的应力分量 过饱和度 扩散系数中的参数 宏观体系中的微观状态数 奥氏体和铁素体中碳碳的相互作用能，j l m o l 5 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：匙叼新 日期：w 译溯，多e l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：起叼印劲 日期：m 7 年争月侈e t日期：、年月，日 沙强夕 | 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 钢铁的冶炼和生产是人类社会的巨大进步之一，其作为最具代表性的传统材 料已渗透到人类社会的各个领域。陶瓷材料、高分子材料和复合材料等新型材料 及信息产业化的发展并没有使钢铁成为夕阳产业。钢铁以其优越的强韧性能、良 好的加工性能以及低廉的生产成本成为社会生活的重要组成部分。 钢铁的强度范围很宽，如纯铁、低碳钢、中碳钢和高碳的钢琴丝的强度分别 为2 9 4 3 m p a 、2 0 0 2 5 0 m p a 、4 0 0 - - 5 0 0 m p a 和4 0 0 0 m p a 。在如此宽的强度范围 内，不同性能的钢被应用于汽车、电力、煤矿和国防等重要方面【。随着材料科 学技术的飞速发展，钢铁材料的主导地位受到其它新型材料的严峻挑战。钢铁工 业的发展迫切需要对产品质量进行精确控制，尽量减小产品性能的波动，降低生 产成本，增加钢铁材料的竞争能力。 冷却过程中的相交原理一直是钢铁研究的重点【2 】。钢在冷却过程中会形成铁 素体、珠光体、贝氏体和马氏体等产物，不同的组织形貌对钢材的最终性能有很 大影响。目前对贝氏体钢的研制是钢铁研究领域中的热点之一。国内学者康沫狂 f 3 l 、方鸿生1 4 1 、贺信莱和姚连登等、以及国外b h a d c s h i a 相变研究小组研s a j t 新 型高强贝氏体钢【5 , 6 1 。低温等温可制各强度超过2 5 g p a l 7 和硬度超过6 0 0 i - i v l 8 , 9 1 的新钢种。金相显微镜观察不能获得贝氏体组织形貌的细节，且贝氏体的形貌多 样化，是导致对贝氏体相变的研究相对滞后于铁素体、珠光体和马氏体相变的重 要因素。贝氏体相变机制在学术界还未获得统一认识。因此深入研究贝氏体的形 成机理对贝氏体钢的研制有重要的指导意义。 钢的1 r r 图中存在一个较宽的中间温度范围，在此温度范围内等温，既不 形成珠光体形貌的共析层状结构也不形成马氏体，而是形成细小的铁素体片层与 渗碳体颗粒的集合体。这些中间组织通常称为贝氏体，是e d g a rb a i n 在研究奥氏 体的等温分解时发现的。 研究贝氏体相变的国内学者主要有徐祖耀1 1 0 l 、俞德刚1 1 1 , 1 2 、柯俊1 1 3 1 、方鸿 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 生【4 l 、刘宗昌1 1 姗、康沫狂1 3 , 1 7 - 2 0 1 、李承基【2 1 】和刘世楷【2 2 l 等。国外学者有 h u l t g r e n ( 2 3 1 、a a r o n n f 2 4 l 、p u r d y 和h i l l e r t f 2 s l 、c h r i s t i a n l 2 5 1 及b h a d e s h i a z l l 及其 所在的剑桥大学相变研究组等。 对贝氏体相变的认识主要包括两种观点：扩散机制和切变机制。支持扩散机 制的学者认为在贝氏体相变温区，自由能对浓度的二阶偏导大于零，其无法以调 幅分解方式形成。徐祖耀i 篮1 发现在1 t 兀图中，口点与碳和铁原子的扩散系数相 关，在最和鼻温之间的孕育期可以用含有碳扩散系数的函数来描述；内耗研究1 2 9 表明贝氏体相变与珠光体相变类似而与马氏体不同。方鸿生f 3 0 1 发现贝氏体碳化物 在奥氏体贝氏体晶界形核并向奥氏体内长大。持切变机制观点的学者认为贝氏 体可以切变形核，并通过计算残余奥氏体中碳含量发现，其可用瓦线来表示f 3 1 1 ， 对贝氏体相变前沿合金元素原子和碳原子的观察发现碳原子可以在贝氏体和奥 氏体之间再分配而合金元素原子无法再分配【3 2 1 。上贝氏体碳化物由富碳奥氏体分 解形成，下贝氏体碳化物部分从过饱和铁素体中析出，部分由富碳奥氏体分解形 成。 t 除上述两种学派之外，还存在对贝氏体相变的其它认识。柯俊【1 3 】认为如果铁 素体共格长大过程受碳原子的扩散控制，则其产物称为贝氏体。p u r d y 和h i l l e r t 2 5 l 认为魏氏铁素体、上贝氏体、下贝氏体和板条马氏体是连续相变的产物，7 行以其 相变机制也应该是连续的。刘宗昌等认为贝氏体相变是介于珠光体和马氏体相变 之间的扩散和切交的整合机制。2 0 0 2 年持不同观点的学者以s c r i p t am a t e r i a l a 为 平创3 3 删，对贝氏体相变机制展开讨论。 深入研究贝氏体相变机制是建立贝氏体相变模型，并应用到实际生产的重要 环节。因此需对贝氏体形核、长大动力学以及合金元素对贝氏体相变的影响等方 面进一步研究，探讨可能的贝氏体相变机制，以期建立其相变模型。 1 2 贝氏体的定义及分类 明确贝氏体的定义是研究贝氏体的前提，也是分析其动力学及形成机制的首 要环节。不同学者给出的贝氏体定义差异较大。通过分析比较不同的贝氏体定义， 采取有较广泛适应性的定义。根据该定义，列举几种常见且易于分辨的贝氏体形 2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 貌。 1 2 1 贝氏体的定义 柯俊【1 3 】于1 9 5 2 年提出，贝氏体是切变的产物，但是受碳扩散控制。切变界 面移动的速度很快。但是在贝氏体相变时，切变界面的移动速度受到碳原予扩散 速度控制，其相变速度远小于马氏体。如果相变界面以切变方式运动，且切变过 程受碳扩散控制，该条件下生成的产物是贝氏体。 a a r o n s o n l 2 4 l 于1 9 9 0 年从微观结构、整体动力学和表面浮凸等方面研究了贝 氏体相变，并提出贝氏体的三种定义。微观结构定义认为贝氏体是奥氏体在共析 分解时，铁素体和碳化物非协同竞争长大形成的非层状结构。整体动力学定义认 为贝氏体在”r r 图中有独立的c 曲线。1 f 1 厂r 图中，f c c 和一部分f e c - x 合金 的贝氏体相变c 曲线在珠光体c 曲线下方，并与珠光体的c 曲线有一定的重合。 但是某些f e - c - x 合金的贝氏体相变c 曲线完全在珠光体c 曲线下方，形成海湾。 如果贝氏体的c 曲线和珠光体的c 曲线完全分开，则贝氏体c 曲线的上部，随 着等温温度接近皿，贝氏体体积分数逐渐减小m 。当相变温度达到晟时，相变 完全停止，高于此温度等温无法形成贝氏体。表面浮凸定义认为贝氏体铁索体片 在光滑表面上形成的表面浮凸符合不变平面应变( i n v a r i a n tp l a n es t r a i n ) 。相交 界面以类马氏体方式运动，其运动速度大大超过受碳扩散控制的速度。三种定义 的区别在于微观结构定义认为贝氏体是两相，其它两种定义认为贝氏体也可以是 贝氏体铁素体单相。 h i l l e r t l 4 5 于2 0 0 0 年提出“贝氏体”这个名词实际是被误用的。对一种产物 的定义须澄清：不同产物之间机制的差异；如何通过不同检测手段区分：不同产 物属于不同类型而非序列产物。贝氏体与魏氏体的区别：贝氏体是两相共析结构， 丽魏氏体为单相片层。如果通过非扩散方式形成的针状产物具有滑动界面，其必 具有很大的长大速度，该产物称为马氏体。对于b h a d e s h i a 4 6 1 提出的切变完成后 碳再从过饱和铁素体中扩散出来，其产物应称为回火马氏体。贝氏体是以扩散机 制形成的铁素体和渗碳体共析结构。 a a r o n s o n 4 3 于2 0 0 2 年对贝氏体的定义重新阐述。当s i 含量较高时，所得的 贝氏体组织为铁素体和残余奥氏体的混合物1 4 7 - 4 9 。根据微观结构定义，贝氏体应 3 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 该由共析分解形成的铁素体和渗碳体组成。铁素体和残余奥氏体混合物组织不应 该称为贝氏体。在海湾温度，合金元素对贝氏体相变界面的拖曳作用使得相变速 度减慢。溶质拖曳效应促进了交感( s y m p a t h e t i c ) 形核，并使得海湾温度( b a y t e m p e r a t u r e ) 之下等温形成的微观组织变得更加精细。贝氏体的表面浮凸既有不 变平面型应变也有帐篷型应变l j n 。c h r i s t i a n l 5 2 l 也认为马氏体类型的形变可以通 过缓慢的扩散过程形成。表面浮凸定义认为贝氏体相变形成的表面浮凸符合不变 平面应变，这使其自身有很大局限性。a a r o n s o n 提出应当摒弃表面浮凸定义。 z w a a g 3 3 】于2 0 0 2 年提出，对于相变诱导塑性( t r i p ) 类钢种，贝氏体呈片 层状，贝氏体束由一个或多个亚片层组成1 5 3 捌。在独立的亚片层之内或者多个亚 片层之间，可能存在碳化物或者残余奥氏体。但是碳化物和残余奥氏体都不是贝 氏体结构所必需具有的组分。z w a a g 的定义综合了贝氏体可能出现的多种微观组 织，属于比较完善的微观组织定义。该定义包括了b h a d e s h i a l 2 7 l 研究贝氏体相变 时得到的形貌，并改进了a a r o n s o n 微观结构定义中贝氏体只能由铁素体和渗碳 体两相组成的观点。合金元素会降低b 点。z w a a g 提出单一用切变或仲平衡机制 来计算合金元素对贝氏体相变热力学的影响，不能解释合会元素对只点的影响； 用无分配的局部平衡理论【5 5 ，5 6 l 能更好地解释合金元素对贝氏体相变的影响。 g a r c i a m a t e o l 5 7 l 于2 0 0 5 年重新论述了b h a d e s h i a l 3 1 1 和c h d s t i a n 5 卅的研究结 果，认为贝氏体是切变相变的产物，其形核激活能与化学驱动力成正比。将铁素 体可以切变的最高温度定义为e 点。 徐祖耀综述了贝氏体相变的研究结果，于2 0 0 6 年提出l 捌，贝氏体是在m 。温 度以上、经扩散相变的产物，多呈片状，在自由表面上会呈现帐篷型浮凸。 综合各种对贝氏体的定义，共有以下几种。 与相变机制相关的定义，即认为贝氏体是切变或者扩散机制的产物。对贝氏 体相交的研究不仅获得了支持扩散机制的结果，也获得了支持切交机制的实验和 计算结果。因此，与相变机制相关的定义有一定局限性。 与微观结构相关的定义。该类定义阐明了一系列与马氏体和珠光体相区别的 组织形貌，而与贝氏体相变机制不相关。此类定义从微观结构来区分贝氏体与舆 氏体分解的其他产物，有一定的可取性。贝氏体定义可采用： 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 贝氏体呈片层状，贝氏体束由一个独立的片层或多个片层组成。片层可能 由亚片层组成。在片层或亚片层之内或之间，可能存在碳化物或者残余奥氏体。 碳化物和残余奥氏体是贝氏体组织的重要组成部分，但不是贝氏体结构所必需 具有的组分。 1 2 2 贝氏体的分类 由于贝氏体形成温度范围较宽，且钢的化学成分对组织形态的影响复杂，使 得贝氏体形貌呈现多样化。常见的贝氏体形貌有以下几种。 上贝氏体：由无碳化物铁素体和铁索体片层之间的碳化物组成。上贝氏体中 的铁素体具有平衡碳组分而非过饱和铁素体。上贝氏体碳化物由富碳奥氏体生 成，其最主要的结构是渗碳体。由于其它类型的碳化物可能更容易形核，贝氏体 相变初期可能形成不同种类的碳化物【2 7 l 。但是渗碳体的结构更加稳定，这些碳化 物都会最终转化成渗碳体。l a m b e r t p e r l a d e 6 0 发现低碳微合金钢上贝氏体板条平 行排列，板条之间有碳化物存在。相变温度较高，贝氏体片层变厚，而且边缘不 整齐。b h a d e s h i a ”】发现上贝氏体的铁素体呈片层状，且片层由很薄片层状细小 的亚单元构成。亚单元呈透镜状，且亚单元之间有残余奥氏体膜。按照碳化物分 布的不同，o h m o r i | 6 1 】和o h t a n i l 6 2 i 把上贝氏体分成b i ，b i i 、b i l l 。这三种贝氏体 中的铁索体都呈板条状。b i 由单一的铁素体板条组成，板条间没有碳化物析出； b i i 的碳化物板条之间分散着碳化物颗粒；b i i i 的碳化物呈短杆棒状分布在铁素 体板条内部，但是贝氏体铁索体呈板条状而不是下贝氏体铁素体的片层状。该分 类与b h a d e s h i a 的分类不同。o h m o r i 提出的b i i i 类型的组织与b h a d e s h i a 认为的 下贝氏体组织形貌类似。 下贝氏体：下贝氏体中的碳化物不仅在铁素体片层间形成，而且在铁素体片 层内析出。与回火马氏体不同，在贝氏体铁素体片层内析出的碳化物呈单一的晶 体学取向变体。析出的碳化物与贝氏体铁素体片层的夹角呈5 5 口- 6 俨。在贝氏体 铁素体内部形成的碳化物可能不是渗碳体而是其它结构的碳化物唧。下贝氏体与 回火马氏体的区别在于，下贝氏体中的碳化物取向单一，而马氏体较大的应变能 5 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 导致其回火产物中的碳化物变体较多。 粒状贝氏体：连续冷却过程中形成的一种贝氏体微观组织。在连续冷却过程 中，贝氏体铁素体形成时，碳不断向奥氏体中排出使奥氏体稳定化。微观结构为 贝氏体铁素体和残余马奥岛的混和物。粒状贝氏体和粒状组织之问的主要区别 是，粒状贝氏体中的铁素体是贝氏体铁素体而粒状组织中的铁索体是先共析铁索 体1 4 l 。粒状贝氏体中的马奥岛里半连续长条型，在铁素体基体上几乎平行排列， 而且很多马奥岛沿母相晶界排列，原奥氏体晶界容易分辨。 反常贝氏体：过共析钢中形成的以渗碳体为领先相的贝氏体组织。k i n s m 锄【叫 发现反常贝氏体形成时，首先在奥氏体内部形成渗碳体，再长大呈薄片状。片状 渗碳体直接从奥氏体形核长大，铁素体在其周围形核长大并将其包围，最终形成 含有渗碳体片或仿晶型晶界渗碳体。渗碳体周围是由在渗碳体奥氏体界面形核 的铁索体束组成。过共析合金钢中反常贝氏体甚至可以在7 0 0 形成，这种行为 显示出过共析钢中的反常贝氏体相交与珠光体相变的竞争能力很强。 柱状贝氏体：微观组织主要为轻微延长的岛状铁素体和渗碳体。大量的针状 渗碳体颗粒被拉长并沿岛状边缘分布。这种组织被其它复杂的组织包围。柱状贝 氏体最先在过共析钢中发现，但是压力作用下的先共析钢中也发现了类似的组 织。 珠光体贝氏体：在含有强碳化物形成元素的钢中形成，其中的碳化物不是渗 碳体，而是合金元素的碳化物。 晶晃下贝氏体：在靠近肼温度时形成。由于相变温度很低，贝氏体形核率 很高，大量的下贝氏体亚单元覆盖了奥氏体晶粒。每个亚单元都是单独形成并最 后形成亚单元列。这种亚单元歹d 看起来似乎是一个整体，但是每个亚单元都是独 立的。 残余奥氏体贝氏体：s i 含量较高的钢发生贝氏体相变时，会形成由精细贝氏 体铁素体和残余奥氏体片层组成的结构。这类结构目前通常也被称为贝氏体f 8 9 j 。 1 3 早期对贝氏体相变的争论 早期主张贝氏体是切变机制的主要是h e h e m a n 4 4 1 、c h r i s t i a n 等1 2 6 ，5 8 删。他们 认为贝氏体铁素体片层的长大速度远快于受碳原子体扩散控制的长大速度，所以 6 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 其转变应该为切变机制。o l s o n 和c o h n 6 5 - 6 7 1 认为下贝氏体可能切变形核。随后俞 德刚【1 1 】也证实了在贝氏体相变温区内低的温度下，可以切变形核。贝氏体铁素体 和奥氏体之间的取向关系随温度和碳含量变化不大。贝氏体与马氏体和魏氏体的 取向关系只有几度之差，但与珠光体、铁素体的取向关系差别很大，因此他们认 为贝氏体相变不是扩散型相变。 以a a r o n s o n 和k i l l s m 孤1 4 4 1 为代表的扩散学派认为贝氏体是包含铁素体和渗 碳体的非层片状结构，以交感形核和台阶机制长大形成。碳扩散控制的台阶