（材料学专业论文）热处理工艺对新型贝氏体钢组织与性能的影响.pdf

中南人学硕1 学位论文 摘要 摘要 本文所研究的1 5 c r 2 n i 3 m o w 钢是一种新型贝氏体钢，主要用于 制作热轧穿孔顶头等耐热模具，其1 0 5 0 奥氏体化+ 3 0 0 。c 等温淬火 后获得的是粒状贝氏体组织，但这种组织韧性差，屈强比低，导致用 这种钢制作的穿孔顶头在使用过程中很容易发生失效。针对这一问 题，本文对热处理后的试验钢进行不同温度和保温时间的回火处理， 以期通过合理的回火工艺达到提高试验钢韧性和屈服强度的目的。同 时为了对试验钢热处理工艺的制定提供理论依据，利用g l e e b l e 一 1 5 0 0 型热模拟机采用膨胀法，并辅以金相法和硬度法首次测得了试 验钢的c c t 曲线。此外，还对试验钢进行了不同奥氏体化温度、不 同保温时间和不同冷却速度的热处理。借助光学金相显微镜( o m ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 、电子万能材料试验机、显微硬度计等手段分 析研究了试验钢热处理态、回火态以及不同热处理工艺规范下的组织 和力学性能，利用透射电子显微镜( t e m ) 、能谱仪分析研究了粒状 贝氏体组织随回火温度的升高其微观组织的变化以及析出的碳化物 的成分。结合试验结果分析讨论了试验钢回火时出现明显强韧化和回 火脆性的原因。通过研究，得到以下结论： 首次测得了试验钢的连续冷却转变( c c t ) 曲线。c c t 曲线上在 高温区无相转变发生，没有先共析铁素体析出或珠光体生成，其原因 可能与众多合金元素的加入使得高温区相转变的“c ”曲线被严重右 移有关。当冷却速度不大于7 0 加i n 时可以获得全贝氏体组织，冷 速在7 0 m i n 1 6 0 m i n 之间是马氏体+ 贝氏体的混合组织，冷速 大于1 6 0 m i n 全部是马氏体组织。在全贝氏体的冷却速度范围内组 织的硬度相差不大。 试验钢以不同的热处理工艺规范处理后获得的组织主要是条形 粒状贝氏体，但在冷速缓慢( 炉冷) 奥氏体化温度较高( 1 1 0 0 ) 时获得的是一种粒状组织：m a 岛状组织呈粒状分布在块形贝氏体铁 素体基体上。这种组织具有较低的强度、塑性和很差的冲击韧性，因 此应与粒状贝氏体组织加以区分。在各个奥氏体化温度下空冷试样具 有最好的强韧性，埋砂冷次之，炉冷最差。尤其是在1 2 0 0 奥氏体 化炉冷时试验钢的强韧性急剧降低，这可能与在较高温度奥氏体化时 钢中的硫、磷化物沿奥氏体晶界析出弱化晶界以及试验钢在高温区停 留时问长奥氏体晶粒长大更为充分，晶粒更为粗大有关。 摘要 试验钢经1 0 5 0 奥氏体化+ 3 0 0 。c 等温淬火热处理后组织为条形 粒状贝氏体，该组织的韧性差，屈强比低。但当在3 5 0 回火3 h 后 可以使1 5 c r 2 n i 3 m o w 钢得到最佳的综合性能，达到了通过回火提高 试验钢韧性和屈服强度的目的，满足了： 厂对试验钢性能的要求，此 时试验钢的抗拉强度o b = 1 1 6 7 m p a ，屈服强度2 = 9 8 8 m p a ，断面收 缩率甲和延伸率6 分别为3 6 1 和1 5 8 ，冲击韧性为5 7 7 j c m 2 ，屈强 比为0 8 5 。试验钢在3 5 0 附近回火可以得到明显的强韧化，其机理 为：其一，回火时b f 条内析出的弥散的细针状碳化物能有效地钉扎 位错，强烈阻碍位错的运动，提高了试验钢的屈服强度；其二，回火 时残余奥氏体( a 。) 的转变往往从低碳区开始，使剩余残余奥氏体的 碳浓度升高而趋于稳定，并且由透射电镜观察发现存在大量的稳定的 m a 岛，而稳定的a 。对裂纹的扩展起阻碍作用，因而提高了试验钢 的韧性。这两方面的综合作用使得试验钢得到明显的强韧化。试验钢 在5 0 0 。c 5 5 0 之间回火时出现了回火脆性。造成回火脆性的原因 是m a 岛分解析出的碳化物沿b f 条边界分布形成类似于脆性上贝氏 体的组织，同时原奥氏体晶界处的m 给岛分解析出的大量碳化物沿 奥氏体晶界连续分布，这种b f 边界和奥氏体晶界处的碳化物既是裂 纹形核位置，又是容易开裂的途径，因而大大降低了试验钢的冲击韧 性，使得试验钢回火时出现了回火脆性。 关键词：1 5 c r 2 n i 3 m o w 钢，粒状贝氏体，m a 岛，回火 ! 堕叁兰堡生堂垡堡苎 垒! 兰! 竖! 婴 a b s t r a c t 1 5 c r 2 n i 3 m o ws t e e lw h i c hw a ss t u d i e di nt h i sp a p e ri san e wb a i n i t i c s t e e l ，a n di ti sm a i n l yu s e dt om a n u f a c t u r eh e a t r e s i s t i n gd i e ，s u c ha s h o t r o l l e d p i e r c i n gp l u g i t s m i c r o s t m c t u r ei s g r a n u l a rb a i n i t ew h e n a u s t e n i t i z e di n1 0 5 0 。ca n di s o t h e r m a l l yq u e n c h e di n3 0 0 * c ，b u tt h i s m i c r o s t m c t u r eh a sal o wd u c t i l i t ya n dy i e l dr a t i o ，w h i c hr e s u l t si nt h e f a i l u r eo fp i e r c i n gp l u gm a d ei n1 5 c r 2 n i 3 m o ws t e e lw h e nw o r k i n g i n o r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ，t h eh e a t t r e a t e de x p e r i m e n t a ls t e e lw a s t e m p e r e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n da td i f f e r e n tt i m e ，h o p i n gt h a tt h e a i mo fi m p r o v i n gd u c t i l i t ya n dy i e l ds t r e n g t ho ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l c o u l db ea c h i e v e db yp r o p e rt e m p e r i n gp r o c e s s i no r d e rt o s u p p l y t h e o r e t i c a lw a r r a n tt om a k eh e a t t r e a t i n gp r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l ， c c tc u r v eo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw a sf i r s t l y p l o t t e db ye x p a n s i o n m e t h o da s s i s t e db ym e t a l l o g r a p h i cm e t h o da n dh a r d n e s sm e t h o di nt h e g l e e b l e - 1 5 0 0t h e r m a la n a l o gm a c h i n e m o r e o v e r ，t h ee x p e r i m e n t a ls t e e l w a st r e a t e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，a td i f f e r e n tt i m ea n db yd i f f e r e n t c o o l i n g v e l o c i t i e s m i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t y o ft h e h e a t t r e a t e d ，t e m p e r e d a n dt r e a t e di nd i f f e r e n th e a t t r e a t i n gp r o c e s s e s e x p e r i m e n t a ls t e e lw e r ep e r f o r m e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) 、s c a n n i n g e l e c t r i cm i c r o s c o p y ( s e m ) 、e l e c t r i cu n i v e r s a lm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e 、 m i c r o h a r d n e s st e s t e r m i c r o s t m c t u r ec h a n g e so fg r a n u l a rb a i n i t ea n d c h e m i c a lc o n s t i t u t i o no fc a r b i d e p r e c i p i t a t e d w h e n t e m p e r e d w e r e p e r f o r m e db 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 e ( s e m ) a n de n e r g y s p e c t r o m e t e r t h em e c h a n i s mo fr e m a r k a b l es t r e n g t h e n i n g t o u g h e n i n g a n dt e m p e rb r i t t l e n e s so ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw h e nt e m p e r e dw e r e d i s c u s s e da c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h r o u g h t h e s t u d y ，t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ： c c tc u r v eo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw a sf i r s t l y p l o t t e d p h a s e t r a n s f o r m a t i o nd i d n t h a p p e n e di n t h eh i g ht e m p e r a t u r ea r e ao fc c t c u r v e ，a sw e l la sp r o e u t e c t o i df e r r i t eo rp e a r l i t ew a s n tf o r m e di nt h eh i g h t e m p e r a t u r ea r e a ，w h i c h r e a s o n sw e r et h a t “c c u r v eo f p h a s e t r a n s f o r m a t i o ni nt h eh i g ht e m p e r a t u r ea r e aw a sg r e a t l ym o v e dt ot h e v 中南大学顶1 ：学位论文 a b s j r a c i r i g h tb e c a u s em a n ya l l o ye l e m e n t sw e r ea d d e dt ot h ee x p e r i m e n t a ls t e e l f u l lb a i n i t ew a so b t a i n e dw h e nc o o l i n gv e l o c i t yw a sl o w e rt h a n7 09 c m i n ； m a r t e n s i t ea n db a i n i t ew e r eo b t a i n e dw h e nc o o l i n gv e l o c i t yw a sb e t w e e n 7 0 m i na n d1 6 0 m i n ；f u l lm a r t e n s i t ew a so b t a i n e dw h e nc o o l i n g v e l o c i t yw a sm o r et h a n1 6 0 。c m i n m i c r o s t m c t u r e h a r d n e s sw a sn o t r e m a r k a b l ed i s c r e p a n tw h e nc o o l e di nt h er a n g eo fc o o l i n gv e l o c i t yi n w h i c hf u l lb a i n i t ew a so b t a i n e d m i c r o s t m c t u r eo b t a i n e dw h e nt h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw a st r e a t e db y d i f f e r e n th e a t t r e a t i n gp r o c e s s e sw a sm a i n l yb a r - l i k eg r a n u l a rb a i n i t e ，b u t g r a i ns t r u c t u r et h a tg r a n u l a rm ai s l a n dd i s t r i b u t i n gi n b l o c kb a i n i t i c f e r r i t ec o u l db eo b t a i n e dw h e nc o o l i n gv e l o c i t yw a sv e r ys l o w ( f u r n a c e c o o l i n g ) a n d a u s t e n i t i z e d t e m p e r a t u r e w a sh i g h ( 一 l l o o o c ) g a i n s t r u c t u r eh a dl o w e rs t r e n g t h ，p l a s t i c i t ya n dv e r yb a di m p a c tt o u g h n e s s ，s o i tw a sn e c e s s a r yt od i s t i n g u i s hg a i ns t r u c t u r ef r o mg r a n u l a rb a i n i t e a t d i f f e r e n ta u s t e n i t i z e dt e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yw e r et h eb e s tb y a i rc o o l i n g ，i tw a si nt h em i d d l eb yc o o l i n gi ns a n d ，a n di tw a st h ew o r s t b yf u m a c ec o o l i n g t h es t r e n g t ha n dd u c t i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s h a r p l yd e c r e a s e de s p e c i a l l yb yf u r n a c ec o o l i n gw h e na u s t e n i t i z e da t 1 2 0 0 * c t h er e a s o n sw e r ep o s s i b l yt h a ts u l f i d ea n dp h o s p h i d ei nt h es t e e l p r e c i p i t a t i n ga l o n ga u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r ya v i a n i z e di t w h e nt h es t e e l w a sa u s t e n i t i z e di nh i g h e rt e m p e r a t u r e ，a n da u s t e n i t eg r a i nf u l l yg r e wa n d b e c a m ev e r yl a r g eb e c a u s et h ee x p e r i m e n t a ls t e e ls t a y e df o ral o n gt i m e i nt h eh i g ht e m p e r a t u r e m i c r o s t m c t u r eo ft h e e x p e r i m e n t a l s t e e lw a s s t r i p l i k eg r a n u l a r b a i n i t ew h e na u s t e n i t i z e di n1 0 5 0 。ca n di s o t h e r m a lq u e n c h e di n3 0 0 。c ， b u tt h i sm i c r o s t r u c t u r eh a dal o wd u c t i l i t ya n dy i e l dr a t i o h o w e v e rt h e o p t i m u mc o m b i n a t i o np r o p e r t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw a so b t a i n e d w h e nt e m p e r e df o rt h r e eh o u ma t3 5 0 c a n dt h ea i mo fi m p r o v i n g d u c t i l i t ya n dy i e i ds t r e n g t ho ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e lh a sb e e na c h i e v e d ， a n dt h ep l a n t r e q u i r e m e n tt ot h es t e e lp r o p e r t y w a sm e tt o o a tt h i s s i t u a t i o nt e n s i l es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t h ，r e d u c t i o no fc r o s s s e c t i o n a la r e a ， e l o n g a t i o np e r c e n t a g e ，i m p a c tt o u g h n e s sa n dy i e l dr a t i oo fe x p e r i m e n t a l s t e e lw e r er e s p e c t i v e l y1 1 6 7 m p a ，9 8 8 m p a ，3 6 1 ，1 5 8 ，5 7 7 j c m a n d 0 8 5 t h er e m a r k a b l es t r e n g t h e n i n g t o u g h e n i n go ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l v l 中南人掌顾i j 学位论义a b s t r a c l c o u l db eo b t a i n e dw h e nt e m p e r e di na b o u t3 5 0 i t sm e c h a n i s mw a sa s f o l l o w e d ：f i r s t ，d i s p e r s e ，f i n ea n dn e e d l e l i k ec a r b i d ep r e c i p i t a t e df r o m b a i n i t i cf e r r i t ec o u l de f f e c t i v e l ya n c h o rd i s l o c a t i o na n ds t r o n g l yb l o c ki t s m o v e m e n t ，s oi m p r o v i n gy i e l ds t r e n g t ho ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s e c o n d ， t r a n s f o r m a t i o no fr e s i d u a la u s t e n i t e ( a r ) a l w a y sb e g a nf r o mt h er e s i d u a l a u s t e n i t eo fl o wc a r b o nc o n c e n t r a t i o nw h e nt e m p e r e d w h i c hm a d e c a r b o nc o n c e n t r a t i o n o fo t h e rr e s i d u a la u s t e n i t ew h i c hd i d n tt r a n s i t i n c r e a s ea n dd r o v et os t a b i l i t y a n dt h e r ew a sal o to fs t a b l em ai s l a n di n t h es t e e l b yt e m a n ds t a b l e r e s i d u a l a u s t e n i t ec o u l d b l o c kc r a c k p r o p a g a t i o n ，s oi m p r o v i n gt h ed u c t i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls t e e l s ot h e r e m a r k a b l e s t r e n g t h e n i n g - t o u g h e n i n g o ft h e e x p e r i m e n t a l s t e e lw a s o b t a i n e d t e m p e rb r i t t l e n e s so c c u r r e dw h e nt h ee x p e r i m e n t a ls t e e lw a s t e m p e r e db e t w e e n 5 0 0 。ca n d5 5 0 。c ，n l er e a s o n s i n d u c i n gt e m p e r b r i t t l e n e s sw e r ea sf o l l o w e d ：m i c r o s t r u c t u r es i m i l a rt ob r i t t l e u p p e r b a i n i t ew a sf o r m e db e c a u s ec a r b i d ep r e c i p i t a t i n gf r o mm ai s l a n d d i s t r i b u t e d a l o n gt h eb o u n d a r yo fb a i n i t i cf e r f i t eb a r a n dc a r l ： i d e p r e c i p i t a t i n g f r o ma u s t e n i t e g r a i nc o n t i n u o u s l y d i s t r i b u t e d a l o n gt h e a u s t e n i t eg r a i nb o u n d a r y t h ec a r b i d el o c a t e di ut h eb o u n d a r yo fb a i n i t i c f e r r i t eb a ra n da u s t e n i t eg r a i nn o to n l yw a sc r a c kn u c l e a t i o ns i t eb u ta l s o w a se a s i l yc r a c k e dp a t h s ，s og r e a t l yd e c r e a s i n gt h ei m p a c tt o u g h n e s so f t h e e x p e r i m e n t a l s t e e l s o t e m p e r b r i t t l e n e s so c c u r r e dw h e nt h e e x p e r i m e n t a ls t e e lw a st e m p e r e d k e yw o r d s ：1 5 c r 2 n i 3 m o ws t e e l ，g r a n u l a rb a i n i t e ，m a i s l a n d ， t e m p e r v 中南人学顾。l 。学位论文第一章文l 戢综述 1 1 贝氏体的定义及分类 第一章文献综述 2 0 世纪2 0 年代米，r o b e r t s o n l l l 首次在钢中发现后来被命名为贝氏体的中温 转变产物，但当时r o b e r t s o n 对此未给予足够重视。3 0 年代贝氏体相变理论的先 驱d a v e n p o r t 和b a i n l 2 i 丌始研究贝氏体组织，此后国内外一大批材料科学： 作者 致力于贝氏体组织及贝氏体相变理论的研究和贝氏体钢的开发利用。 1 1 1 贝氏体的定义 关于贝氏体的定义历来是贝氏体相变理论研究领域争议颇多、悬而未决的基 本问题之一。我国学者方鸿生在综合前人的研究成果，并基于自己的研究成果的 基础上对贝氏体做出如下定义唑 钢中贝氏体是指过冷奥氏体在中温区形成的片状或板条状产物。板条或片状 形态均指铁素体，碳化物分布于铁索体条片问或其内部，碳化物也可能延迟析出。 此时，贝氏体只有铁素体相组成，有色合金贝氏体则仅有单相组成。贝氏体转变 至少伴随如下特征： ( 1 ) 呈板条状或片状 ( 2 ) 相变过程伴随形成规则的表面浮凸，但浮凸形态上不具有不变平面应变特 征，常呈帐篷形。 1 1 2 贝氏体的分类 对于贝氏体组织的分类，到目前为止仍没有明确而统一的分法。根据组织形 貌而确定的较详细的分类有1 4 i ：上贝氏体、下贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝 氏体、柱状贝氏体及反常( 逆) 贝氏体等。其中常见的有上贝氏体、下贝氏体及粒 状贝氏体。 1 1 2 1 上贝氏体 上贝氏体通常发生于贝氏体转变的高温区内，典型的上贝氏体为两相组织， 是由成束近似平行排列的板条铁素体和夹在条问析出的断续的碳化物构成的非 层状组合体。在光镜下，通常可以观察到上贝氏体中的铁素体条，但不能鉴别条 问析出的碳化物。铁素体呈长条状，并且往往是在奥氏体晶界首先形核并向晶内 平行长大，由于靠近形核部位( 原奥氏体品界) 处，尺寸较大，前端尺寸较小， 中南人学硕i ：学位论文第一帝文献综述 导致上贝氏体组织总体呈羽毛状；因此上贝氏体的二维形态常被描述为羽毛状。 典型的上贝氏体组织照片如图1 1 。根据垂直双磨面分析，上贝氏体的铁素体为 板条形，所谓羽毛状特征实际是反映了板条束在某一方向上的截面。一般认为典 型上贝氏体中的碳化物是渗碳体。碳化物形态为片状或杆状，多以不连续的方式 分布于铁索体板条之间。 图1 - 1f e 一0 4 c 一2 5 m n 典型上贝氏体组织 1 1 2 2 下贝氏体 下贝氏体发生于贝氏体转变的低温区内，典型的下贝氏体也是铁素体和碳化 物构成的两相组织。在光镜下观察，下贝氏体的二维形态为暗黑的针状。这些针 状形态在一定程度上和针( 片) 状马氏体非常相似，故又称为针状贝氏体。典型下 贝氏体组织的照片如图1 2 。下贝氏体垂直双磨面试验表明，它的三维空间形态 为两端薄中间厚的片状( 圆饼型) ，片的尖端可看到分叉。典型下贝氏体的碳化物 极为细小，在光镜下不能分辨；通过电镜观察，可看到碳化物呈薄片状，且按一 定方向分布在铁索体板条内，通常认为碳化物条与铁素体板条长轴呈5 0 一6 0 度交 角，这种分布特征常常作为鉴别下贝氏体的个主要标志。光镜所见到的下贝氏 体并不是单一片的交截面，而是包含着若干板条状铁索体( 亚单元) 。它们近似平 行排列，其问存在着小角度界面。 1 1 2 3 无碳化物贝氏体 在发生贝氏体转变的高温区内等温，奥氏体可部分转变成单相的条状铁素 体。这种转变被认为悬按贝氏体转变机制进行的，而且铁素体内围溶的碳量很低， 在转变过程中无碳化物沉淀，所以人们多称这种铁索体为无碳化物贝氏体，其典 型形态如图1 3 示，在光学显微镜下难以和般的上、下贝氏体相区别，只能在 透射电镜下予以区别。根据垂直双磨面的光镜分析1 6 l ，无碳贝氏体的三维形态为 长的片象或扇杼。在透射奄镜下可以观察到有的片条内含有条状亚单元n j | ，这种 l e 单元，称之为板条( 铁素体) 。 中南人学碳i + 学位论文 第一章义献综述 无碳化物贝氏体通常在含硅或合铝钢，尤其是含硅钢中容易出现i l “。硅和 铝是非碳化物形成元素，形成碳化物时硅、铝需扩散丌，但温度低又不易扩散， 故延迟渗碳体形成，因此含硅、铝钢上贝氏体形成时，铁素体首先形核、长大， 形成板条束形态，此时由于硅、铝的存在，显然铁素体周围的奥氏体富碳，但难 以析出碳化物而被稳定下来，以残余奥氏体的形式保留下来。若继续延长等温时 问，则可能在上述残余奥氏体膜内析出碳化物。 图1 - 2 典型下贝氏体组织 ( f e 0 9 c 1 3 s i 1 1 c r ，1 1 5 0 x 1 0 m i n + 2 5 0 x 2 5 m i n ) 图1 - 3 典型无碳化物贝氏体组织l o m 形态 ( f e 一1 o c 2o s i 一4 o c t 1 1 0 0 x i o m i n + 3 0 0 x 3 0 m i n ) 1 1 2 4 粒状贝氏体 粒状贝氏体通常是低碳或中碳合金钢中在一定的冷却速度范围内连续冷却 或一定的等温温度下等温时获得的。粒状贝氏体形成的温度范围处于珠光体转变 温度的下限、贝氏体转变温度的上限，与上贝氏体形成温度互有重叠。一般认为 粒状贝氏体是由铁索体基体以及分柿在基体上的岛状组成物所组成，小岛呈不连 c p 南大学碰i ：学位论义第一常文献综述 续条形，平行排列在铁素体基体中，用透身寸电镜观察，基体铁索体呈针片状，小 岛分砸i 在针片界面。形成条形粒状贝氏体时也可以在抛光表面引起针状浮凸。粒 状贝氏体与无碳化物贝氏体很相近，只是铁素体量较多已汇成片，奥氏体呈小岛 状分稚在铁素体基体中。富碳奥氏体小岛在随后的冷却过程中有可能分解为铁素 体与碳化物，也有可能转变为马氏体，还有可能以奥氏体状态保留到室温。最可 能的情况是部分奥氏体转变为马氏体，部分奥氏体保留到室温，得到两相混合组 织，称为m a 组织。典型的粒状贝氏体组织如图l 一4 。 隅 。4 皿固】柏精艘田詹伙钼拥 除了上述的粒状贝氏体外，还可能见到与此相类似的种粒状组织。其特点 是块状小岛组织呈边界不规则的颗粒状，分布较为弥散，无规律地分布在铁素体 基体上；用透射电镜观察，基体铁索体具有块状亚结构，其中位错密度较高；铁 素体形成时在抛光试样表面不引起浮凸。显然这种粒状组织的形成机制 图i 5 典型的粒状组织 不同于上述的粒状贝氏体，故不能称之为粒状贝氏体，而只能称之为粒状组织。 典型的粒状组织如图1 5 所示。粒状贝氏体与粒状组织经常是同时出现。 我国学者方鸿生、白秉哲等_ j 对粒状贝氏体积粒状组织做了系统的研究工 作，提出： 中南人学烦i ：学位论文帮一章文献综述 ( 1 ) 粒状贝氏体与粒状组织定义：粒状贝氏体及粒状组织均有“铁索体+ 小岛 组织”组成，但粒状贝氏体中的铁索体为中温转变区形成的上贝氏体铁素体，而 粒状组织则为先共析区析出的先共析铁素体。 ( 2 ) 粒状贝氏体及粒状组织形态特征：粒状贝氏体中小岛呈半连续长条型，近 于平行地排列在铁素体基体上。沿母相晶界分稀有许多小岛，故易于显示母相晶 界。粒状组织中的小岛呈不规则形状，无规则地分布在无规则形状的铁素体基体 上，不易显示母相品界。 ( 3 ) 粒状贝氏体与粒状组织的形变特征： 1 ) 粒状贝氏体转变过程中产生表面浮凸，但无不变平面应变特征，其铁素 体由条片纵向长大，与母相保持k s 关系，惯习面为( 1 1 1 ) ，。 2 ) 粒状组织转变中不产生规则性表面浮凸，铁素体呈不规则形状，常有“海 湾”状边界，可跨越母相晶界长大，与母相无严格的位向关系。由于铁索体呈不 规则的形状，包围未转变的富碳小岛，故小岛也呈无规则形状。 3 ) 粒状贝氏体与粒状组织的相变过程可分为两阶段，在第一阶段中j 粒状 贝氏体发生如下反应： y c 【( 上贝) + t ( 富碳) 而粒状组织内部发生 y 一( 先共析铁素体) + t ( 小岛) 在第二阶段时，粒状贝氏体与粒状组织内发生的转变相同，均为： y ( 富碳) 一马氏体或( 马氏体+ 贝氏体) 等亚稳组织+ 残余奥氏体，即小岛内 有马氏体及残余奥氏体，某些小岛中也发现有下贝氏体。小岛内组织取决于相变 时的冷却速度及小岛内各区域奥氏体成分。通常，小岛边缘更富碳。 ( 4 ) 粒状贝氏体及粒状组织形态、精细结构、小岛数量及尺寸的影响因素主要 有：冷速、奥氏体化温度及奥氏体成分( 碳量及合金元素) 等。根据上述因素， 粒状贝氏体和粒状组织可以单独存在或混合存在。小岛的体积分数主要受母相中 的碳量影响。 1 1 2 5 柱状贝氏体 柱状贝氏体是由渗碳体和铁素体组成的一类非层片聚合物。柱状贝氏体中， 铁素体呈放射状，整体形状不规则或稍微拉长的群体，碳化物以大量针状颗粒分 布于铁索体内部，沿拉长的铁素体的主轴方向排列，图1 - 6 是柱状贝氏体的金相 照片。柱状贝氏体一般是高碳钢或高碳中合金钢在下贝氏体形成温度范围内等温 时出现的，在高压下柱状贝氏体也可在中碳钢中形成。 中南大学硕 学位论文 第一带文献综述 1 1 2 6 反常( 逆) 贝氏体 反常f 逆) 贝氏体是首先析出碳化物而后再进行f 常贝氏体转变。反常( 逆) 贝 氏体出现在过共析钢中，既可以在j 下常贝氏体的b s 温度以上，也可以在b s 温 度以下形成。反常( 逆) 贝氏体的显微组织看起来同上贝氏体很相似，所不同的只 是每一束反常( 逆) 贝氏体都有一条“碳化物中脊”，在两侧是铁素体。“中脊” 就是从奥氏体中首先析出的碳化物，如图1 7 所示。 图1 7f e 13 7 c 一1 9 9 m n 钢反常贝氏体的t e m 组织 1 1 2 7 准贝氏体组织 一般的典型上贝氏体是贝氏体铁索体( b b 3 及在其问分布着平行于其长轴的 贝氏体碳化物( b c ) 的混合体；典型的下贝氏体是b f 及在其上分布着与长轴约成 5 5 6 6 。角的b c 的混合体。为了避免贝氏体碳化物b c 的出现，在贝氏体钢中 加入s i 、a 1 等阻碍碳化物析出的合金元素，使得贝氏体转变明显分为两个阶段。 在贝氏体孕育期内，过冷奥氏体形成贫碳区与富碳区，b f 在过冷奥氏体的贫碳 区切变形成，其间分布着富碳的残余奥氏体薄膜( a n ) ，此时处于贝氏体转变的初 期阶段，此类贝氏体即为准贝氏体i ”。准贝氏体组织特征为贝氏体铁素体( b f ) 和 奥氏体( a 。) 组成。准贝氏体组织也称之为无碳化物贝氏体。 1 2 贝氏体的转变机制 在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间，过冷奥氏体将按另- - l q ，转变机制 转变。由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。在此温度范围 内，铁原子已难以扩散，而碳原子还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于 铁原子也能扩散的珠光体转变，也不同于碳原子基本上也不能扩散的马氏体转 变，我们称这一转变为贝氏体转变闭，所得产物称为贝氏体。 由于贝氏体转变的复杂性和试验手段限制等原因，目前对其转变机制不能取 中南大学顾：i ：学位论文 第一章文献综述 得一致意见。当前对贝氏体转变机制的解释有两个主要流派，即切变机制和台阶 机制。 较完善的贝氏体切变理论始于柯俊等【l o 。他们首先观察到贝氏体相变进行 时，在试样抛光过的自由表面上，已相变区和未相变区之间产生表面浮凸，浮凸 的类型与马氏体相变时所伴随的浮凸相同，均属不变平面应变型，因而认为贝氏 体铁索体的长大方式可能与马氏体相似，按切变机制进行。切变理论的主要观点 是：相变初期，在过冷奥氏体内某些贫碳区域，等温温度低于临界切变温度t 。， 因而奥氏体可通过原子队列式协调位移完成由面心立方到体心立方( 或体心正方1 的点阵切变转变，贝氏体铁素体首先切变形核【l2 1 。贝氏体碳化物切变形核后， 将借助共格( 或半共格) 界面上某些可滑动区的协调迁移进行切变长大。但关于碳 原子扩散在贝氏体铁素体长大过程中的行为，切变学派内部存在两种观点：其一 认为i l3 j 碳原子在贝氏体相变过程中不发生任何扩散，新形成的贝氏体铁素体的 碳含量与基体奥氏体的碳含量完全相等，贝氏体相变不受碳原子扩散的影响；另 一种观点认为1 1 4 j 贝氏体相变过程中伴随不同程度的碳原子扩散，碳原子的扩散 速度直接决定了贝氏体的组织形态。 台阶理论的基本观点【l5 j 为：当贝氏体片从母相析出时，在宽面上存在可长 大的台阶，称为生长台阶。台阶的台面平行于宽面，为半共格界面，阶面为非共 格界面。半共格属性的台面则由结构台阶、不适配补偿位错和共格区组成。非共 格界面的界面能较高，在适当的温度下，台阶阶面将以扩散方式侧向迁移。q 相 借助于生长台阶阶面的侧向迁移完成a 侧片的增厚。 1 3 贝氏体钢 贝氏体钢是一种热加工后空冷所得组织为贝氏体或贝氏体马氏体复相组织 的钢类i l “。它的主要优点概括如下：( 1 ) 热成型后空冷自硬，可免除传统的淬火 或淬火回火工序。从而节约大量的热处理费用，与热加工工艺结合，将大幅度降 低成本。( 2 ) 大量节约能源。( 3 ) 免除淬火过程产生的变形、开裂、氧化和脱碳等 缺陷。( 4 ) 产品整体硬化，强韧性好，综合力学性能优良。( 5 ) 使用上量大面广。 ( 6 ) 减少环境污染。( 7 ) 部分产品可将冶金生产与机械生产的工艺流程合并，实现 全工序“超短生产流程”。钢厂直接出产品，效益附加值更高，产生显著的经济 及社会效益。 贝氏体钢与非调质钢相比，具有更高的塑性和韧性，与回火马氏体钢相比， 具有更高的抗疲劳性能( 包括冲击疲劳，应变疲劳) 和耐磨性能【l ”，良好的强韧性 配合很快使其发展为白成一系的新钢种。国内外学者根据贝氏体相变理论对贝氏 体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及其应用。 1 3 1 m o - - b 系贝氏体钢 2 0 世纪5 0 年代，英国人p bp i c k e r i n g 等人发明了m o - - b 系贝氏体钢。 m o 对中温转变推迟作用显著低于高温转变，b 可显著推迟铁素体转变，对中温 转变影响小。m o 与b 结合就可使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体 组织。m o b 系或m o 系贝氏体钢的出现受到世人的重视，但由于m o 原料价格 昂贵，同时m o b 钢起始转变温度较高，产品强韧性差，为降低此温度，还必 须将m o b 钢复合金化，从而提高了生产成本，因此其发展受到一定限制。 1 3 2 m n - - b 系贝氏体钢 清华大学方鸿生教授等【l9 】在研究中发现m n 在一定含量时，可使过冷奥氏体 等温转变曲线上存在明显的上、下c 曲线分离；。m n 与b 结合，使高温转变孕育 期明显长于中温转变，以此成功地用普通元素进行合金化发明出m n b 系空冷 贝氏体钢。由于适量的m n 可导致其在中温下在相界处富集，对相界迁移起拖曳 作用，与b 共同作用容易获得贝氏体；同时m n 显著降低贝氏体相变驱动力，使 贝氏体相变温度降低，细化贝氏体尺寸，改善韧性和强度。它突破了空冷贝氏体 钢必须加入m o 、w 的传统设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳m n b 系列