（材料加工工程专业论文）应力对crmo钢贝氏体相变动力学行为和相变塑性的影响.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 本文以c r - m o 钢为实验材料，采用g l e e b l e 热模拟试验机分别测量了实验钢在 有、无应力作用时不同冷却方式下贝氏体相变过程中的温度膨胀曲线，研究了外 加小应力下的贝氏体相变动力学和相变塑性；采用光学显微镜、扫描电镜和透射 电镜分析了小应力对贝氏体组织形态和亚结构的影响。主要得出以下结论： ( 1 ) 应力对贝氏体相变的影响显著：在冷却速度较小的连续冷却条件下，压应 力抑制高温段的贝氏体相变，促进低温段的贝氏体相变；在等温冷却的过程中， 无论拉、压应力都对贝氏体相变起促进作用，拉应力的影响明显些。 ( 2 ) 在所研究的小应力范围内，在连续冷却过程中，应力使贝氏体转变的开始 温度上移，终了温度下移，即应力使贝氏体转变的温度范围增大。 ( 3 ) 相变塑性应变随着压应力的增加而增加，随着拉应力的增加而减小。连续 冷却时相变塑性系数随着应力的增加呈下降趋势，而等温条件下结果相反。 ( 4 ) 在连续冷却时，随着压应力的增大，晶粒尺寸的变化规律为粗细粗一细， 晶界不再平直，板条束粗大且取向趋于致；在低速冷却的条件下，能够得到较 细长的贝氏体板条，而高速冷却时的贝氏体板条相对粗短。 ( 5 ) 在等温冷却时，随着拉应力的增大，组织均匀并得到很好的细化，铁素体 板条状特征明显、板条细小；在铁素体条片间析出的碳化物形态也由无应力下的 长条杆状变成楔形，且弥散度增大。随着压应力的增大，晶粒变得粗大，晶界平 直，出现了铁素体板条双界，板条粗大：板条间存在一定数量的薄膜状的富碳奥 氏体，并与板条交替均匀排列平行分布。在位错密度较大的铁素体条片上，碳化 物析出量较少。 关键词：c r - m o 钢，贝氏体相变，相变动力学，相变塑性 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ee x p a n s i o nd i a g r a m so f b a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nw e r em e a s u r e df o r ac r - m os t e e lu n d e rd i f f e r e n ts t r e s sa n dc o o l i n gm e t h o do ng l e e b l et h e r m a ls i m u l a t o r t h ee f f e c to fs t r e s so nt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nk i n e t i c sa n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n p l a s t i c i t y o fb a i n i t ew e r es t u d i e d t h eb a i n i t em i c r o s t r u c t u r e m o r p h o l o g ya n d s u b s t r u c t u r ew e r ea l s oo b s e r v e da n da n a l y z e du n d e ras m a l ls t r e s s b yo p t i c s m i c r o s c o p e 、s e ma n dt e m t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c to fs t r e s sf o rb a i n i t et r a n s f o r m a t i o nw a sn o t a b l e ：p r e s s u r es t r e s s r e s t r a i n e db a i n i t et r a n s f o r m a t i o na th i 曲t e m p e r a t u r es t a g ea n da c c e l e r a t e di ta tl o w t e m p e r a t u r es t a g ed u r i n gs m a l lc o n t i n u o u sc o o l i n gr a t e s o nt h eo t h e rh a n d , t e n s i l eo r p r e s s u r es t r e s sh a v ea l la c c e l e r a t e db a l n i t et r a n s f o r m a t i o nd u r i n gi s o t h e r mc o o l i n g ， e s p e c i a l l yt e n s i l es t r e s s ( 2 ) w i t hc o n t i n u o u sc o o l i n gp r o c e s sb sc u r v e sw e r eu pa sw e l la sb f c u r v e sw e r e d o w n ，w h i c hm e a nt h a ts t r e s se n l a r g e dt e m p e r a t u r er a n g e so f b a i n i t et r a n s f o r m a t i o n ( 3 ) p h a s et r a n s f o r m a t i o np l a s t i c i t ys t r a i ni n c r e a s e da l o n g 晰血p r e s s u r es t r e s s i n c r e a s i n ga n dr e d u c e di nt h ew a k eo ft e n s i l es t r e s si n c r e a s i n g p h a s et r a n s f o r m a t i o n p l a s t i c i t yc o e f f i c i e n td e s c e n d e da ss t r e s si m p r o v i n gd u r i n gc o n t i n u o u sc o o l i n g ，b u tt h e c o n d i t i o nw a s c o n t r a r yd u r i n gi s o t h e r m a lc o o l i n g ( 4 ) d u r i n gc o n t i n u o u sc o o l i n g ，g r a i ns i z ec h a n g e da sf o l l o w ：c o a r s e f i n e c o a r s e - f i n e ，t h eg r a i nb o u n d a r i e sw e r en o tf l a ta n ds t r a i g h t ，f u r t h e r m o r e ，b a i n i t i cp l a t e sw e r e c o a r s ea n dt h eo r i e n t a t i o nw a si d e n t i c a la ss t r e s sa d d i n g t h ef i n e ra n dl o n g e rb a i n i t i c p l a t e sc o u l db eo b t m n e da sl o wc o o l i n gr a t e b u tt h eb a i n i t i cp l a t e sw e r ec o a r s ea n d s h o r ta sh i 曲c o o l i n gr a t e ( 5 ) d u r i n gi s o t h e r m a lc o u r s e s ，t h eg a i n sw e r em o r eh o m o g e n o u sa n df i n ea st e n s i l e s t r e s si n c r e a s i n g ，t h ef e a t u r eo f b a i n i t i cp l a t e sw a sc l e a ra n df i n e t h ec a r b o ns e p a r a t e d s i n c ef e r r i t ep l a t e sw a sd i s p e r s e da n dt h em o r p h o l o g yc h a n g e df r o mr o dt ow e d g e s h a p e d t h eg a i n sw e r em u c h c o a r s e ra n dt h eg r a i nb o u n d a r i e sw e r ef l a ta n ds t r a i g h t d o u b l eb o u n d a r i e sf e r r i t ep l a t e sw e r eo b s e r v e da n dt h e s ep l a t e sw e r ec o a r s e t h e r e w e r ea m o u n to f c a r b o ni n c ha u s t e n i t eb e t w e e np l a t e s ，w h i c ha r r a n g e dh o m o g e n o u sa n d p a r a l l e lv e r s u sb a i n i t i cp l a t e s t h ea m o u n to fs e p a r a t e dc a r b i d ew h i c hw a si nh i g h i n t e n s i v ed i s l o c a t i o nf e r r i t ep l a t e sw a sl i t c l e k e y w o r d s ：c r - m os t e e l ，b a i n i t et r a n s f o r m a t i o n ，t r a n s f o r m a t i o n k i n e t i c s ，t r a n s f o r m a t i o np l a s t i c i t y l i 独创性声明 本人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 及取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，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作了明确 的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：犄蛐 导师签名：丛壁叠日期：主! ! ：! ：型 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着金属制造业的不断飞速发展，人们对产品的性能要求越来越高。在这些 产品的成形过程，热处理工艺经常是金属材料加工中的关键环节之一。然而，热 处理过程中往往伴随着多种物理和化学现象以及它们之间的相互作用，例如在钢 材的热处理过程中，就不可避免的要产生应力场、组织场、温度场以及碳、氮等 化学成分的扩散的变化和他们之间的交互作用，一般来说只有准确的把握这些物 理场的变化和场之间的交互作用，才能更好的认识材料中微观组织的形成机制和 预测材料的性能，这对制订合理的产品加工工艺，保证并提高产品的性能至关重 要。 要把握并认识热处理过程中的这些复杂现象，除了通过各种实验手段和对大 量的实验结果进行分析之外，近年来随着数值模拟技术的高速发展，有很多学者 将相变动力学理论和数值模拟技术相结合，提出了把热处理过程中复杂的物理、 化学现象统一进行分析，特别是注重各种场的耦合作用，构造了数值模拟的耦合 计算方法 i 7 j 。然而要使热处理过程的数值模结果与实际过程很好的吻合，必须确 定相应组织的相变动力学模型和了解各种因素对相变动力学的影响【 1 2 l 。以往的研 究主要集中在温度和组织两方面对相动力学的影响上，实际上由于相变的形成带 来的塑性变形和由于应力应变而诱发的相变变化的相互作用，应该说也会对相变 动力学过程产生重要影响。随着材料研究工作的深入，近年来考虑材料的力学行 力对相变动力学理论影响的课题愈来愈受到理论和实验研究工作者的重视。 在相变动力学理论中，人们晟关心的是两在类相变组织：一类是非扩散型相 变，多数指导马氏体相变：另类是扩散型相变，指的是贝氏体和珠光体等相变。 特别是贝氏体相交，由于它具有良好的综合机械性能，所以贝氏体自被发现以来， 学者们对其的研究一直没有停滞过，其相交理论虽然未能得到统一，但也在学术 争论中得到了不断丰富和发展。而在最近的钢铁生产发展中，人们越来越注意到 通过控轧控冷，或者通过改变热处理工艺条件可以使钢材内部产生不同的贝氏体 组织，从而可以更加精密地改善和控制产品的机械性能。如果实现了这种精密控 制，材料加工技术便可以随时满足人们在使用材料中不断提出来的多样化要求， 起到量体裁衣、节省能源的作用。这就是研究贝氏体相变的重大意义。 在生产中我们往往采用等温淬火或连续冷却淬火获得贝氏体组织。然而，贝 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 氏体相变属于扩散型相变，在中温区转变，随着冷却速度的变化，形核机制改变， 再加上应力的作用，贝氏体的转变往往会出现各种各样的形态。这些因素都给研 究贝氏体带来了困难，致使至今为止针对贝氏体的相变动力学理论还没有充分考 虑力学( 应力应变) 行为的影响。在这个背景下，本文试图从研究贝氏体转变中 的力学现象入手，突出研究由于相变带来的塑性变形和由于应力应变而诱起的相 变变化的相互作用，为全面考虑贝氏体相变动力学的力学行为打下基础。 1 2 应力对贝氏体相变的影响 应力与相变的交互作用有两种类型：冶金交互作用即应力对相变动力学和相 变产物形态的改变以及由于相变转变而产生力学行力，例如本文中论述的相变塑 性现象酊。 1 2 1 静水压力和内应力的影响 静水压力对扩散型相变如珠光体相变等起迟滞作用。对于等温的贝氏体相变 呈现降低相变温度和推迟相变时间：例如d e n i s 等1 8 】引用s c h m i d t m a n n 等所作压力 对5 0 c r 4 v 钢的c c t 曲线的影响( 如图1 所示) 可以表明上述观点。 1 9 4 8 年g u a m i e r 等【9 】提示合金铜大铸件中的内应力加速残余奥氏体分解成贝 氏体。从5 0 年代末到7 0 年代中期类似的研究结论也相继发表，均显示材料相变 所形成的应力加速贝氏体相变。柯俊等【1 0 a h 报道试样表面易促发贝氏体相变，也表 明其内部应力的释放有利于扩散型相变。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 叼瓣 甜嘲 嘲 稍 阡2 o l 戤m ( 引k 妇 、 ，- 一 ， 城f p ! 竺坐懋k 一 鞴 奎k b 辨谨 驴# 辑2 3 k b “ 瓣8 。1 蝴f 1 鳓k p a l 哎程慨 l 、f 户豁袖甜 2 3 瓣滞劬 k 噼 2 0 b m 摊 e 2 3 渤rl 潆幅嘲； 扩甜 扩 掣 矿l 萨 毳舯88 图1 压力对5 0 c r - 4 v 钢c c t 的影响 f i g 1t h ei n f l u e n c eo f e x p r e s s f o rc c to f5 0 c r 4 vs t e e l 1 2 2 外加应力的影响 n n ； 鞫璧基藏律 _ ! 图2 贝氏体相变基元的相变驱动力和相变阻 力与基元体积的关系 f i g 2t h er e l a t i o n s h i po f t r a n s f o r m a t i o nd r i v e n f o r c ef o rb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nu n i ta n d t r a n s f o r m a t i o nr e s i s t a n c ev e r s u su n i tu o l u m e c o t t r c l l i l2 j 在对合金钢作力学性质测试中，注意到应力促发贝氏体相变，认为 高合金钢中奥氏体在室温下冷变形可加速y 一相变。 j e p s o n 和t h o m p s o n ”】早年已提示：拉应力显著加速共析钢的贝氏体相变，如 缩短孕育期、增加相变分数。他们发现压应力虽促发贝氏体相变，但不如拉应力 的影响大。如1 5 0 m p a 压应力下，对贝氏体相变未见加速效果，须在1 5 2 2 1 0 m p a 压应力下才显示加快相变的作用。以后，应力对加速贝氏体相交及改变贝氏体组 织的工作在6 0 年代多有报道。 u m e m o t o f j 4 j 等报导了实验用钢为f e - 3 6 n i 一1 4 5 c r - 0 5 0 c 钢应力下贝氏体相变， 该钢在6 3 3 k 时的屈服强度为1 0 0 m p a ，由时间一延伸率一应力图示表明：外加应 力在1 0 0 m p a 时对贝氏体相变的加速程度较小。在6 3 3 k 下加载应力达到1 1 0 m p a 时，相变孕育期未见缩短，母性塑性形变下，孕育期缩短，相变动力学加速。在 超过屈服强度的应力下，形成的贝氏体较细小，并作主向性排列。 b h a d e s h i a ”一6 l 等以贝氏体相变为切变型相变作基调，导出低于奥氏体屈服强 度的应力下，贝氏体相变进的应变以及相变塑性的计算模型，提出应力作用下， 在有利于形成贝氏体的晶体学位向上，加速形成有利位向的变体，是应力加速相 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 变的缘由；随应力增高，相变塑性增加，使贝氏体组织呈方向性分布；并以此说 明在单向压应力的作用下，也能加速贝氏体相变。 徐祖耀【1 日从形核率角度解释应力促进相变得出，外加应力作为力学自由能提 供相变驱动力，对形核率影响很微小；提出在应力作用下会使相界面能有所下降， 也可能发生碳原子的从新分布，如在晶界或其他缺陷处聚集，甚至析出碳化物， 增加形核驱动力，都会显著的增大形核率、缩短孕育期。不过有待证明。 苏铁健 i 8 1 等从热力学角度阐明外应力在相变驱动力a g 。h 。( 铁素体与奥氏体 的自由焓之差) 的基础上增加了一个a g h ，如图2 ，在阻力e ( 两相比容不同而 产生的弹性应变能) 不变的情况下，最终转变体积v b 大于v a ，由此解释外应力 下贝氏体相变基元的改变。 刘春成与巨东英 19 总结出应力有利于贝氏体相交进行，但对其转变量影响不 大，单位应力促进贝氏体相变的数量级为1 0 3 。 h o l l l m o n 等人1 2 0 】认为在贝氏本相变时施加外加时，将提高贝氏体转变速度。 些外在拉应力条件下，贝氏体的总体转变量有所增加，而且，可在曰。温度以上形 成贝氏体。这方面结果与马氏体相变类似。 g i r a u l t 等人 2 1 , 2 2 人认为外力可加速贝氏体相变，尤其是在高的转变温度下，化学 驱动和相对较低；总的贝氏体转变动力学依赖于相变温度。 1 3 应力下相变动力学模型 近几十年来，数值模拟技术方法迅速发展，并广泛用于分析相变动力学，预 测和控制组织和力学性能及更加系统地设计新材料。实际上相变过程是十分复杂 的，很难计算出材料的不同相的体积分数和材料性能等，即没有较准确的定量化， 为得到合理的结果，必须首先开发出模型。从这个角度上讲，应力对相变动力学 的研究，不论在数据积累、数学模型的建立等方面都是不成熟的。关于应力下的 相变动力学模型，不同研究者给出的关系式不尽相同，但基本上是在k o i s r i n e n m a r b u r g e r 2 3 1 和j o h n s o n - m e h l a v r a m i 2 4 1 公式上加以修正，或将公式中的常数变成应 力的函数，或增加应力的附加项等。其中，应用较多的n o u e 及其合作者模型和 s d e n i s 及其合作者模型是通过“反问题”法获得，尚未详细报道推导过程，其可靠 程度有待验证。模型的提出者也只研究了铁索体、珠光体和马氏体相变，贝氏体 相变动力学模型研究的不多。本节对几种相变动力学模型做简要的介绍。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 1 3 1 无应力作用下相变动力学的模型 ( 1 ) 按连续冷却转变曲线计算的动力学模型【2 5 1 1 ) 转变量与温度成线性关系 厂= 厶。筹 ( 1 ) 一， 式中二为该组织在该冷速下的最大转变量瓦，巧分别为转变开始终了的温 度，功连续冷却所达温度。 2 ) 转变量与时间的对数成线性关系 厂= f r o , 丽( 1 0 9 丽r k - l o g l ) ( 2 ) 式中，m 。为该组织在该冷速下的最大转变量，f ，f ，分别为转变开始终了的 时间，“为连续冷却的时间。 3 ) 转变量与时间成指数关系 厂= 丘0 一e x p ( a v 8 ) j ( 3 ) 式中l 肿。为该组织在该冷速下的最大转变量常数爿* r i b 与材料及组织类型有 关，f 为连续冷却的时间。该模型可以迅速得到不同温度或不同时刻的组织转变分 数，但必须要有该钢的连续冷却转变曲线图，对变化的冷却速率很难计算。 ( 2 ) 基于j o h n s o n - m e h l a v r a m i ( j m a ) 公式改进的计算模型 p a u l 乖l h o u g a r d l 2 6 】提出了一个基于j m a 公式的改进算法，力图解决用该方程 计算结果与实测结果相差较大的矛盾，他们认为，1 和9 9 的等温转变测量值满 足方程： k = l n 1 n ( t t 。) 】= a b l n t r + c ( 4 ) 瓦= 9 5 0 一丁瓦+ ( 5 ) 式中，爿、丑和c 均为常数，为参考温度，而为适配温度。 令 m = 1 l n 1 n ( 1 一，) j = l n b + i n t ( 6 ) 则有： 玎= ( m 9 9 = m 1 ) ( 膏9 9 一k 1 )( 7 ) l n b = m 。一k l ( m 9 9 一j w i ) o 一k ，) ( 8 ) 该模型避免了各种温度下转变开始和转变结束时间的测量，只要有彳、曰、c 和 殖即可计算出转变量，但目前尚不知该模型的可靠程度，且未发他学者在这方面 的研究报道。 1 3 2 应力作用下相变动力学的模型 ( 1 ) p a t e l 并l l c o h e n 模型【2 力 p a t e l 和c o h e n 根据马氏体相变的切变机制，将力施加于惯习面上，然后将 力学驱动力u 表示为应力及马氏体位向的函数，给出j j l 磊点与应力关系的数学模型： 警yo百sin20+s0(1+cos20)d ( 9 ) 如f 6 ) 刀 式中为组织转变的切应变；s 。为组织转变的正应变，以aw v 近似；0 为 晶体惯习面法向与x 轴间的夹角，g 蔓3 g i b b s 自由能差丁，劝温度。 ( 2 ) n o u e 及其合作者模型【2 8 】 i n o u e 及合作者根据0 4 5 c 钢发生珠光体转变的实验数据得出应力作用下 的相变动力学模型为： ，= f 夕p ，仃x r r ) 3 d t 7 r ，口) 一e x p ( c o o ) ，( ，) 彻锄州t - 3 ，8 0 ，6 9 1 ( 警) 9 ” 式中，( r ) 为无应力下的的转变分数；盯。为平均应力： 作用时，若发生马氏体相变可采用下述表达式： f = 1 - e x p 妒( t m s ) 一妒( 叮) 】 ( 3 ) s d e n i s 及合作者模型嘲 ( 1 0 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) c 为常数。当有应力 ( 1 3 ) 对应力作用下珠光体相变的研究表明，压应力和拉应力对相变的作用相似， 可通过修正函数d 修正a v r a m i 公式中的b 来研究 b 2 而 ( 1 4 ) d = c c r 。( 1 5 ) 马氏体相变的研究表明，在应力作用下，可采用下述表达式： 厶= 1 - e x p - c 似。一，) 】( 1 6 ) 式中，m s 、t 和c 分别是马氏体转变开始温度、当前温度和动力学常数。 ( 4 ) 国内学者对应力下相变动力学模型的研究 1 ) 吴景之等人【2 明在研究珠光体等温转变时指出，j - m a 公式中的时间只有从转变 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 开始时计算才能获得与实测接近的结果，因而提出了下述修正公式 ，= 1 一e x p 【- 6 p f ，) ”)( 1 7 ) b 、n 为材料常数，由实验确定。 2 ) 叶健松口o 】等人在研究通过单向压力下铁素体和珠光体相变动力学实验，并将 j m a 公式扩展为应力下铁素体和珠光体等温相变的动力学模型： ，= l e x p 卜6 p ，”( i j ( 1 8 ) 6 修) = 6 ( 0 x 1 + 4 矛8 ) ( 1 9 ) 孑为等效应力，6 修) 和n 眵) 分别为以厅为函数的常数和指数，a 和b 为常数， 6 o ) 为应力o = 0 时的常数项。 3 ) 高宁【3 1 1 测得大型锻件钢在低于奥氏体屈服强度的外加应力下，在5 0 0 。c 时贝氏 体相变动力学模型 f = o 诅一e x p 一( b y 】 ( 2 0 ) 1 4 相变塑性及其数学模型 相交塑性是指在材料在应力作用下伴随相变过程发生的不可逆变形，尽管其 应力值小于该实验条件下的屈服强度，该部分塑性变形被称作相变塑性。目前已 有几种理论模型，但由于相变塑性实是几种物理机制同时作用的结果，一种模型 难反映实验结果。对于相变塑性产生的原因，有人用择优取向来解释，也有人认 为是蠕变造成的。虽然人们对其形成机理的认识尚未统一，但已经在实际生产中 广泛地利用此现象会极大提高钢材性能这一优越性，目前t r i p 钢的开发研究就 缘于此特性。 ( 1 ) g r e e n w o o d j o h n s o n 模型 相变塑性模型最初由g r e e n w o o d 和j o h n s o n 提出，其形式为： s 9 = k o f ( 2 一，) ( 2 1 ) 式中，s 9 为相变塑性应变，茁为系数，o 为外加应力( 单轴应力) ，厂为新相生成 物的百分含量。 ( 2 ) a b r a s s a r t 模型 a b r a s s a r t 对g r e e n w o o d j o h n s o n 进行了修正，考虑奥氏体分解产物的多少对相 变塑性的影响，得到的表达式如下： r3 、 et p 2 毒( ) l ，一 ，丁i q 2 式中s 舻为相变塑性应变，o 为外加应力( 单轴应力) ，l 为弱相的屈服强度， 7 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 号a v 为比容变化，厂为新相生成物的百分含量。 ( 3 ) d e s a l o s 模型 s * = 矿( 2 一，b ( 2 3 ) 式中e t p 为相变塑性应变，k 为相变塑性系数，f 为相变量，盯为偏应力 张量。 ( 4 ) l e b l o n d 经理论推导所得模型为 5 * = 昙矿( 1 一i nf 弦。 ( 2 4 ) 式中各参数的意义与d e s a l o s 模型相同。 ( 5 ) 高宁口1 3 从实验观测的角度对贝氏体的相变塑性模型进行了研究，根据实验结果 得出如下模型： 对于单轴应力条件的模型 s p = ( a ，+ a 2 0 i z i f i f 盯 ( z s ) 对于复杂应力条件下的模型 儿3 ( c 1 - f q 2 0 e q ( z 一石f 石f 盯 ， 式中，a 1 ，a 2 常数，o - 。为等效应力。 h k d h b h a d e s h i a 等基于择优取向的机理，从理论上推断出相变塑性的最大 值可以高达1 2 1 4 ，但一般观测到的只是在l 2 范围内，而且他还发现相变 塑性随温度增加而在增加，其原因与化学驱动能和外力功之间的比例有关。 以上模型大都是在实验的基础上得出的，理论推导过程却很少见报道，关于 g j 方程的推导，本文将从数学和物理的角度出发，详细推导了该方程。 1 5 贝氏体特性及贝氏体钢的发展 1 5 1 贝氏体定义 贝氏体组织定义历来是贝氏体相变理论研究领域争论颇多、悬而未决的基本 问题之一。方鸿生【3 2 等人在综合考虑了前人的研究成果并基于他本人的研究结果 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 对贝氏体做如下定义： 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。板条状或片 状形态均指铁素体，碳化物分布于铁素体条片间或其内部，碳化物也可能延迟析 出。此时，贝氏体只由铁素体相组成。 1 5 2 贝氏体相变的主要特征 一直以来，关于贝氏体相变的特征，从事相变基础研究的国内外学者们【2 1 对贝氏体转变特征做了详细论述，有关表象事实总结如： ( 1 ) 转变不完全性转变是在贝氏体相变区恒温，或在一定冷速下的连续冷却 过程中发生。只有经过一定孕育期后，贝氏体转变才开始进行，转变刚开始，奥 氏体就以极快的速度部分转变为贝氏体，然后转变停滞1 3 ”。 ( 2 ) 转变整体动力学曲线特征依据合金成分的不同，等温转变曲线图中，贝 氏体转变可能与珠光体转变相互重叠或分开，而且分开的距离与合金元素种类及 加入量有关。 ( 3 ) 热激活型转变奥氏体转变为贝氏体的程度是相变温度的函数。对于一般 合金钢，转变量是随着转变温度的升高而降低的。在碳钢及低合金钢中，几乎观 察不到转变不完全现象，这主要是由于存在其它非贝氏体型相变的严重干扰，以 至于转变到某一程度，发生其他类型的转变。导致残余奥氏体消失，因而无法对 贝氏体转变量进行准确的测量，也就无法判断是否存在转变的不完全性。 ( 4 ) 贝氏体转变的停滞现象贝氏体转变后，若不发生其它非贝氏体类转变， 则未转变奥氏体在随后很长一段时间内的等温过程中，均保持稳定而不分解。 f l i n n 3 4 】等通过实验表明，贝氏体转变停止后，贝氏体转变量将维持不变，也就是 说，至少对于一些合金来说，存在贝氏体转变停滞现象 ( 5 ) 口。温度e 温度存在一确定温度，在此温度以上不发生贝氏体转变，此温 度定义为b 。温度，与m 。温度相似，b 。温度与合金奥氏体的化学成分有关。碳及 常用合金元素的加入，将降低b 。温度，并减小转变速率。扩散机制和切变机制在 描述贝氏体形核过程时都找到了对自己有利的证据，这说明钢的成分不同对b 。点 和形核机制有很大影响1 3 5 j 。 ( 6 ) b ，温度在等温条件下，存在b ，温度，在该温度附近，所有奥氏体均分 解形成贝氏体。实验结果表明：对许多合金钢而言，b ，温度几乎与碳含量无关， 而且与n i 、c r 、m o 含量无关。根据台金钢种类不同，口，温度可能低于或高于肘。 温度，对m 。温度高于b ，温度的合金，无法获得纯贝氏体组织。若m ，温度低 9 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 于b ，温度，则可得近于纯贝氏体组织。 ( 7 ) 显微组织特征贝氏体出铁素体和碳化物组成，铁素体可能有各种形态。 贝氏体形态主要受转变温度，而不是奥氏体化学成分的影响。 ( 8 ) 表面浮凸效应与马氏体相变相似，贝氏体转变伴随表面浮凸，但其浮凸 特征与马氏体有本质差别。与马氏体的瞬间爆发式长大不同，贝氏体长大速度与 等温温度和奥氏体化学成分有关，贝氏体片在厚度和长度两个方向同时长大，但 长度方向的长大更快，贝氏体长大动力学规律支持台阶长大机制【3 6 】。 ( 9 ) 碳化物形态t e m 研究显示，碳化物以平行小片状存在于贝氏体铁素体 片间或存在与贝氏体铁素体中并与贝氏体条片主轴呈一定夹角。若贝氏体形成温 度降低，碳化物尺寸更小，并与贝氏体主轴呈特定夹角排列，若转变温度提高， 碳化物尺度增大，排列方向与贝氏体主轴平行。 ( 1 0 ) 相变机制一种观点认为贝氏体转变是含过饱和的铁素体切变的过程，而 另一些学者认为贝氏体由铁素体和碳化物组成，二者由奥氏体直接分解形成。两 种理论均认为，贝氏体转变的领先相为铁素体，即铁素体优先形核。二者争论的 重点之一是贝氏体是否以台阶机制长大阢”j 。 1 5 3 贝氏体的组织形貌 合金成分、机械及热处理工艺等对贝氏体组织形貌的影响很大，导致了贝氏 体形态的多样性，如经常在钢中见到的上贝氏体，下贝氏体，粒状贝氏体及无碳 化物贝氏体等等。关于贝氏体组织形貌的分类，不同的研究者根据不同的材料， 建立了不同的分类体系。 日本学者大森靖也( o h m o r i ) 等人【3 9 , 4 0 l 对低碳n i c r - m o 钢的等温和连续冷却相 变组织作了系统研究，基于复型和t e m 技术对贝氏体的精细结构及晶体学研究， 根据碳化物的形态及分布，将低碳低合金高强度钢( h s l a ) 中贝氏体分为三类，分 别称为第一类、第二类及第三类，并用符号bi ，b 1 1 和b i l l 表示。 f 1 1bi 在5 0 0 6 0 0 温度范围内等温或以中等冷却速度时形成。贝氏体由单 铁素体板条组成，板条间无碳化物析出，故又称为之为无碳化物贝氏体。铁素体 板条间分布有残余奥氏体膜，在随后冷却过程中，则有可能形成马氏体或马氏体 奥氏体膜。 ( 2 ) 在4 5 0 - - 5 0 0 温度区涮等温，或以中等冷却速度冷却时，形成b i i 型贝氏 体，它与上贝氏体类似，碳化物分布在铁素体板条间。 ( 3 ) 在4 5 0 m s 之间时，b i l l 型贝氏体形成，它与下贝氏体相似，碳化物在贝氏 体板条内析出。 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 以上分类是通过研究钢的等温转变产物特征做出的。然而在实际生产中，主 要发生连续冷却相变。例如，低合金钢奥氏体连续冷却时通常转变成粒状贝氏体。 遗憾的是，大森靖也未对这种组织做出描述。 目前，应用比较多的是由b r a m f i t t 和s p e e r 4 1 提出的一种贝氏体分类体系，如 图3 所示。在该体系中，根据二次相的分布，把贝氏体也分为三类，分别用符号 b 卜b 2 及b 3 表示，以区别于大森靖也分类体系。 ( 1 ) b l 贝氏体：在针状或片状贝氏体铁素体板条内分布着片状析出物。 ( 2 ) b 2 贝氏体：在针状或片状贝氏体铁素体板条间分布着片状、粒状状或薄膜 状析出物。 ( 3 ) b 3 贝氏体：在贝氏体铁素体板条间分布着离散的残余奥氏体相或它的二次 分解产物，如珠光体、马氏体或者马氏体奥氏体。 与大森靖也分类体系不同的是，b r a m f i t t 和s p e e r 根据二次相的形态及类型， 又把上述每一类贝氏体进一步细分成若干个具体的贝氏体形态，这样就更加能够 准确地描述贝氏体的组织形貌。在该体系中用右上标表示第二相类型，如a 、c 、1 1 3 、 p 及等分别表示第二相为奥氏体、渗碳体、马氏体、珠光体及碳化物等。这样， 按照该分类方法，经典的下贝氏体表示为b i ( 或b f ) ，经典的上贝氏体在该系统中 渗碳体( b j ) e 碳化物( b ：) 渗碳体( 哎) 奥氏体( b ! ) 马氏体( b ：) 奥氏体( b ；) 马氏体( b ；) 珠光体( b ：) 图3b r a m f i t t s p e e r 关于显微组织的分类 f i g 3b r a m f i t t - s p e e rc l a s s i f i c a t i o no f m i c r o s t r u c t u r 命名为b ；，大多数粒状贝氏体可表示为b ；4 。从上面的贝氏体分类可以看出， 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 b r a m f i t t - s p e e r 分类方法能较全面地描述了贝氏体组织的形貌，应用较广泛1 4 2 , 4 3 】。 关于几种典型的贝氏体形态，现做如下描述： ( 1 ) 上贝氏体上贝氏体是在贝氏体转变温度区的上部形成。它优先在原奥氏 体晶界形核，板条状铁素体呈长条状。碳化物在铁素体之间析出，碳化物的析出 方向与贝氏体铁素体的板条束方向平行。 ( 2 ) 下贝氏体下贝氏体是在贝氏体转变温度区间的下部形成，呈现不规则的 圆片状，条片间经常互相交角相遇。下贝氏体有先在奥氏体晶内形核，也在晶界 形核。下贝氏体极易被腐蚀，在光学显微镜下通常呈黑色片状形态。 ( 3 ) 粒状贝氏体当奥氏体冷却到上贝氏体的较高温度区析出铁素体后，由于 碳扩散到奥氏体中，使奥氏体不均匀地富碳，不再转变为铁素体。这些奥氏体区 域( 岛) 般呈粒状或长条状，分布在铁素体其体上。这种奥氏体在连续冷却或 等温过程中，可以部分地分解或转变，岛内转变为m a 组织。 ( 4 ) 无碳贝氏体由于低碳贝氏体钢含碳量低，板条之间无渗碳体型碳化物， 板条内亦无这类碳化物析出，板长内存在大量的位错，而板条的边界由位错墙构 成，板条之间存在一些尺寸细小的残留奥氏体及m a 组织。 贝氏体的形态复杂，学者f 1 的认识不同，分类也不同，而其形态的多样性也 正说明了贝氏体相变的复杂性。但是上贝氏体和下贝氏体是学者们都接受的传统 贝氏体分类。 1 5 4 下贝氏体碳化物 广义显微组织定义认为：贝氏体是铁素体和碳化物组成的非层片状共析分解 产物。所以碳化物是贝氏体组织必不可少的组成部分，来源于奥氏体的贝氏体碳 化物不同于其它从奥氏体内析出的碳化物( 如先共析碳化物) 。贝氏体碳化物的主 要特征包括：其形成与铁素体的形核长大密不可分，二者竞相形核，竞相长大， 互相促进。故贝氏体碳化物直接与贝氏体定义、转变机制相联系，是贝氏体的重 要组成部分m j 。 钢中下贝氏体转变导致形成铁素体和碳化物的非层片聚合物，呈片状、棒状 或不连续点状的碳化物分布于透镜状铁素体内部，并与其长轴约成6 0 。夹角。 f i s h e r 4 5 1 9 5 0 年观察到下贝氏体碳化物存在于铁素体内部，且与铁素体片条主轴 问夹角呈5 5 6 0 。方向析出，其形态与回火马氏体中碳化物相似。早期研究普遍 认为：新形成的贝氏体铁素体中含过饱和碳，故在等温或随后的冷却过程中，碳 化物在含过饱和碳化物的贝氏体铁素体内部析出，下贝氏体碳化物呈上述特定分 布形态。但后来又有报导表明，除上述事实外，还观察到碳化物与铁素体片条主 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 轴呈6 0 7 0 。夹角析出形态。此外，v a s u d e v a n 等人在研究 f e 0 9 7 c 0 1 4 n i 0 1 4 c r - o 1 3 s i 0 1 6 m n 合金下贝氏体碳化物分布时发现，在等温温 度低于3 2 0 形成的下贝氏体中，碳化物存在于铁素体片条内部，但碳化物的析 出方向既非与铁素体主轴呈5 5 6 0 。央角的特殊排列，又非上面提到的6 0 7 0 。夹 角分布形态，而是与上贝氏体碳化物类似，呈与铁素体片条主轴方向近似平行排 列，并随相变温度升高，碳化物析出方向与铁素体片条主轴方向夹角逐渐增大， 其晶体结构及晶体学特征比较复杂，衍射结果难以标定。 对于下贝氏体碳化物，早期的研究成果可总结如下： ( 1 1 下贝氏体碳化物存在于铁素体内部，此现象导致许多切变理论学者认为碳 化物析出自铁素体，并由此推测铁素体中含过饱和的碳。 ( 2 ) 下贝氏体碳化物具有f e 3 c 型晶体结构，原奥氏体中合金元素对晶体结构 无影响。 ( 3 1 下贝氏体碳化物自身形态呈短棒状。 ( 4 ) 下贝氏体碳化物至少存在以下三种分布形态，如图4 所示，但必须强调 指出，这三种形态往往是混合存在： 形态i ：与铁素体主轴呈5 5 5 0 。夹角，如图4 ( a ) ： 形态i i ：与铁素体主轴呈6 0 7 0 。夹角，如图4 ( b ) ； 形态i i i ：与铁素体主轴呈近似平行排列，如图4 ( c ) 。 互口至多 ( a ) 1 5 5 贝氏体钢 ( b ) 图4 下贝氏体碳化物分布形式示意图 f i g 4m o d e lo f l o w e rb a i n i t ec a r b i d ep r e c i p i t a i t o n ( c ) 近几十年来，贝氏体理论的应用研究取得了重大进展，贝氏体钢的研究开发 已经引起学术界和工程界的高度重视，贝氏体钢在工业生产中也得到了广泛应用。 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，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及 其应用 4 6 , 4 7 1 。 2 0 世纪5 0 年代，英国人i r v i n e 和p i c k e t i n g 等发明了m o b 系空冷贝氏体钢。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 m o 和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。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。 清华大学方鸿生等在研究中发现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