奥氏体钢层错能与_马氏体相变

1、第 15卷第 2期2003年 4月 钢 铁 研 究 学 报JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCHVol. 15,No. 2 Apr. 2003基金项目 :江苏省 “ 青蓝” 工程人才基金资助项目作者简介 :程晓农 (19582 , 男 , 博士 , 教授 ; 收稿日期 :2001211225; 修订日期 :2002204204奥氏体钢层错能与 马氏体相变程晓农 , 戴起勋 , 王安东(江苏大学材料科学与工程学院 , 江苏 镇江 212013摘 要 :导出了在奥氏体钢中相变驱动力与层错能的关系以及层错能和应变能对马氏体形态的影 响规律 。 估算了低碳 、 氮含量的低

2、温奥氏体钢中层错扩展时的晶格摩擦阻力 (约为相变驱动力的18% 。 临界层错能约为 150mJ/m 2。关键词 :奥氏体钢 ; 层错能 ; 相变 ; 相变驱动力中图分类号 :TG 142. 2 文献标识码 :A 文章编号 :100120963(2003 0220055204Stacking 2F ault E nergy and 2Martensite T ransform ation of Austenitic SteelsCHEN G Xiao 2nong , DA I Qi 2xun , 2(Jiangsu University , , Abstract :The direct rela

3、tionship between transformation driving force of austenitic steels and the effect of strain energy on the morphology of martensite are deduced. The lattices during propagation of stacking fault in austenitic steels and nitrogen is approximately 18%of phase transformation driv 2ing force. value of st

4、acking fault energy is about 150mJ/m 2for the existence of stacking fault in austenitic steels.K ey w ords :austenitic steel ;stacking fault energy ; transformation ;phase transformation driving force 奥氏体钢中往往存在许多层错 , 这些层错可视 为只有几个原子厚度的 hcp 相 1。 奥氏体的合金化 影响了层错能的大小 , 从而使层错的宽度 、 厚度和数量发生变化 。 奥氏体钢在低温下可能会发生

5、 、 、 相变 。 层错对这些马氏体相变的类 型 、 相变临界点 、 马氏体形态及亚结构都有一定的影 响 , 甚至会改变相变机制 。 Olson G B 等 2提出了某 些钢中马氏体相变的层错形核机制 :把层错区视为 马氏体相变的晶胚 , 因而有体积自由能 、 界面能和应 变能的变化 。对 Fe 218Cr 214Ni 不锈钢 ,Sato A 等 3建立了化学自由能与层错能之间的微分关系式 , 但 未能揭示出直接联系 。 徐祖耀 4从热力学方面证明 了低层错能材料的层错形核机制 , 认为相变驱动力 与层错能有关 。 Breedis J F 5测定了 Fe 2Cr 2Ni 合金在 300K 时的

6、层错能 。结果表明 , 相变驱动力随层错能的提高而单调增加 。 进一步探讨马氏体相变与 层错能的直接关系对低温奥氏体钢的设计和开发具 有重要意义 。 笔者在热力学上从层错能及相变临界 温度 M S 、 M S 的相对变化角度讨论了低温奥氏体钢 的各类马氏体相变 6, 进而明确了层错能的概念 , 并 在各研究者的实验基础上得出了合金元素对层错能 影响规律的计算式 7。 本文将进一步研究层错能与 马氏体相变的关系 。1 层错与马氏体相变的理论分析1. 1 马氏体相变的变温长大理论 根据变温长大理论 , 奥氏体中已存在临界尺寸 的晶核 , 只要满足长大条件 , 晶核便沿着相变阻力最55 小的途径长大

7、 。转变温度一定时 , 则层错引起的化 学自由能 G C 一定 。相变阻力主要为应变能 G E 和界面能 G S 。根据最小阻力原理 , (G E +G S 应为最小 , 且体积变化 d V =0。设薄透镜状马氏体 片的半径为 r , 厚度为 c , 则非化学自由能变化为 :G N =3r 2c r A +2r 2 (1式中 , A 为畸变能参量 ,rA 为单位体积马氏体引 起的畸变能 , 为表面能 。 对上式微分 , 可得到 G N 的最小值 : (G N min =2c =2r =2r1/2(2 所以临界晶核尺寸为 : r 3=22(G N 2min(3 c 3=2(G N min(41.

8、 2 相变驱动力与层错能的关系 根据位错理论 , (G N min 是依据层错宽度得到的层错能 SF 。 为统一量纲 , 可将其表示为 : (G N min =n r 232=8(5 式中 , d , n 为相变核心 中的层错密排面层数 。 因为密排六方结构的马氏体 是每隔一层密排面出现一个层错 2, 所以厚度 c =2nd , 在奥氏体中已存在不同尺寸的层错 , 这些层错能否自动扩展取决于能量条件 。只有当化学自由能 G C 超过相变阻力 G N 时 , 层错才会自动扩展 , 由 式 (3 、(4 有 : 3=22(G N min =3222SF(6 c 3=2(G N min =3SF(7

9、3r3=20dA (8 在不考虑晶格摩擦阻力的情况下 , 根据文献 7可得出层错形核功 :G SF =G C +G E +G S =G C +G N (9 G SF =G C +8d 0时层错自动扩展 。因为 G C 为负值 , 所以有 : |G C |8d(10 上式给出相变驱动力与层错能的直接关系 。很 显然 , SF 提高时层错扩展所需的化学自由能驱动力 也会线性地增大 , 这与 Breedis J F 5的结论一致 , 且 与 Sato A 3的关系式相似 。 设奥氏体钢的摩尔体积V m =7. 2cm 3/mol , 晶格常数 a 取 0. 359nm8, 面心立方 111面间距为

10、a /, 则有 : |G C |8-72. 073×10-8SF =13. 02SF (11 式中 , SF 的量纲为 mJ /m 2, G C 的量纲为 J /mol 。 上式可用来直接计算奥氏体钢中 马氏体相变的G C 或 SF 。 而对于 马氏体相变 , 因为在理论上 每隔两层密排面出现一个层错 2, 所以在相同厚度c 时 , 可得到 : |G C | 19. 53SF , J /mol(12 由式 (6 (8 可知 , SF 较高时 , c 、 r 则较小 。奥氏体层错能和应变能的比值提高时 , c/r 随之增 大 , , 且层错较宽的 。由于 G C , 若增加的扩展阻力

11、G C , 则合金元素的综合作用提高了相 变阻力 。 大部分元素有这种作用 , 它们能稳定层错核心 , 使相变点 M S (或 M S 降低 , 间隙原子碳 、 氮的 效果尤为显著 。 只有少量元素在一定浓度范围内有软化作用 。1. 3 晶格摩擦阻力的估算 仅 G SF =0层错还不能自动扩展 , 因为层错扩 展还需克服晶格摩擦阻力 。 位错运动阻力可用奥氏体的剪切屈服强度 0来度量 2, 用 (n 0b /d 来表 示 (其中 , n 为相变核心中具有层错的密排原子面 数 , n =452; b 是不全位错柏氏矢量 ; d 是密排面的面间距 。取晶格常数 a =0. 359nm ,111面

12、不 全 位 错 6<112>柏氏矢量 b =6a =1. 456×10-8cm , d =2. 037×10-8cm , n =4, E =195GPa 8, 则奥氏体不锈钢的切变模量 G =75GPa 。晶体临界分切应力一般为 (10-310-4 G 。 参照 2Fe 和铁素体不锈钢的 E 、 G 数值 8及其临界分切应力 0间的规律 , 经估算 , 取 0=3. 2×10-4G , 即 24MPa 。 所以 , 不全位错扩展时的晶格阻力 G f 为 : G f =d=48. 81J /mol (13 该值与 Olson G B 等人推算的 马氏体相

13、 变中层错形核的应变能 41J /mol 甚为接近 。65 2003年 钢 铁 研 究 学 报 第 15卷 现在估算一下 G f 与 G C 的比值 。一般情况 下 , 马氏体相变的驱动力 G C 约为 272J /mol , 则 G f /G C =48. 8/272=0. 179。所以 , 不全位错扩 展的晶格摩擦阻力约是相变驱动力的 18%。但低 温奥氏体钢的碳 、 氮含量较高时 , 则 0也随之增大 , 这时的晶格摩擦阻力会超过相变驱动力的 18%, 甚 至超出很多 。 此时式 (10 应表示为 : G C 8 d+G f (14 上式和徐祖耀 4,9提出的 G C =A SF +B

14、的 表达式是一致的 。 B 的物理意义接近相变应变能 , 与用奥氏体剪切强度来衡量的晶格摩擦阻力 G f 也是相近的 。2 分析与讨论2. 1 与 Hirth 分析结果的比较 根据 Hirth J P 的分析 (见文献 10 , 纯金属的 层错能值等于金属中具有 fcc 结构的一层原子与具 有 hcp 结构的一层原子的吉布斯自由能之差铁而言 ,的关系为 : 4. 184=V 2/3m N 1/302. 2/3 0SF (J / mol (15 式中 , N 0为阿佛加德罗常数 ; V m 为摩尔体积 ; 0SF 为纯铁的层错能 ,mJ /m 2。对于合金 , 两相的自由能差为 G M, 合金元

15、素对层 错 能 有 影 响 。仍 取 V m =7. 2cm 3/mol , 可得到 :G M=2. 02V 2/3m SF =31. 52SF (J /mol (16 因为 Hirth J P 的分析是定义 SF 为两相自由能 之差 , 而本文定义的层错能是表征形成层错的应变 能和表面能 。在相变温度 M S 时 , 若不考虑晶格摩擦阻力 , 两者获得的相变驱动力 G M和 G C 应 相等 , 则两者层错能的比值约为 0. 415。也就是说 , 在 M S 时 , 由两相自由能之差定义的层错能与由相 变阻力定义的层错能的比值约为 0. 415。2. 2 临界层错能 层错能与层错宽度 h 之

16、间的关系 1为 : h = 28SF 1-1-2-(17式中 , b 为全位错柏氏矢量 , b =a /; 为泊桑比 , =0. 3。 令 =30°, 取 =75GPa 。一般认为层错 宽度小于一个原子间距时 , 层错难以扩展或认为没 有层错 1, 所以当 h =b 时 , C SF =150mJ /m 2。也就 是说 , 当 SF >150mJ /m 2时 , 面心晶体中不存在层 错 。 铝的 SF 约 200mJ /m 2, 一般是看不到层错的 ; 而铜合金的 SF 只有约 20mJ /m 2, 较易形成层错 。 2. 3 层错能和屈服强度对马氏体形貌的综合作用 Davie

17、s 和 Magee 指出 (见文献 11 , 马氏体形 态和亚结构还受 M S 和 A S 相对值的影响 , A S 的作用 尤其显著 。并发现当 A B >207MPa 时产生惯习面 为 259的片状马氏体 ; 当 A B <138MPa 时 , 形成板 条马氏体 。 但 Ansell 等 (见文献 11 得出的结论则 与上述矛盾 , 甚至相反 。 Datta R 等 12在对 Fe 2Ni 二 元合金的研究中发现 , , 相变温度降 低 , r 比值亦随之线性减小 , 从 K 0. 的 0. 04。 笔者在研究 , 马氏体和滑移带 。 奥氏体层错能对马氏体形态及亚结构也 有强烈

18、的影响 。 奥氏体层错能在本质上取决于晶格 中原子间的相互作用力 , 它是通过位错交滑移的能 力来影响切变特性的 。 从式 (8 可知 , 马氏体形态主 要随 SF /(d A 的比值而变化 , 即层错能和应变能 的综合作用决定了马氏体的形态 。该比值为无量纲 参数 。 SF /(d A 的比值小时易形成板条马氏体和马氏体 ; SF/(d A 的比值大时则易形成片状马 氏体 。 这就解决了单纯以奥氏体强度 、 层错能或相 变驱动力等因素作为马氏体形态亚结构判据的矛盾 和不足 。 因为相变温度下的 0. 2与 A 值有对应关 系 , 各种成分奥氏体钢的 d 值近似相同 , 该无量纲 参数可以用

19、SF /(0. 2 d 的比值 S 来近似描述 。 表 1列出了几种典型奥氏体钢的实测结果和 S 值 , 表中 0. 2、 SF 和 M S (M S 是根据文献 6,7,15计算 得到的 。 从 S 值的变化规律中可以得知 , S 值较大 的合金形成片状 马氏体 。随着 S 值的降低 , 则形 成板条状 马氏体或 马氏体 。 即使同样是片状马 氏体 , S 值的差异也会使 c/r 比值不同 , 这与文献 12的试验结果是一致的 。此规律将另作详细讨 论 。 此外 , M S 、 M S 的相对值也对应了这种规律 。 当 M S 与 M S 接近时 , 可同时形成板条状 马氏体和 马氏体 。

20、75第 2期 程晓农等 :奥氏体钢层错能与 马氏体相变 4月表 1 奥氏体钢的相变组织和 S 值T able 1 Microstructure after transformation and S value of austenitic steels化学成分%参考 文献组织 M S K M SK SF /(mJ m -2 实测值计算值0. 2MPa SC 0. 3,Ni 2511片状 马氏体 22310450. 045. 23780. 577C 0. 3,Ni 11,Cr 911片状 马氏体 31323742. 037. 43490. 517C 0. 3,Ni 5,Cr 16. 511板条状

21、马氏体 28924617. 026. 13830. 329C 0. 4,Ni 219片状 马氏体 28015040. 43610. 5401828奥氏体不锈钢16+马氏体 23020718. 03260. 266(C +N 0. 15,Cr 19. 3,Ni 11. 25+马氏体 18115712. 726. 14990. 252(C +N 0. 15,Cr 10. 4,Ni 16. 25马氏体24818242. 644. 23630. 5873 结 论 (1 层错能对相变驱动力有直接影响 , 关系式为 :G C 8d+G f 。 (2 在低碳 、 氮含量时 , 奥氏体钢中层错扩展所 需克服的

22、晶格摩擦阻力大约是相变驱动力的 18%。 (3 出现层错的临界层错能约为 150mJ /m 2。 (4 SF /(d A 和形态 。 该比值小易形成 r =20d A。 参考文献 :1 Hirth J P , Lothe J. Theory of Dislocation , 2nd ed M .NewY ork :John Wiley and Sons Inc ,1982.2 Olson GB , Cohen M. A G eneral Mechanism of Martensitic Nucle 2ation J.Metall Trans ,1976,7A :189721923.3 Sato

23、 A , Sanaga Y , Mori T. Contribution of the Transfor 2mation to the Plastic Deformation of Stainless Steel Single Crystal J.Acta Metall ,1977,25:6272634.4 徐祖耀 . 马氏体相变与马氏体 , 第二版 M .北京 :科学出版社 ,1999.5 Breedis J F. Martensite Transformation in Fe 2Cr 2Ni Alloys J.Trans Metall Soci of AIME ,1964,230:158321596.6 戴起勋 . 奥氏体钢马氏体相变点 M S 、 M S J.钢铁 ,1995,30(8 :52258.7 戴起勋 , 王安东 , 程晓农 . 低温奥氏体钢的层错能 J.钢铁研究学报 ,2002,14(4 :38241.8 美国金属学会 . 金属手册 , :性能与选择 , 第九版 M .傅耆寿 , 张宗岱 , . 北京 :机械工业出版社 ,19