（材料加工工程专业论文）钢中贝氏体组织控制工艺研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文使用金相显微镜、透射电镜和显微硬度计研究了6 0 s i 2 m n 钢和t 1 0 钢高 温( 9 7 0 ) 奥氏体化后等温淬火的贝氏体组织转变和贝氏体组织形态，重点对比 了6 0 s i 2 m n 钢常温( 8 7 0 ) 奥氏体化后等温淬火的贝氏体组织转变和贝氏体组织 形态。本论文重点讨论了类马氏体形貌贝氏体组织的转变机制：讨论了不同温度 等温的贝氏体组织转变和贝氏体组织形态，等温时间的变化对钢中贝氏体组织转 变量和残余奥氏体量的影响；分析了不同温度等温和等温不同时间条件下试验用 钢的材料洛氏硬度。 研究结果表明，改变奥氏体化温度和奥氏体化时间对贝氏体转变和贝氏体组 织形态产生影响，形成“类马氏体形貌”的板条和交叉型贝氏体组织，这种微观 组织形态由类板条状贝氏铁素体( b f ) 和残余奥氏体( a 。) 两相组成，其中残余 奥氏体较多，而且两者之问近似平行。随着奥氏体化温度、等温温度和等温时间 的变化试验材料的显微硬度和洛氏硬度产生明显的变化，硬度变化趋势相似，但斜 率不同，在一定温度发生交叉。 从系统的自组织功能角度讨论了贝氏体组织转变的过渡性，系统的自组织功 能会使奥氏体转变成为千变万化的贝氏体，贝氏体相变带有珠光体分解和马氏体 相变的双重特征。 本文还运用“固体与分子经验电子理论”，计算了试验钢贝氏体转变区不同温 度的奥氏体价电子结构和中温等温转变时的相变阻力，讨论了不同温度等温c f e 键的n 。值和键能的变化，c m e 偏聚结构单元的存在对相变产生更大阻力，使得合 金钢中贝氏体转变变得复杂，贝氏体形态发生变态，出现非典型上、下贝氏体组 织的混合组织。同时，运用该理论建立了f e c 系贝氏体晶胞的价电子结构，讨论 了贝氏体钢的价电子结构与性能的关系。最后，讨论了贝氏体钢中s i 、m n 等合金 元素对强度和韧度的作用机制。 关键词：6 0 s i 2 m n 钢；t 1 0 钢；贝氏体转变；组织控制，等温热处理：固体与分经 验电子理论 钢中贝氏体组织控制工艺研究 a b s t r a c t t h eb a i n i t em o r p h o l o g i e sa n df o 册a t i o nm e c h a n i s mo fb a i n i t el n6 0 s 1 2 m na n d t 1os t e e l su n d e rq u e n c hh o t ( 9 7 0 ) w e r es t u d i e db yo p t i cm i c r o s c o p e ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) a n dm i c r o - c h a r a c t e r t h eb a i n i t e m o r p h o l o g i e s a n d f o r m a t i o nm e c h a n i mo fb a i n i t ew e r ec o m p a i r e dw i t hn o r m a lq u e n c h ( 8 7 0 ) t h e b a i n i t i cm o r p h o l o g i e sa n db a i n i t i ct r a n s f o r m a t i o ni nt o ws t e e l sw e r ei n f l u e n c e dw i t h a u s t e n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n da u s t e n i z a t i o nt i m e 。 s o m em a r t e n s i t e l i k eb a i n i t e s ，s u c h a sr e g u l a rt “a n g u l a r ，c r o s s e d ，”n ”一a n db u t t e r f l y - t y p ew e r eo b s e r v e di nt h ea l l o y s t h e b a i n i t em i c r o s t r u c t u r ea n d m o r p h o l o g i e s i n s t e e l su n d e rd i f f 色r e n ti s o t h e r m a i t e m p e r a t u r ea n di s o t h e r m a lt i m ec o n d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h eh a r d n e s so fs t e e l s w e r ei n v e s t i g a t e db yt h es c l e r o m e t e r t h et 1 a n s i t i o nc h a r a c t e “s t i c so fb a i n i t ep h a s e t r a n s f o r m a t i o nw e r ed i s c u s s e df r o mp e r s p e c t i v eo fs e l f o r g a n i z a t i o nt h e o r y t h er e s u l t s s h o wt h a tb a i n i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni nt h em i d d l et e m p e r a t u r ea r e ai st r a n s i t i v e ，a n d i th a sd o u b l ec h a r a c t e ro ft h e p e a r l i t ed e c o m p o s i t i o n a n dt h em a r t e n s i t e t r a n s f b r m a t i o n t r a n s i t i o nc h a r a c t er i s t i c s t h ev a l e n c ee l e c t r o ns t r u c t u f e so fa u s t e n i t ea n dt h ec r i t i c a lr e s i s t a n c eo fb a i n i t i c t r a n s f o r m a t i o ni nb a i n i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o na r e ao ff e ca l l o ya r ec a l c u l a t e db yt h e e m p i “c a l e l e c t r o n t h e o r yo f s o l i da n dm o l e c u l e s t h ee f f e c to nb a i n i t e p h a s e t r a n s f o r m a t i o nb ye l e m e n t ss i 、m ni sd i s c u s s e d s i n c et h eb e h a v i o u ro fe l e m e n t ss ia n d m nd u r i n gi s o t h e r m a l t r a n s f o m a t i o nd e p e n d so nt h es e g r e g a t i o nf o r c eo fc s i 、 c m n ， t h ec o m p l e x i t yo ft h em i c r o s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g ya r ea p p e a r e d b a s e do nt h e e m p i r i c a le l e c n o nt h e o r yo fs o l i d sa n dm o l e c u l e ，t h i sp a p e r s e t su pt h ev a l e n c ee l e c t r o n s t r u c t u r eo fb a i n i t i cc r y s t a lc e l l si nf e ca l l o y sa n da n a l y s e st h ee f f e c to fa 1 1 0 y i n g e l e m e n t sm n ，s ie t c ，o ns t r e n g t ha n dt o u g h n e s si nb a i n i t i cs t e e l s i ts h o w st h a tt h e r ea r e s e g r e g a t i o ns t r u c t u r eu n i t so fc s ia n dc m ni nt h ea l l o y i n gb a i n i t i cs t e e l sw h i c hh a v e h i g h e rb o n ds t r e n g t ha n dm o r eh a m p e ro nt h ed i h s i o no fc a r b o nt h a nf e ca l l o y s ， t h e nm a k et h es t r e n 群ha n dt h et o u g h n e s so fb a i n i t i cs t e e l sa r em o r es u p e r i o r k e yw o r d s ：6 0 s i 2 m n ；t lo ；b a i n i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e c o n t r o l ； i s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ； e m p i r i c a l e l e c t r o n t h e o r y o fs o l i da n d m o l e c u l e s i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名： 而乞日期：功年月2 7 日 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、使片j 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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：4 本勉 导师签名：易锄 日期：枷6 年上月1 7 日 日期：幽彬年厂月印日 ， 硬士学侵论= 艾 l 。l 研究背景 第l 章绪论 研究帮开发新一代镪铁材料楚当今越界冶金科技发淹的重要方淘之一。1 9 9 7 年日本正式启动的四大科研项目就有一项“超级金属研究计划”【ij 。它的主要内容 是研究强度和寿命榻当于现有钢铁材料两储的新一代钢铁材料。 镧铁耪辩科学豹研究已经开始骚宏蕊进入徽蕊、扶定性进入宠蕊= 或半定量、 从静态进入动态，这标志着钢铁材料研究已经进入一个新的阶段口j 。出于贝氏体本 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，而且处理工 艺麓攀耧芤实黥鍪磁性研究馁遗了爱氏体镪豹研究、开发秘应翅。最近f | | 3 c 曲a l l e r o 和hkd b h a d e s h i a 酗i 发现裔礅、高硅钢在t = 0 2 5 k ( t m 代表以缝 对温度表示的熔点) 的低温进行长达许多天的等温转变可以获得极细小的贝氏体 组织，其由厚度仅为2 0 4 0 n m 的极薄的贝氏体铁素体投条和板条间富碳的残余舆 氏体薄膜组成，j 登为低温贝氏体( l o wt e m p e r a t u f eb a i n i 托) ，觅图1 1 1 4 j 。这弹，瓣 氏体锱的极限拉伸强度超过2 3 g p a ，断裂韧度值为3 0 4 0 m p a m “2 。 。圈1 1 低温贝氏体组织 肇巾理工大学的邓承轩等礤究了t 1 0 镪的超高温( 1 2 7 0 ) 奥氏体化螽低温 等温豹锈中员氏体组织，萁转交产物呈板条状，称之为“袄条贝氏体”，对魄箕写 低温贝氏体，我认为两者相似，可能属于同一种组织形态。因此，本课题试图掇 赢奥氏体化温度来降低m ；点，糕贝氏体拥变区较低温度和较短时间等温获得板条 罴氏传组织。 钢中贝氏体组织控制工艺研究 1 2 贝氏体钢的发展现状 1 2 1 国内外贝氏体钢研究 自从1 9 世纪3 0 年代，e c b a i n 发现贝氏体后，贝氏体得到了深入的研究。5 0 年代，英国的p b p i c k e r i n g 等人发明了m o b 系空冷贝氏体钢，之后高强韧贝氏体 钢的研究得到了广泛的重视。目前我国在贝氏体钢技术上已经处于国际先进水平。 柯俊、徐祖耀、康沫狂、方鸿生、刘世楷、俞德刚、王世道和李承基等人在贝氏 体相变理论和贝氏体钢研究方面做出了贡献【3 1 。最近f gc a b a l l e r o 和h k d 且 b h a d e s l l j a 制备的超强贝氏体钢具有极限拉伸强度2 5 0 0 m p a ，硬度6 0 0 一6 7 0 h v ，韧性 3 0 一4 0 m p a m m ，贝氏体板条仅有2 0 3 0 n m ，显微组织见图1 1 f 钔。最近，国内王天生 等人研究了6 0 s i 2 c r v a 钢的低温贝氏体组织n 1 2 2 贝氏体钢的性能和应用 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2 1 世纪的新钢种之一。按碳含量分为低碳贝氏体钢、中 碳贝氏体铜和高碳贝氏体钢。低碳贝氏体钢既可满足高韧性调制件的使用要求， 也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 3 贝氏体钢的组织控制及其技术 1 3 1 钢中贝氏体组织的控制因素 强度是材料使用的重要指标1 4 】。合金钢的强化方式与其它钢种的强化方式基本 相同，只是侧重点的不同，故不同的钢类将主要倚重于不同的某种或几种强化方 式【6 j ：韧性是材料使用的重要性能【7 】。 钢铁材料的性质，特别是力学性质因其组织形态的不同而有很大的变化【引，因 此，恰当地选择合金元素和化学成分，控制获得适合的组织是很重要的。组织控 制是以相变( 包括凝固) 、析出、再结晶为基础的。而把这些过程有机地结合起来 的加工热处理是组织控制的最好手段。下一代高强韧微合金钢的基本特征是高纯 净、高均匀化并具有超细微的组织，在较经济的加工条件下，得到高的强度和韧 性。这就要求制定出新的组织控制工艺。晶粒细化是结构材料各项力学性能的基 础，杂质元素是造成各种裂纹和脆性的根源。 2 硕士学位论文 1 3 2 锕中贝氏体组织控制的热处理工艺 钢中贝氏体是过冷奥氏体在珠光体转变和马氏体转变之间的中温区域的分解 产物，故称中温转变，一般为铁素体和碳化物组成的两相混合物【9 l 。贝氏体既有珠 光体转变的某些特征，又有马氏体转变的某些特征，这给贝氏体带来复杂的相变 性质和多样的组织形态。影响贝氏体组织形态除内在因素诸如钢的化学成分和母 相组织以外，外在因素即热加工工艺是至关重要的因素。 1 3 2 1 等温处理 等温处理获得贝氏体钢铁材料是钢铁冶金领域的重大成就之一【l0 1 。然而等温 淬火工艺及设备复杂，能源消耗大，产品成本高，淬火介质污染环境，生产周期 长等，致使贝氏体钢铁材料在工程上的推广应用受限制。但低温下长时间等温处 理可获得超强低温贝氏体【4 j ，是发展超级钢、纳米钢铁材料的方向之一。 1 3 1 2 空冷处理 为了克服等温处理的缺点，材料工作者采用铸后空冷的方法制备了m o b 系 贝氏体钢，但为了获得较多的贝氏体必须加入铜、钼、镍等贵重合金，这不但成 本提高，而且韧性也较差】。清华大学开发的m n b 系贝氏体钢和康沫狂等开发 的准贝氏体钢弥补了m o b 系贝氏体钢的缺点，近年来成为贝氏体钢发展的主要 方向。最近，国内又研究了正火贝氏体钢【1 “。 1 3 ，1 3 控制冷却 控制冷却原是钢材控制轧制工艺过程中的概念，近年来发展成为一种高效、 节能的热处理方法，热处理时通过控制冷却可获得所设计的组织，提高钢的性能。 2 0 世纪6 0 年代中国对钢的控轧控冷研究证明，控制冷却在钢化学成分适宜时，会 促进强韧的低碳贝氏体形成。常用的控制冷却方式有压力喷射冷却、层流冷却、 水幕冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍流冷却、水气喷雾冷却和直接淬火等八 种。各有优势，根据具体工艺环境和限定条件来确定。 在一定意义上讲，等温淬火热处理实际是控制冷却的特例【1 1 1 。因此，借鉴等 温淬火和控制热处理的思想，通过控制冷却，在高温区快冷避开珠光体转变，在 中温区缓慢冷却( 保温) ，以一定手段如炉中恒温在贝氏体转变区营造一个“准等温 环境”，实现钢中贝氏体转变。利用控扎和控冷相结合，驰豫过程可以充分细化组 织，大幅度提高强度和韧性，制备超细晶高强度贝氏体钢旧1 4 】。此加工工艺具有 操作简单，成本低和生产效率高等优点，是生产贝氏体钢加工工艺的发展方向。 最近，舒信福等人开发了准铸态贝氏体低碳球铁l l ”，c g u p t a 等人研究了连续冷却 制备高强度贝氏体钢【16 1 ，r a j a r a m i l l o 【1 7 1 等人在低温贝氏体研究基础上研究了连 续冷却制备超高强度贝氏体钢。 钢中贝氏体组织控制工艺研究 皇! 寰! ! 曼曼曼皇曼曼曼曼毫曼曼曼! 蔓曼! 皇! ! ! ! 曼曼! 鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! ! ! 皇! 曼曼! 曼曼皇! ! ! ! 曼曼曼! ! ! 皇曼曼量曼曼! 曼曼! 曼! ! ! ! ! 曼 1 4 贝氏体钢的强韧化机制 1 4 1 贝氏体钢的强度 低碳贝氏体钢的抗拉强度吼与其成分有如下关系f 1 8 ： 盯6 = 1 5 4 【1 6 + 1 2 5 ( c ) + 1 5 ( 锄+ c r ) + 1 2 ( d r 0 ) + 6 ( 玎) + 8 ( f ) + 4 ( c “) + ( 矿+ 乃) j ( 1 1 ) 由式( 1 1 ) 推算出的低碳贝氏体钢组织在不回火条件下屈服强度g o2 与d b 间有 如下关系： 盯o2 ( 4 明2 ) = 0 6 7 o 5 5 盯 ( 1 2 ) 可见，c r 0 ，和间的变化呈线性关系。在保持含碳量不变的情况下，降低贝氏体相 变温度可以提高强度；另外，进行回火处理可以有效地降低内应力，从而可以增 加屈服比。低碳贝氏体钢地静拉伸塑性与抗拉强度间存在着此消彼长的变化关系， 伸长率d 和断面收缩率p 都因抗拉强度的提高而连续的降低。 1 4 2 贝氏体钢的强化机制 贝氏体钢中贝氏铁索体条束尺寸与奥氏体晶粒问存在线性关系，条束尺寸随 形成温度的下降而变小。贝氏体碳化物的粒子随相变温度降低而变得细小。贝氏 铁素体条内位错密度和条间界位错列阵的位错密度在相变温度降低时，都将增大； 因此，贝氏体铡强度的组织控制因素有： ( 1 ) 贝氏铁索体条束尺寸。条束对断裂的阻碍作用是主要的，奥氏体晶粒对 强化也起作用，但处于次要地位。条束相当于贝氏体钢控制强度的“有效晶粒”， 遵循h a l l p e t c h 公式可以定量得出屈服强度仃。与条束尺寸( d b ) 的关系如下： 盯，( m n m 2 ) = 3 8 2 十2 2d b l 7 2 ( 1 3 ) 适用于未经脆化处理的情况。 ( 2 ) 碳化物的均匀沉淀。这是除条束尺寸外，上贝氏体组织的另一个重要的强 化控制因素。碳化物的分布弥散度是随相变温度的下降而增大的。 ( 3 ) 位错密度。贝氏铁素体条束内的位错与协作切变相变和碳化物沉淀有关。 这些转变可以产生应变而造成加工硬化。不过上贝氏铁素体的位错强化作用不会 使盯。超过1 0 0m n ，m 2 。 ( 4 ) 碳原子在铁素体的间隙固溶。贝氏铁素体所间隙固溶的碳原子数目非常有 限，因此强化作用实质上是气团与位错交互作用的结果。间隙固溶强化并非主要 的强化因素。 1 4 3 贝氏体钢的韧化机制 试验证明，在相等的抗拉强度水平下，低碳贝氏体组织的韧性优于回火马氏 体组织。贝氏铁素体的条束尺寸是影响贝氏体组织塑性的重要因素，随着条束尺 寸的减小韧性提高。而贝氏铁素体条束尺寸又与奥氏体晶粒的大小有关，细的原 4 硕士学位论文 始奥氏体晶粒可以得到细的贝氏铁素体条束。贝氏体的良好韧性也与位错亚结柯 和孪晶亚结构有关。典型上贝氏体组织同下贝氏体组织相比，后者具有更高的冲 击性能，因此如果将贝氏体钢的形成温度控制到更低温度，得到尽可能多的下贝 氏体，就能在获得高强度的同时，提高冲击性能。 1 5 贝氏体相变 钢中贝氏体是过冷奥氏体在珠光体转变和马氏体转变之间的中温区域分解的 产物，故称为中温转交，一般为铁素体和碳化物组成的两相混合物1 0 】。贝氏体转 变既有珠光体转变，又有马氏体转变的某些特征，这给贝氏体带来复杂的相变性 质和多样的组织形态。影响贝氏体组织形态的外在因素除开相变温度这个主要条 件以外，还有相变持续时间和外加压力；内在因素则有诸如钢的化学成分和母相 组织结构等。组织形态的分类受到相变机制观点的制约。当前贝氏体相变学说已 发展为不同学派，贝氏体组织范畴有不同的划分，组织类型有不同的分类。贝氏 体组织形态学的研究是个重要课题，它的组织外貌考察能启迪人们对其相变内涵 的追究，思考有关钢材的力学性能，特别是承担外加载荷的实用性能和成形加工 性能的改善，乃至合理没计拓新钢种的组织成分，加以贝氏体组织形态的多姿， 对它的认识能力引人入胜19 1 。 1 5 1 贝氏体转变特征 贝氏体转变兼有珠光体与马氏体转变的某些特征： 1 、贝氏体转变温度范围 贝氏体转变有个上线温度b s 点，奥氏体必须过冷到b s 点一下能发生贝氏 体转变，同时也有下线温度b f 点，且b s 点和b f 点无关。 2 、贝氏体转变产物 贝氏体转变产物为铁索体和碳化物组成的两相混合物，且组织形态与转变温 度密切相关。 3 、贝氏体转变动力学 贝氏体转变也是通过形核与长大进行的。与珠光体一样，也可等温形成，贝 氏体等温转变动力学曲线也呈s 型，贝氏体等温转变动力学图也呈c 型。 4 、转变的不完全性 与珠光体转变不同，贝氏体等温转变与马氏体一样，也不能进行到终了。转 变温度愈靠近b 。点，能够形成的贝氏体量愈少。 5 、贝氏体转变的扩散性 如上所述，贝氏体是由q 相和碳化物组成的，所以转变时必须有碳原子的扩 散，而且无合金元素的扩散。 钢中贝氏体组织控制工艺研究 6 、晶体学特征 贝氏体中的铁素体在形成时，也能在抛光面引起浮凸。但与马氏体转变不同， 马氏体浮凸呈n 形，而贝氏体铁素体的浮凸呈v 形或a 形。 贝氏体的晶体学特征，其中包括位向关系与惯析面等均不同与珠光体而较接 近与马氏体。 1 5 2 贝氏体组织形态 贝氏体的组织形态是比较复杂的，随着奥氏体的成分和转变温度不同而变化。 上贝氏体、下贝氏体、逆贝氏体和柱状贝氏体是各学派共同承认的贝氏体组织。 上、下贝氏体是基本的典型的贝氏体组织，所以对它们的认识便显得格外重要， 但至今这个认识未告停顿i ”】。 1 5 2 1 上贝氏体及其变态 典型的上贝氏体包含以下特点：( 1 ) 由铁素体板条和在板条间沿其长轴取向 分布着不连续的碳化物组成。碳化物几乎是渗碳体。( 2 ) 上贝氏铁素体具有位错 亚结构，这说明点阵不变切变是滑移，位错密度主要与形成温度有关，而且所见 的体内位错亚结构弗不等于完全切变滑移的位错。( 3 ) 铁素体板条集结而构成上 贝氏体束，在束内近乎平行排列，其尺寸随等温温度降低而变细变短，相互靠拢； 束尺寸对钢材的强韧性显示“晶粒”的效应。( 4 ) 上贝氏铁素体束直接自晶界长 出，不像无碳化物贝氏体或魏氏组织那样常与晶界铁素体相牵连。( 5 ) 上贝氏体 碳化物来源于富碳奥氏体，属第二个相变阶段的产物；它的形态及其量与钢的碳 浓度和等温形成温度有关。( 6 ) 显示s m i t h m e h l 所称的羽毛状上贝氏体。( 7 ) 上 贝氏体束具有亚结构单元为同类变体束。上贝氏体常常因合金元素和处理工艺条 件的变化而发生变态，形成非典型上贝氏体，无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反 常贝氏体可为上贝氏体的变态。 1 5 2 2 下贝氏体及其变态 典型的下贝氏体具有以下特征：( 1 ) 由下贝氏铁素体片及其内部单向分布的 碳化物所组成。它的三维空间形态呈双透镜状。( 2 ) 下贝氏铁素体具有位错亚结构， 位错密度随形成温度降低而增高。偶尔在上、下贝氏体中见到孪晶，晶分析证明， 并非相变孪晶。( 3 ) 尽管下贝氏铁素体亦优先在奥氏体晶界上形成，但大量的下 贝氏体还是形成与晶内，并在局部区域内密集堆积。( 4 ) 下贝氏铁素体片实际由 祭状亚单元和基元块组成，基元块中有碳化物。( 5 ) 存在中脊。( 6 ) 显示爆发型 形态。下贝氏体常常因合金元素和处理工艺条件的变化而发生变态，形成非典型 下贝氏体，柱状贝氏体可为下贝氏体的变态。 6 硕士学位论文 1 5 2 3 低温贝氏体 最近fgc a b a l l e r o 和hk d hb h a d e s h i a l 5 ，6 j 发现高碳、高硅钢在t = 0 2 5 t 。 ( t 。代表以绝对温度表示的熔点) 的低温进行长达许多天的等温转变可以获得极 细小的贝氏体组织，其由厚度仅为2 0 4 0 n m 的极薄的贝氏体铁素体板条和板条间 富碳的残余奥氏体薄膜组成，称为低温贝氏体组织( l o w t e m p e r a t u r e b a i n i t e ) ，这 种贝氏体钢的极限拉伸强度超过2 3 g m p ，断裂韧度值为3 0 4 0 m p a m “2 。最近， 国内王天生等人【7 j 研究了6 0 s i 2 c r v a 钢的低温贝氏体组织。低温贝氏体钢具有良 好的综合力学性能，是发展超级钢、超细晶钢、纳米钢铁材料的途径之一。 总之，可以将无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体及上贝氏体并为一 类，以上贝氏体为代表。柱状贝氏体和下贝氏体为一类，以下贝氏体为代表。另 外，大森将在低碳钢中所观察的不同形态的贝氏体区分为b i 、b i l 及b i i i 三种贝氏 体。其中b i 即无碳化物贝氏体，b i i 即上贝氏体，b ij i 按其中碳化物分布及形态可 归属于下贝氏体。国内康沫狂等【6 4 】发现并命名准贝氏体。 1 5 3 贝氏体的力学性能 在贝氏体转变温度范围内随着等温温度下降，屈服强度o ；和抗拉强度o 。逐步 提高，其中o 。升高得快些。在上贝氏体区中屈强比a 。，o b 的比值接近于珠光体组 织，一般可达o 6 一o 7 ；而在下贝氏体中a 。，哪可高达o 8 5 左右，接近于回火马氏 体。贝氏体铁索体是贝氏体组织的主体，它的尺寸改变对贝氏体钢的强度有着明 显的的影响。h a l l p e t c h 公式适用于说明贝氏体组织的粗细对强度的作用。但对 “有效晶粒”的理解有不同的观点。m a r d e r 和k r a u s s 建议，“有效晶粒”可以是 位错胞、铁素体板条、板条束或原始奥氏体晶粒。以往的文献中都着重于讨论贝 氏体铁素体板条粗细与强度的关系，得到的结果是：上贝氏体铁素体板条尺寸与 拉伸强度之间存在反比关系1 2 们。上贝氏体板条尺寸是随着形成温度的降低而减小 的，相变温度越低则强度越高，有如下述关系式： 盯y = 盯i + r y d l 7 2 ( 1 4 ) 式中，d 代表铁素体板条宽度。近年来的研究表明，上贝氏体铁素体束的大小 与屈服强度o 。的关系同样符合h a l l 一p e t c h 公式。 下贝氏体强度的变化也与其铁素体片尺寸有关，而铁素铁片尺寸又与原奥氏 体晶粒尺寸相关，所以对于下贝氏体来说，其强化效果主要受原奥氏体晶粒的尺 寸的影响。 碳化物是贝氏体组织的另一个组成相，它对贝氏体的强度亦有重要影响。改 变碳化物的形态将改变它的强化效果。上贝氏体的碳化物呈条状，下贝氏体中碳 化物为粒状。碳化物形态的改变将导致其有效问距的改变，从而引起强度的改变。 一般认为，粒子间距相当于几十个原子间距时，位错线通过粒子时将发生明显的 7 钢中贝氏体组织控制工艺研究 弯曲变形。当位错线的曲率半径相当于粒子间距时，强化效果最大。典型上贝氏 体的碳化物条间距约等于铁素体板条的宽度。典型下贝氏体碳化物具有更小的间 距，且形状近于球状。因此，下贝氏体碳化物的强化效果高于典型下贝氏体。贝 氏体碳化物、板条宽度和屈服强度之间有如式( 1 5 ) 所示关系： 盯o2 ( k g ，m m 2 ) = 1 5 4 【- 1 2 6 + 1 1 3d “2 + o 9 8 n “4 ( 1 5 ) 式中，d 为贝氏体铁素体板条平均宽度，n 为单位面积的碳化物数量。 冲击韧性也是衡量贝氏体性能优劣的一个重要指标。当硬度或强度相等时， 下贝氏体的k 值一般要比回火马氏体高。例如，3 0 c r m o s i 钢在3 7 0 等温淬火 c c k = 1 5 k g m c m 2 ，而5 0 0 回火马氏体的仅k = 7 k g m ，c m 2 ，二者的盯b 同为1 2 7 k g ，m m 2 。 此外，下贝氏体的d k 值比上贝氏体高。从上贝氏体到下贝氏体的过渡在强度与形 成温度的关系曲线上反映得不明显，而在k 值与形成温度的关系曲线上反映得较 为明显。s i m n c r 铡经8 7 0 奥氏体化后在不同温度等温处理，约在3 5 0 以上， 当组织中大部分甚至全部为上贝氏体时，c c k 值就开始明显降低，这是由上贝氏体 中碳化物分布状态造成的。文献【2 l 】认为，回火可以继续提高下贝氏体的冲击韧性 值旺。，因为回火使位错密度下降，沉淀硬化程度减小以及铁素体晶粒尚未长大。 从组织结构来分析，下贝氏体铁素体比较细小，其内部碳化物形态与分布方 式不会给韧性带来不良影响，同时具有位错亚结构的贝氏体铁素体本身有圈套韧 性。所以，一般认为下贝氏体有良好的断裂韧性。 由于下贝氏体具有比典型上贝氏体组织更佳的强塑性配合，因此出现更高的 断裂韧性值。6 0 s i 2 m n 钢等温淬火下的组织中，下贝氏体铁素体针有平行和交叉 两种形态，在铁素体针之问分布有较多的残余奥氏体，这种形态的下贝氏体具有 较好的强韧性【2 2 j 。3 0 c r m n s i n i 2 a 钢等温淬火时出现回火马氏体、下贝氏体和残 余奥氏体混合组织，研究表明，其中的下贝氏体对钢的韧性和塑性提高起到重要 的作用【2 3 】。下贝氏体对强韧性的贡献有时是间接的，基体钢6 c r 4 w 2 m 0 2 v 在淬火 及等温淬火后，先析下贝体分割了未转变的过冷奥氏体，因而细化了随后形成的 马氏体，根据h a l l p e t c h 关系，产生细化有效晶粒作用可以使组织强韧化口“。 在断裂方式上，上贝氏体的断口电子金相为准解理断裂，断裂小裂面多数是与铁 素体束大小相对应的，断裂的路径受到铁素体板条束交界和碳化物粒子的干扰。 上贝氏体的解理断型与珠光体相似，断裂小裂面包括几个上贝氏体束，而下贝氏 体断口则是由许多细小的准解理断面所构成，其中有的显示出黑色的细片，这种 黑片小断面相当于组织中的铁素体片，表明下贝氏体的铁素体片为断裂单元，铁 素体片的间界起着阻碍裂缝扩展的作用【2 ”。在断裂过程中，疲劳裂纹的形成取决 于局部区域的应力集中程度，组织的不均匀性是造成应力集中的重要内在原因： 同时，材料的强韧性( 包括微区塑性) 直接与疲劳裂纹尖端钝化程度有关。由于 下贝氏体铁素体的位错亚结构，以及其中碳化物的粒状形态和均匀分布方式，导 硕士学位论文 致下贝氏体组织具有较好的强度、塑性和韧性的配合。 1 5 4 贝氏体的相变机制 r o b e n s o n ( 1 9 2 9 年) 以及d a v e n p o r t 和b a i n 【”1 ( 】9 3 0 年) 首先发现钢在中温相变 的产物具有独特的组织形态，当时称为针状屈氏体。b a i n 及其合作者于1 9 3 9 年， 在美国联邦钢公司的k e a m y 实验室( 后改称b a i n 实验室) 第一次正式印成放大 一千倍的贝氏体显微组织照片。直至多年以后( 四十年代下叶至五十年代初) ， 为了纪念e c b a i n 的功绩，才将奥氏体在珠光体温度以下，马氏体成形温度以上， 经等温或连续冷却分解所形成的组织，命名为贝氏体以代替屈氏体的旧名。当时 在光学显微镜下见到钢中下贝氏体组织酷似中、高碳钢中回火马氏体组织，认为 贝氏体是由马氏体经等温回火后产物。钢件经贝氏体等温淬火，可以增加韧性， 减少变形和裂纹【2 ”。四十年代后期空冷贝氏体钢的问世，促使钢中贝氏体相变研 究蓬勃发展，从贝氏体的形态、相变动力学、晶体学和热力学诸方面进行不少工 作，进而对贝氏体的形成，提出了多种机制，至今尚无统一的认识28 1 。在贝氏 体相变的本质研究上存在较大的学术分歧，其争论的焦点是：贝氏体相变是按照 类似马氏体相变的切变方式进行，还是象一般的扩散型相变那样通过单个原予的 热扩散方式进行【”j 。 1 5 4 1 切变理论 贝氏体相变在许多方面和马氏体有相似之处，所以许多学者，包括b a i n 【3o j 认 为贝氏体相变在本质上与马氏体相似。较完善的贝氏体切变理论始于柯俊等。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，已相变区和相邻 的未相变区产生表面浮凸，浮凸的类型与马氏体相变所伴随的浮凸类型相同，均 属不变平面应变型，认为贝氏体相变可能按与马氏体相似的转变机制进行。随后 c l l r i s t i a n 【3 1 1 ，o b l a c k 【3 2 l 等，h e h e m a n n 【3 3 1 ，b h a d e s h i a 【3 4 1 等进一步发展了该理论，我 国学者康沫狂【3 5 】，俞德刚等也支持切变理论。 切变理论的主要观点是【2 7 】：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 o ，因而奥氏体可以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) 的点阵切变转变，贝氏体铁素体首先转变成核。 贝氏体碳化物切变形核后，将借助共格( 或半共格) 界面的某些可滑动区的协调 迁移进行切变长大。由此可见，置换型原子的点阵切变过程是控制贝氏体铁素体 长大动力学的主要因素。 但对碳在贝氏体铁索体长大过程中的行为，切变学派内部存在两种的观点1 2 8 j ： 其一问认为，由于在贝氏体相变区域内，贝氏体相变驱动力 ( 包括形核和长大) 很大，因而置换型原子的点阵重组可以通过点阵切变的方式进行。其切变速度高 于碳在q 或y 相内的扩散速度，导致碳在新生贝氏体铁素体内过饱和。即在贝氏 9 钢中贝氏体组织控制工艺研究 体相变过程中，碳原子不发生任何扩散。另一种观点认为2 9 1 ：尽管贝氏体铁索体 形成过程的实质是置换原子的点阵切变重组过程，但在铁索体点阵重组的同时， 伴随着碳原子的扩散。甚至碳原子的扩散速度( 后者取决于等温温度和合金成分) 直接决定贝氏体的组织形态。即：由于相邻铁素体问残余奥氏体内碳含量的逐渐 增加，因而导致碳化物可能在铁素体片间析出，形成典型的上贝氏体组织。温度 较低时，碳的扩散速度较慢，只有少量的碳扩散进入奥氏体内，而大量的碳过饱 和进入贝氏体铁素体内，在等温或者随后的冷却过程中，再以碳化物的形式析出， 从而形成碳化物存在于下贝氏体铁素体内部的典型的下贝氏体组织。 1 5 4 2 扩散控制台阶长大机制 贝氏体相变的扩散控制台阶长大理论源于气一固，液一固相变的台阶机制。 该理论由a a r o n s o n 于1 9 6 2 年提出，他认为 3 6 】贝氏体片从母相析出时，其宽面( 台 而) 上存在可长大的台阶，称生长台阶；台阶的台面平行于宽面，阶面具有半共 格属性。台阶的台面又由结构台阶，不适配位错和完全共格区组成 3 7 】。阶面结构 台阶及不适配位错的作用一致。即只要满足能量条件，阶面不适配位错可被结构 台阶代替，反之亦然。生长台阶阶面迁移过程，实质上是通过置换型原子的热激 活无规则运动来完成原子由母相向新相跨越阶面的传输过程。 1 5 4 3 中间观点 贝氏体相变理论还存在其它观点，主要特征是尽力调和切变和扩散理论之间 的对立看法，因此称之为中间观点，如国内学者王世道等提出的类平衡切变长大 模型或位移一扩散耦合相变机制随3 9 1 。中间观点认为上、下贝氏体可能通过不同 的相变机制进行，即相变温度较高时，贝氏体按扩散机制进行长大；而在接近m s 温度时，铁素体切变长大。此外，还有学者认为，魏氏组织铁素体、上贝氏体、 下贝氏体和板条马氏体是过冷奥氏体的连续分解产物。 需要指出，中间理论在解释贝氏体相变的诸多试验现象时，尽管克服了单一 理论的某些困难，但同时又面临切变和扩散所面临的所有问题。 1 5 4 4 学派争论焦点及其分歧 历史上，贝氏体相变切变、扩散两大学派曾进行多次的学术争论，这种争论 迄今为止仍在进行。争论内容几乎涉及贝氏体相变的各个方面。主要包括：贝氏 体定义、铁素体长大机制、碳化物来源、魏氏组织铁素体的楔形状态、魏氏组织 铁素体奥氏体的界面结构、界面迁移机制、表面浮突、溶质拖曳及类拖曳效应 和台阶机制模型等。 l 、贝氏体的定义 关于贝氏体的定义，目前主要存在以下三种：显微组织定义( g m d ) 、相变整 1 0 硕士学位论文 皇! 曼! 曼! ! ! 皇皇喜皇皇皇曼! ! 曼毫量鼍詈曼曼皇曼曼詈曼曼! 曼曼鼍! 曼詈曼鼍曼曼曼曼詈曼! 曼曼鼍曼曼曼曼! ! ! 曼! ! ! ! 詈曼曼曼! ! 皇曼曼皇曼曼曼 体动力学( o r k ) 和表面浮突。 - 显微组织定义( g m d ) 基于相变机制考虑，认为贝氏体是铁素体和碳化物组 成的非成片共析分解产物。最早的研究者认为，贝氏体由魏氏体铁素体组织及其 内部存在的必不可少的碳化物组成。随后，该理论被发展成为：共析相变过程形 成的任何非成片产物，即贝氏体由析出相a 及b 相组成。二者协调长大成珠光体， 竞争长大演化成贝氏体。 ； = = 相变整体动力学( 0 r k ) 定义基于过冷奥氏体转变的c 曲线的形态认为【l ”， 贝氏体相变具有自己独立的c 曲线，通常在共析转变温度以下、马氏体转变温度 以上( 甚至以下) 进行。贝氏体相变为变温相变，其c 曲线的上限温度被定义为 b 。温度，接近b 。温度时，贝氏体的转变量急剧下降，甚至相变停滞。显然o r k 定义认为，转变不完全性是贝氏体的相变的本质特征之一。 表面浮突( s r d ) 定义【40 将贝氏体从广义定义为马氏体转变温度以上( 甚至以 下) 形成的、在自由表面伴随不变平面应变型浮突的片状相。 l 、转变的不完全性 切变理论认为贝氏体相变按照切变方式进行。相变过程中，伴随可滑移界面 的不断推移，界面处应变能不断增加，最终导致相变驱动力低于切变所需的最小 值，贝氏体相变停滞。扩散理论认为，转变不完全性是由溶质拖曳和类拖曳效应 引起的【4 ”。 3 、表面浮突效应的特征及实质 表面浮突效应被认为是马氏体转变的最主要特征之一。但是，并非所有伴随 表面浮突效应的相变都是马氏体相变。马氏体相变伴随的表面浮突必须为不变平 面应变型( i p s ) ，并且完全满足马氏体相变晶体学表象理论( p t m c ) 。但是，贝 氏体相变伴随的表面浮突与马氏体相变具有较大的差别。 4 、相变产物晶体学 根据不同的文献【2 9 ，4 0 】所报道的相变产物的晶体学差异表明，下贝氏体的碳化 物和回火马氏体的碳化物不同，前者与基体之间具有无理位相关系。 5 、贝氏体铁素体的初始碳含量 氏体铁素体的基本碳含量也是扩散与切变两大学派所争论的焦点之一，因为 贝氏体铁素体的初始碳含量与其形成机制密切相关。但是有结果表明【4 2 】贝氏体铁 素体含有过饱和碳。而又有文献【29 】称：上贝氏体铁素体中碳含量接近热力学平衡 或准平衡浓度，即贝氏体铁素体并不含过饱和碳。 6 、贝氏体铁素体中脊 贝氏体铁素体中脊最早被认为与不变应变相对应，反应贝氏体相变的切变特 征。但是忽略了这样一个实验事实：马氏体中脊线通常出现在孪晶型马氏体片条 内，中脊线是最先形成的，中脊线的奥氏体晶面就作为惯习面，在中脊的两侧可 钢中贝氏体组织控制1 艺研究 以观察到对称分布的孪晶亚结构。 7 、下贝氏体碳化物的来源及形成基理 切变理论认为1 4 3 】：与回火马氏体相似，下贝氏体中的特殊排列的碳化物析出 自过饱和铁素体片条内部。但是，前者多呈同位相、多组态魏氏体组织型交叉分 布；而后者近似与长轴呈5 5 6 0 度夹角单向平行排列。 扩散学派较系统的研究【z 副表明：下贝氏体碳化物可以呈现以下几种析出状态： l 、碳化物存在于铁素体亚单元之间的奥氏体内部，或存在于铁素体亚片条内 部