（材料学专业论文）一种铬钼钒钢的cct曲线及贝氏体区形变研究.pdf

摘要 摘要 近年来，研究发现以铁素体及弥散分布的碳化物为特征的贝氏体组织 具有良好的力学性能。对此，人们研究了多种因素对贝氏体相变及贝氏体 组织的影响，而关于贝氏体区形变对其影响的报道，还未曾见到。 本文以3 c r - l m o 一0 2 5 v 钢为实验材料，利用g l e e b l e 一3 5 0 0 热模拟试验 机，测定了该钢的转变点和c c t 曲线，并对该钢在贝氏体区形变进行了研 究。采用金相、扫描电镜、透射电镜、硬度等实验方法对处理后的试样进 行了组织和性能的分析。 相变点及c c t 曲线测定结果表明： 3 c r - 1 m o 一0 2 5 v 钢的相变点a c l 8 0 0 、a c 3 8 9 0 、a r l 7 2 0 、a r 3 8 4 5 。 在所测冷速范围内，c c t 图中存在两种相变区，即高冷速的马氏体转变区 和低冷速的贝氏体相变区。当冷速大于3 0 c s 时，可获得马氏体组织；当 冷速为1 5 3 0 5 时获得马氏体、贝氏体混合组织；当冷速小于1 5 。c s 时获 得贝氏体组织。 贝氏体区形变对贝氏体相变及贝氏体组织的影响表现在： 在贝氏体相变后形变，随形变温度的降低、形变量的增加，贝氏体铁 素体条片状特征趋于明显，硬度增加。在贝氏体相变中形变，随形变温度 的降低贝氏体铁素体条片状特征趋于明显，碳化物尺寸变小，弥散度减小， 硬度增加；随形变量的增加，贝氏体铁素体条片状特征趋于明显，析出物 尺寸变小、弥散度增加，硬度增加。在贝氏体相变中形变，有促进碳化物 在铁素体片条中析出的作用。在相同的形变条件下，相变中形变的试样由 于析出软化而硬度较低。 关键词贝氏体钢；c c t 曲线；形变：碳化物：析出 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h es t u d yd e m o n s t r a t e s t h a tt h eb a i n i t i cm i c r o s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o fb a i n i t i cf e r r i t ea n dc a r b i d e p r e c i p i t a t e sp o s s e s s e s e x c e l l e n t c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s n u m e r o u ss t u d i e sh a v eb e e nd o n eo ni t b u tf e ws t u d i e so nt h ee f f e c t so fd e f o r m a t i o ni nb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nr e g i o n o nb a i n i t i cm i c r o s t r u c t u r ea n dt r a n s f o r m a t i o nh a v eb e e nr e p o r t e d i nt h i s p a p e r , 3 c r - l m o - 0 2 5 v s t e e lw a ss e l e c t e df o re x p e r i m e n t s t h e c r i t i c a l p o i n t s ，t h e c c tc a r w ea n dt h ee f f e c t so fd e f o r m a t i o ni nb a i n i t i c t r a n s f o r m a t i o nr e g i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h es t e e l w e r e i n v e s t i g a t e db yu s i n g o fg l e e b l e 一3 5 0 0t h e r m a l s i m u l a t o r ，o p t i c a l m i c r o s c o p e ，s e m ，t e ma n d h a r d n e s sm e a s u r e m e n t i ti so b s e r v e dt h a tt h ec r i t i c a lp o i n t sa c l ，a c 3 ，a r l a n da r 3o ft h es t e e la r e 8 0 0 ，8 9 0 ，7 2 0 a n d8 4 5 r e s p e c t i v e l y ，t h ec c t c u r v ee x i s t sm a r t e n s i t i c t r a n s f o r m a t i o nr e g i o na th i g hc o o l i n gr a t ea n db a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o nr e g i o na t l o w e rc o o l i n gr a t e m a r t e n s i t ec a nb eo b t a i n e da tt h ec o o l i n gr a t eh i g h e rt h a n3 0 s m i x e dm i c r o s t r u c t u r ew i t hm a r t e n s i t ea n db a i n n i t ec a nb eo b t a i n e da tt h e c o o l i n gr a t ei nar a n g ef r o m 1 5 c st o3 0 c s ，b a i n i t ec a nb eo b t a i n e da tt h e c o o l i n g r a t el o w e rt h a n1 5 * c s 。 w h e nd e f o r m a t i o nw a sp e r f o r m e da f t e rb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n w i t l lt h e d e f o r m e dt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n go rt h er e d u c t i o ni n c r e a s i n g , t h el a t hc h a r a c t e r o f b a i n i t i cf e r r i t ei se v i d e n ta n dt h eh a r d n e s so f 也es p e c i m e ni n e r e a s e s w h e nd e f o r m a t i o nw a sp e r f o r m e dd u r i n gb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o n w i mt h e d e f o r m e dt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ，t h el a t hc h a r a c t e ro f b a i n i t i cf e r r i t ei se v i d e n t ， t h ed i m e n s i o na n dd i s p e r s i o no ft h ep r e c i p i t a t e sd e c r e a s e sa n dt h eh a r d n e s so f t h es p e c i m e ni n c r e a s e s ，a n dw i t ht h er e d u c t i o ni n c r e a s i n g ，t h ed i m e n s i o no ft h e p r e c i p i t a t e s d e c r e a s e s ，t h ed i s p e r s i o ni n c r e a s e s ，t h e h a r d n e s so fs p e c i m e n i n c r e a s e s h a b s t r a c t d e f o r m a t i o np e r f o r m e dd u r i n gb a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o np r o m o t e sc a r b i d e p r e c i p i t a t e i nb a i n i t i cf e r r i t el a t h s ，【nt h es a m ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s t h e h a r d n e s so ft h es p e c i m e nd e f o r m e d d u r i n gb a i n i t i et r a n s f o r m a t i o ni sl o w e rt h a n t l l a td e f o r m e da f t e rb a i n i t i ct r a n s f o r l n a t i o n b e c a u s eo fs o f t e nd u et o p r e c i p i t a t i o n - k e y w o r d sb a i n i t i cs t e e l ；c c tc u r v e ；d e f o r m a t i o n ；c a r b i d e ；p r e c i p i t a t i o n 1 1 1 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 钢铁材料是国民经济各部门中使用量最大、最为重要的材料品种之一， 随着国民经济的飞速发展，对于钢铁材料的需求量增大的同时，对其性能 要求也越来越苛刻。 以铁素体及弥散分布的碳化物为特征的贝氏体钢以其优越的性能，越 来越多的受到人们的关注，并在众多钢铁材料品种中脱颖丽出。贝氏体钢 的研究和开发已经引起学术界和工程界的高度重视，先后开发了m o b 、 m n b 、s i - m n b 、m n n i - n b 、c r - n i m o v 、c r - m o v 等系列贝氏体钢种。 贝氏体钢处理工艺简单，综合力学性能优越，和调质钢相比，在相同 的强度下，具有较高的塑性和韧性，与回火马氏体相比，具有更高的疲劳 性能和耐磨性能。通过调整化学成分和变质处理，可获得铸态贝氏体钢或 轧后空冷贝氏体钢，以取代传统的等温淬火工艺，使其应用范围迅速扩大。 贝氏体钢已成为一种新型材料广泛应用于冶金、矿山、石油、汽车、工程 机械等各个领域，我国中低碳贝氏体钢也已经应用于高强度抽油杆、汽车 前桥、高强度耐磨钢板、重型钎杆及截齿、加氢反应器等重要工件。 目前，贝氏体系列钢的研究仍处于贝氏体相变机理的研究与贝氏体钢 的开发与推广应用阶段，理想的贝氏体组织与良好的力学性能的结合还有 待与对影响贝氏体相变的众多因素的研究。在这方面，人们已经做了大量 的工作，研究了诸多影响贝氏体相变的因素，取得了相当大的成绩。但对 于贝氏体区形变对贝氏体相变及贝氏体组织的影响，还未见报道。 贝氏体区是贝氏体转变最直接的温度区间，在此区间对贝氏体钢旌以 形变，必然对贝氏体相交及贝氏体组织产生巨大的影响。本文就是立足这 一思想，针对3 c r - l m o 0 2 5 v 这种贝氏体钢展开分析。首先测定钢的动力 学转变曲线，并以此为依据确定贝氏体区形变的基本参数。通过贝氏体相 变后、相变中及贝氏体区不同温度、不同形变量的形变，研究形交对贝氏 燕山大学工学硕士学位论文 体相变及贝氏体组织性能的影响，为贝氏体研究及贝氏体钢的发展及应用 提供参考依据。 1 2 贝氏体钢的研究历史及发展趋势 b a i n 等人于1 9 3 0 年首次发表了奥氏体中温转变产物的光学照片。到 1 9 3 9 年r f m e h l 把贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体l i j 。 i r v i n e 和p i c k e t i n g 2 j 等人于2 0 世纪5 0 年代，在系统研究合金元素对过 冷奥氏体转变动力学的影响，以及贝氏体转变温度与形态和性能之间关系 的基础上，开发出在正火状态便可获得贝氏体组织的m o b 贝氏体铜。 由于m o 价格昂贵，为了降低鼠点，提高钢的的强韧性，需要加入其 它合金元素，而m n 的价格低廉，降低臆点的作用显著，经大量实验研究， 方鸿生 3 1 等人于2 0 世纪7 0 年代开发出在正火状态便可获得贝氏体组织的 m n b 贝氏体。此种贝氏体钢在生产过程中可将热加工成形工序与热处理工 序合并，省去淬火工序，不仅节约能源，简化工艺提高生产效率，而且可 以避免淬火引起的变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷，故m n - b 系贝 氏体钢很快进入了工业应用。随着对贝氏体钢强韧性研究的深入。m n b 系 贝氏体钢逐步形成了低碳、中低碳、中碳和高碳的钢种系列。 康沫狂【4 ，5 j 等人在m o b 系贝氏体钢的基础上减少了m o 的加入量，取 消b 并加入一定量的s i 抑制贝氏体碳化物的析出，开发出由贝氏体铁索体 和富碳的膜状残余奥氏体组成的m n s i m o 系贝氏体钢并发展成系列。国家 科委也先后将这些新型空冷贝氏体技术列为科技成果重点推广项目，加大 了推广力度。 当前，应用效果显著的贝氏体钢品种有：贝氏体耐磨钢球、高硬度耐 磨低合金贝氏体铸钢、刮板截齿类耐磨件、耐磨传输管材、贝氏体非调质 钢。正在研究的贝氏体钢种有：贝氏体弹簧钢、建筑用贝氏体高强度钢筋、 铁路道岔。有待研究的贝氏体钢种有：油田用抽油杆用钢、工程结构用钢、 贝氏体齿轮钢、标准件、塑料行业用模具及模块、农用机械、自行车架1 6 】。 随着人们对贝氏体及贝氏体钢的深入研究，不断将低成本、高效益的 2 第1 章绪论 贝氏体钢推向生产第一线，贝氏体钢将会咀其优越的性能，赢得更广阔的 发展前景。 1 3 贝氏体及贝氏体转变 1 3 1 钢的贝氏体相变 2 0 世纪4 0 年代末将奥氏体中温转变产物命名为贝氏体。半个多世纪以 来，贝氏体相变的研究十分活跃，不断丰富和发展了贝氏体相变的学说， 贝氏体组织在工程上也得到了越来越多的应用。 钢中的贝氏体相变是介于珠光体相变和马氏体相变之间的中温转变。 在碳素钢的c c t 图中，贝氏体转变c 。曲线与珠光体转变c 曲线重叠。而 在合金钢中，贝氏体相变有单独的c 一曲线，从而使得珠光体c 曲线与贝氏 体c 一曲线完全分离，在中间有一个宽广的温度范围，过冷奥氏体长时间等 温不发生转变，此处成为“河湾区”。在河湾区既不发生珠光体转变也不发 生贝氏体相交，是一个“非军事区”。但在多数情况下，珠光体转变c 曲线 与贝氏体c 曲线有不同程度的连接p 1 。 1 3 2 贝氏体相变基本特征 关于氏体相变的特征历史上，许多学者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，然后该转变停滞引。 ( 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归j 。 ( 3 ) 贝氏体转变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 燕山大学工学硕士学位论文 而不分解。 ( 4 ) 关于毋温度存在一确定温度，在此温度以上不发生贝氏体转变， 此温度定义为质温度，与 矗温度相似，展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，将降低毋温度，并减小转变速率。置换型 元素的影响程度比碳约低一个数量级。 ( 5 ) 关于研温度在等温条件下，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、c r 、m o 含量无关。根据合金钢种类不同， 口，温度可能低于或高于尬温度，对舰温度高于研温度的合金，无法获得 纯贝氏体组织。若坛温度低于b ，温度，则可得近于纯贝氏体组织。 ( 6 ) 显微组织特征贝氏体由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交温度，而不是奥氏体化学成分的影响。 ( 7 ) 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不支 持切变观点【。 ( 8 ) 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 铁素体片问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，并与贝氏体主轴星特定夹角排列， 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【l 0 “l 。 ( 9 ) 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，即铁索体 优先形核0 5 - 1 8 1 。 1 - 3 3 贝氏体的形貌及亚结构 钢中贝氏体的形态极为复杂，这是由于贝氏体相变的中间过渡性造成 4 第1 章绪论 的。早在1 9 3 9 年m e h l 就将贝氏体分为两类：上贝氏体和下贝氏体。半个 多世纪的研究，发现了更多复杂的贝氏体组织形貌，如粒状贝氏体、无碳 贝氏体、准贝氏体、柱状贝氏体，名称较多。贝氏体本质上是贝氏体铁素 体( b f ) 和日- 渗碳体( 或s 碳化物) 的有机结合体，组织中常夹杂着残 余奥氏体、马氏体等相，组成相较多，形态多变。在较高温度区形成上贝 氏体，在“鼻温”以下的较低温度区域形成下贝氏体。二者在组织上的主 要区别，一是贝氏体铁素体的形态差异，二是碳化物的形态和析出位置不 同。现将典型贝氏体特征介绍如下。 1 3 3 1 上贝氏体形貌上贝氏体是在贝氏体转变温度区的上部形成，形态各 异，主要分为无碳( 化合物) 贝氏体、粒状贝氏体、经典上贝氏体、准上 贝氏体4 种。 ( 1 ) 无碳贝氏体无碳贝氏体有时也称b l 型贝氏体。这种贝氏体在低 碳低合金钢中出现的几率较多。当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残 余奥氏体丽不存在碳化物时，这种贝氏体就是无碳化物贝氏体，或称无碳 贝氏体。无碳贝氏体中的铁素体片条平行排列，其尺寸及间距较宽，片条 间是富碳奥氏体，或其冷却过程的产物。往往有如下情况的出现： 由于s i 、a l 不溶于渗碳体，故延迟渗碳体的形成，因此，在硅钢和 铝钢的上贝氏体中，常常在室温时还保留着残余奥氏体，而不析出渗碳体， 形成无碳贝氏体。 在低合金钢中，形成贝氏体铁素体后，渗碳体尚未析出，贝氏体铁 素体间仍为奥氏体，碳不断向奥氏体中扩散富集，使奥氏体趋于稳定而保 留下来，形成无碳化物贝氏体。 ( 2 ) 粒状贝氏体当奥氏体冷却至4 上贝氏体的较高温度区，析出贝氏 体铁素体后，由于碳扩散到奥氏体中，使奥氏体不均匀地富碳，不再转变 为铁索体。这些奥氏体区域( 岛) 一般呈粒状或长条状，分布在铁素体基 体上。这种奥氏体在冷却或等温过程中，可以部分地分解或转变，岛内转 变为m - a 组织。在奥氏体岛未分解之前，粒状贝氏体实际上是无碳化物贝 氏体。因此，无碳化物贝氏体是粒状贝氏体的一种特殊组织形态。 ( 3 ) 经典上贝氏体经典上贝氏体是由板条状铁素体和条间分布不连 燕山大学工学硕士学位论文 续碳化物组成。贝氏体铁素体条问碳化物是片状形态的细小渗碳体。经典 上贝氏体的组织形貌呈现羽毛状，随温度降低和钢种碳含量的增高，板条 状铁索体( b f ) 变薄，位错密度提高，碳化物颗粒变小，弥散度增加。 ( 4 ) 准上贝氏体准上贝氏体与无碳贝氏体相似，也没有碳化物，其 贝氏体铁素体条之间的富碳奥氏体是层薄膜【l ”“。 1 3 3 | 2 下贝氏体形貌下贝氏体是在贝氏体相变温度区间的下部形成，呈单 个条片状，条片问经常互相交角相遇。下贝氏体有先在奥氏体晶内形核， 也在晶界形核。下贝氏体形态主要分经典下贝氏体和准下贝氏体。 ( 1 ) 经典下贝氏体经典下贝氏体在光学显微镜下呈黑色针状，与回 火马氏体相似，碳化物排列在片内，一般与片的长轴成5 5 。至6 0 。角，也 有与长轴平行的。在等温初期先形成r 一碳化物，长时间等温则形成渗碳体， 尤其在硅钢中易见到下贝氏体中存在e 碳化物。 ( 2 ) 准下贝氏体准下贝氏体不同于经典的下贝氏体，在它的铁素体 ( b f ) 内按一定角度排列的是残余奥氏体而不是碳化物，在准下贝氏体的 铁素体内，可见到许多亚板条，它常在含硅钢中出现。延长等温时间，奥 氏体膜将分解为碳化物，而形成经典下贝氏体。 在工业用钢中，除了出现典型的贝氏体组织外，还同时出现形形色色 的各种贝氏体组织，它们有机地结合在一起，如上贝氏体和下贝氏体的有 机结合、上贝氏体和粒状贝氏体的有机结合等。实际钢中还经常出现贝氏 体和马氏体的有机结合的组织。上贝氏体和低碳板条马氏体的形貌相似， 但是上贝氏体的位错密度较马氏体低。高碳片状马氏体和下贝氏体的相貌 类似，但前者的亚结构是孪晶，而下贝氏体中很少看到孪晶 2 3 - 2 7 1 。 贝氏体形态复杂，名称较多，诸如无碳贝氏体、粒状贝氏体、准贝氏 体、逆贝氏体、柱状贝氏体，特殊下贝氏体等，还有近年来发现的类马氏 体形貌的贝氏体，如正三角贝氏体、“n ”贝氏体、蝴蝶型贝氏体等。 对于形形色色的贝氏体形貌，各派有不同的认识。贝氏体组织形态的 多样性说明了贝氏体相变及其复杂性。但上贝氏体、下贝氏体是各派都接 受的传统贝氏体分类。形态各异的贝氏体，其实都是上贝氏体或下贝氏体 的变态，重点弄清贝氏体的物理本质，没有必要给贝氏体起更多的名称【7 l 。 6 第1 章绪论 1 3 4 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1 2 & ”l 。 1 3 4 1 上贝氏体碳化物对上贝氏体碳化物的早期研究结果，可总结如下： ( 1 ) 类型上贝氏体碳化物几乎均为渗碳体( 目) ，点阵类型为正交型， 分布于t ：片间奥氏体内，铁素体内并不含有口。 ( 2 ) 来源关于上贝氏体碳化物的来源分歧较少，早期认为，上贝氏 体转变温度较高，碳原子扩散速度快，在r a 的点阵转变同时，大量碳 原子扩散进入a 片条周围或a 亚片条问，内；碳扩散导致a 中碳的过饱和 度显著下降，而相邻y 内碳浓度不断提高：随着a 侧片或亚片条不断增厚， ，中碳含量不断提高，最终导致基体州勺临界切变温度低于等温温度， 此时相变停滞。r 碳含量不断增加的另一作用是：可能导致碳化物在富碳 奥氏体区域析出，形成碳化物存在于相关的r 内，此时即所谓上贝氏体碳 化物。h i l l e r t l 3 0 指出，上贝氏体相变与珠光体相变相似，属半扩散型相变， 但珠光体组织的形成是通过a 与目的协调长大，而上贝氏体形成时，首先 形成t t 片条，然后在贝氏体a 片条侧面析出口。他还认为，魏氏体组织a 与上贝氏体在组织形态上具有一定的连续性，二者同属于半扩散型相变。 ( 3 ) 存在位置从其来源可知，它只在贝氏体铁索体亚片条( 有时也 可能为亚单元) 之间单独存在或与残余奥氏体同时存在，但h u a n g 3 1 1 等发 现，碳化物析出后，t 可能继续长大，并将先析出的碳化物完全包围，从 而形成类似于下贝氏体组织中碳化物存在于铁素体片条内部的表观现象。 ( 4 ) 形态f i s h e r 3 2 】运用t e m 及覆型技术表明，上贝氏体中口的三维 形态为不规则的丝带状，从二维角度看，短杆状的渗碳体平行于铁素体的 燕山大学工学硕士学位论文 长轴。 ( 5 ) 分布由于是在口片条( 甚至亚片条或亚单元) 间的r 内析出， 故a 片条( 或亚片条、亚单元) 的分布决定了碳化物的分布，碳化物存在 于a 亚片条之间时，其排列近似与州午束主轴方向平行，若碳化物析出自 a 亚单元之间，则其分布取决于亚单元的形态及排列。 ( 6 ) 模型图1 1 为上贝氏体碳化物析出模型示意图。转变初期，口首 先在，晶界上形核并长大，形成口侧片，如图1 一l ( a ) 所示。此时。r 界 面附近的碳浓度变化如图1 1 ( b ) 所示。通过激发形核，在先形成的a 侧 片周围，形成另一a 侧片，显然，两侧片间存在富碳的y 区。若动力学、 热力学条件满足，则富碳y 内将析出碳化物0 l ，如图1 1 ( c ) 所示。随等 温时间的延长，贝氏体口束的形态演化为如图1 一l ( d ) 所示，图中在两个 相邻的a 弧单元之间，将析出另外一种碳化物02 。由图可知，口l 型的碳化 物排歹4 近似与g 束主轴方向平行，而在亚单元之间析出的02 型碳化物的排 列取决于a 亚单元端部相邻宽面与铁索体片主轴之间的夹角及亚单元的形 态。 ( a ) 口侧片 y 晶界 ( c ) 界 距离( 任意单位) ( b ) 口侧片 ( d )( e ) 图1 - 1 上贝氏体碳化物析出模型 f i g 1 - 1m o d e lo f u p p e r b a i n i t ec a r b i d e p r e c i p i t a t i o n 8 越蒜燕 第1 章绪论 此外，由以上分析还可知道，若盯亚片条、亚单元问川| 勺稳定性较高， 则不析出碳化物，r 以残余奥氏体形式保留至室温，如图1 1 ( d ) 所示， 其所示组织即为无碳化物贝氏体，或称无碳贝氏体。碳化物在a 片条间析 出是影响贝氏体力学性能的重要因素。 1 ，3 4 2 下贝氏体碳化物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 0 夹角。f i s h e r l 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间夹角呈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：新形成的贝氏体铁紊体中含过饱和碳，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索体内部析出， 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轴呈6 0 7 0 。夹角析出形态。 此外，v a s u d e v a n 3 3 1 等人在研究f e 一0 9 7 c 一0 1 4 n i 0 】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 c 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 。夹角的特殊排列，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 ) 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索体，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 ) 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1 2 所示，但 必须强调指出，这三种形态往往是混合存在1 3 4 。3 9 l ： 形态i ：与铁素体主轴呈5 5 6 0 。夹角，如图1 2 ( a ) ； 9 燕山大学工学硕士学位论文 形态i i ：与铁素体主轴呈6 0 7 0 0 夹角，如图1 - 2 ( b ) ： 形态l i i ：与铁素体主轴呈近似平行排列，如图1 - 2 ( c ) 。 ( b ) 图1 2f 贝氏体碳化物分布形式示意图 f i g 1 - 2m o d e l o 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 t i o n 1 3 , 5 贝氏体相变的过渡性 钢中的贝氏体相变发生在中温转变区，它与高温区的珠光体分解以及 低温区的马氏体相变都有密切的联系，因而更具复杂性，认识贝氏体整合 系统更具艰巨性。过冷奥氏体作为一个整合系统，从整体上看，从高温区 珠光体共析分解到低温区马氏体无扩散相变是一个逐级演化的过程。全过 程分为三个不同性质的阶段；高温区珠光体共析分解一中温区贝氏体转变 一低温区马氏体相变。三个阶段既有联系又有区别，应当把握整合系统的 整体性，中温转变是这个系统的中间过渡环节。 碳及合金元素原子扩散速度随着温度的降低而减慢，是导致分阶段转 变的一个诱因。在高温区，原子扩散能力强，进行扩散型的珠光体分解： 而在低温区，铁原子和替换原子难以扩散，则发生无扩散的马氏体相变； 在中温区，碳原子尚有足够的扩散能力，但铁原子的自扩散和替换原子的 扩散显著变慢，但也没有完全失去扩散能力。 贝氏体转变跟珠光体分解、马氏体相变既有区别，又有联系，表现出 从扩散型相交到无扩散型相交的过渡性、交叉性，同时又有自己的特殊性。 它在转变机制上既打上了珠光体分解的烙印，又打上了马氏体相变的烙印。 贝氏体的组织形貌十分复杂，表现为既承袭了珠光体组织的某些特征又保 留了马氏体组织的一些色彩，具有明显的过渡性。 过冷奥氏体作为一个整合系统，从高温区到低温区，从扩散型转变过 l o 第1 章绪论 渡到无扩散型转变，系统自组织功能安排一个过渡区，既中温转变区，是 符合自然事物演化规律的。在相变机制和转变产物的组织结构方面表现为 过渡特征h 0 4 3 1 。 1 4 钢的相变动力学曲线及应用 1 4 1 相变动力学曲线 钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线又叫c c t 曲线。它是分析连续冷却 过程中奥氏体转变过程及转变产物组织和性能的依据，也是制定钢的热处 理工艺的重要参考资料。 它系统地表示冷却速度对转变开始点、相变进行速度和组织的影响情 况。一般的热处理、形变热处理、热轧材的控制冷却以及焊接等生产工艺， 均是在连续冷却的状态下发生相变的。c c t 曲线与实际生产条件相当近似， 所以它是制订工艺时的有用参考资料。根据连续冷却转变曲线，可以选择 最适当的工艺规范，从而得到恰好的组织，达到提高强度和塑性以及防止 焊接裂纹的产生等。 1 4 2 相变动力学曲线的测定 连续冷却转变曲线比等温转变曲线复杂，有所谓不发生转变的温度范 围。曲线的测定也较困难，这是由于冷却是连续进行的，而且有些冷却速 度相当地快，使得测量不易准确。 测定连续冷却转变曲线时，一般以爿c 3 点作为计时的零点。有时也用奥 氏体化温度作为计算冷却时间的开始点，温度测量系用直径在0 3 m m 以下 的热电偶丝直接焊接在试样的中部进行的。加热时的升温速度通常控制在 o 0 5 s 以下，但对焊接用材的试样则是高温快速加热。 转变的开始点与结束点随冷却速度的增加而降低。试样的冷却速度的 改变：当低于1 0 0 0 时，有采用程序温度控制装置实现恒速冷却；在更高 的冷却速度时，可采用不同的冷却剂，如水雾、风、静止空气以及用各种 保护村套等自然冷却；高速冷却时，可用盐水、水、油淬及液体氮、氨的 i 燕山大学工学硕士学位论文 蒸汽等。 测定钢的c c t 曲线有多种方法，例如：金相法、膨胀法、末端淬火法、 热分析法及微分热分析法、由s 曲线计算法、由s 曲线作图法、磁性感应 法、金相法，各种方法各有优缺点。在本文的研究中，采用了膨胀法测定 了钢的c c t 曲线。 热膨胀法是测定c c t 曲线的一种较为常用的方法。为此发展了各种快 速测量高度灵敏的膨胀仪，它们不但能测定奥氏体稳定性高的、转变速度 慢的钢种，而且也能测定奥氏体稳定性低的、转变速度快的钢种。特别是 在研究焊接工艺和特殊轧制工艺，如奥氏体形变热处理、控n 车i , n 等方面 都十分方便。使用的设备仪器基本上与测定等温转变曲线的相同，但较复 杂，必须配备有控制不同冷却速度的装置和能快速测量并同时记录温度、 长度、时间等三参数的自动记录器等测试设施。其中热模拟实验机是理想 的实验设备。 热模拟实验机是在物理模拟技术发展的基础上发展起来的一种高精度 热模拟实验设备。随着计算机控制技术的应用以及测量系统的完善和机械 装置的改进，不同功能的热模拟试验装置不断研制开发( 如g l e e b l e 1 0 0 0 、 1 5 0 0 、2 0 0 0 、3 2 0 0 、3 5 0 0 、3 8 0 0 等) ，模拟精度和模拟技术的应用水平又得 到迅速的提高一j 。 测定c c t 曲线需在不同冷却速度下进行，测量并记录试样的温度和膨 胀量的变化。试样可在极短时间( 1 5 s ) 内快速加热到峰值温度，与焊接特 点相似。测定的原理是根据钢的各相有不同热膨胀系数与比容不同。前者 按其由大n d , 的顺序排列为：奥氏体 铁素体 珠光体 上、下贝氏体 马氏体；比容则恰相反，是马氏体 铁素体 珠光体 奥氏体 碳化物( 但 铬和钒的碳化物的比容大于奥氏体) 。 所以在钢的组织中，凡发生铁素体溶解，碳化物析出，珠光体转变为 奥氏体和马氏体转变为口相的过程将伴随体积的收缩：凡发生铁素体析出、 奥氏体分解为珠光体或马氏体的过程将伴随着体积的膨胀。在j ，一a 相变 全过程所伴随的总的体积效应是：铁素体所占比例愈大，体积效应也较大； 碳化物所占比例大，则体积效应也较小，故碳化物愈高，总的体积效应也 1 2 第l 章绪论 较小；凡促使碳化物不能自由析出的因素，总的体积效应便增大。因此， 钢的热胀冷缩曲线，因钢种的不同而变化甚大【4 5 。4 7 】。 1 4 3 影响相变动力学曲线的因素 钢的连续冷却转变发生的温度和时间，主要取决于奥氏体的状态、成 分、均匀度、是否存在未溶杂质及奥氏体晶粒大小。其中，奥氏体晶粒增 大，其稳定性增加，溶入奥氏体中合金成分增多，其稳定性增加，奥氏体 晶粒均匀度增加，其稳定性也增加。除此之外，奥氏体化温度对钢的连续 转变也有很大的影响，提高奥氏体化温度和延长奥氏体保温时间，都会使 过冷奥氏体稳定性增加。 化学成分对过冷奥氏体的连续转变曲线有着重大的影响。除c o 之外， 所有的合金元素均使c 曲线右移，其中碳化物形成元素还使c 一曲线的形状 发生变化，提高了奥氏体的稳定性【4 8 1 。 ( 1 ) 合金元素对珠光体转变的影响合金元素( c o 、a i 出外) 均显著 推迟奥氏体向珠光体转变，其原因是：珠光体转变时，碳及合金元素需要 在铁素体体和渗碳体闾进行重新分配，由于合金元素的自扩散慢，并且碳 的扩散速度减慢因此珠光体的形核困难，降低转变速度；扩大r 相区的元 素如n i 、m n 等均降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩 散速度，阻止奥氏体向珠光体的转变；微量元素b 在晶界上内吸附，并形 成共格硼相( m 2 2 c 3 8 3 ) ，可显著阻止铁素体的形核，从而增加了奥氏体的 稳定性。 大量事实表明，只要合金元素能溶入奥氏体，就会或多或少的推迟奥 氏体向珠光体的转变，从而降低钢的临界冷却速度，增加钢的淬透性。此 外，同时加入两种或多种合金元素，其推迟珠光体转变的作用比单一元素 的作用要大得多。 ( 2 ) 合金元素对贝氏体转变的影响与珠光体转变相比，发生贝氏体 转变时，奥氏体的冷速进一步增大，此时铁与合金元素几乎不能进行扩散， 唯有碳可以进行短程距离的扩散，因此，合金元素对贝氏体转变的影响主 燕山大学工学硕士学位论文 要体现在对r a 转变速度和对碳扩散速度的影响上。 c r 、m n 、n i 等元素对贝氏体转交有较大的推迟作用，这是因为这三种 元素都能降低r 一口的转变温度，减小奥氏体和铁素体的自由能差，也就 减小了相变的驱动力。c r 与m n 还阻碍碳的扩散，故推迟贝氏体转变的作 用尤为强烈。 s i 对贝氏体转变有着颇为强烈的阻滞作用，这可能与它强烈得阻止过 饱和铁素体的脱溶有关，因为贝氏体的形成过程是与过饱和铁索体的脱溶 分不开的。 强碳化物形成元素w 、m o 、v 、t i 不同于m n 和n i ，它不是降低r a 的转变温度，而是使之升高，这就增加了奥氏体与铁素体的自由能差， 增大转变的驱动力，但由于降低了碳原子的扩散速度，因此对贝氏体转变 还是有一定的延缓作用，但比c r 、m n 要小得多。含有w 、m o 、v 、t i 的 钢，贝氏体转变的孕育期短，铁素体珠光体转变的孕育期长，空冷时容易 得到贝氏体组织。 ( 3 ) 合金元素对马氏体转变的影响除c o 、a i 之外，大多数固溶于奥 氏体的合金元素均使聪温度下降，其中，碳的作用最强烈，其次是m n 、 c r 、n i 再次为m o 、w 、s i 。钢中含有多种元素共存时，对m 点的影响可 以互相促进，下式为计算一般合金结构钢觚点温度的一种经验公式i 删： 聪( ) = 5 3 5 3 1 7 c 一3 3 m n 一2 8 c r - 1 7 n i 1 1 s i 1 1 m o 1 1 w( 1 - 1 ) 1 4 4 相变动力学曲线的应用 钢的热处理多数是在连续冷却条件下进行的，以此连续冷却转变陷线 对热处理生产具有直接的指导作用。 从c c t 曲线图上可以获得真实的钢的临界淬火速度。钢的临界淬火速 度是过冷奥氏体不发生分解直接得到全部马氏体( 含残余奥氏体) 的最 低冷却速度，它可直接从c c t 曲线图上获得，并且与c c t 曲线的形状和 位置有关。 c c t 曲线是制定钢正确的冷却规范的依据。由于钢的c c t 曲线给出了 1 4 第1 章绪论 不同冷却速度下所得到的组织和性能以及钢的l 临界淬火速度，那么根据钢 件的材质、尺寸、形状及组织性能要求，查出相应钢的c c t 曲线，即可选 择适当的冷却速度和淬火介质来满足组织性能的要求。 根据c c t 曲线可以估计淬火后钢件的组织性能。由于c c t 曲线精确 反映了钢在不同冷却速度下所经历的各种转变、转变温度、时间以及转变 产物的组织性能，以此可以预计钢件表面或内部某点在某具体热处理条件 下的组织和硬度【5 0 5 2 1 。 1 5 钢的形变 1 5 1 钢的热变形 金属在完全再结晶条件下进行的变形，称为热变形。热变形在金属熔 点绝对温度的0 7 5 0 9 5 倍的温度范围内进行。目前，除一些铸件和烧结件 外，几乎所有的铸锭、型材、制品都经过热变形，其中一部分为最终产品， 另一部分为中间产品。不论中间产品或最终产品，其性能都特受到热变形 后组织结构的影响。因此，热变形在压力加工中占有非常重要的地位。 根据合金的相图及再结晶图，热变形的温度范围，可以这样来确定： 温度的上限，大致取该合金熔点绝对温度的o 9 5 倍，即应比固相线低5 0 ( 2 左右。这样可保证不会熔化，也可避免产生过度的氧化。若该合盒中含有 低熔点物质，则须比以上温度更低，以防止易熔物质的熔化，破坏晶间联 系，造成变形材料的脆裂。从塑性图看，最高温度应取在塑性指数最大的 区域。温度的下限，要保证变形过程再结晶能充分的进行。并且整个变形 过程是在单相区完成。若变形过程中发生相变，则由变形材料性能的不均 匀而显著降低塑性。一般，热变形温度的下限，约在0 7 t * 左右，应比相变 线稍高。 为了获得晶粒较细小的产品，对于多道次变形的热变形作业，在最后 道次，一般应将变形温度降低到既可以进行充分再结晶，在热变形终了后 的冷却过程中又不致发生晶粒长大的温度。选择热变形的终了温度( 或最 低温度) 稍高于开始再结晶的温度，并采用较大的终了变形程度，以获得 燕山大学工学硕士学位论文 再结晶后最小的晶粒尺寸。 热变形比其他加工方法，如冷变形、温变形，具有一系列的优点：金 属在热变形时，变形抗力较低消耗能源较少；金属在热加工变形时，其塑 性升高，产生断裂的倾向性减少；与冷加工比较，热变形一般不易产生织 构；生产过程中，不需要像冷加工那样反复多次的中间退火，从而可使生 产工序简化，提高生产效率；通过热变形，可以改变金属材料的组织结构， 以满足对产品某些性能的要求【5 “。 1 5 2 钢的冷变形 金属和合金在低于回复温度下，完全发生加工硬化现象的压力加工， 称为冷变形或冷加工。一般金属所处温度是其熔点绝对温度的0 2 5 倍以下， 基本上是室温条件下完成的过程。钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、 冷冲等压力加工过程皆为冷变形过程。冷变形时由于硬化起主导作用，当 连续积累的冷变形量过大时，金属材料在达到所要求的形状和尺寸以前， 将因塑性指标的下降而产生破断。因此，金属材料的冷变形一般要进行多 次，各次冷变形之间，均需将硬化不能继续变形的坯料进行退火以恢复其 塑性。这种冷变形后退火，退火后又重复进行冷变形的交叉作业，称为冷 变形退火循环。在这种循环中，可使变形金属性能发生反复的变化，以得 到任意形状和尺寸以及任意硬化的产品。 冷变形虽然增加了中间退火以及一些其他辅助工序( 如某些合金因退 火而发生氧化，在继续冷变形前均需进行酸洗等) ，