钢的中温转变与中温转变产物

1、中温相变与中温组织北京科技大学材料物理与化学系杨善武主要内容n中温相变的热力学、动力学、晶体学与转变机制n贝氏体钢的显微组织与力学性能热力学基础 对于除压强外不受其他外力作用的体系 dUTdS-PdV式中U为内能，T为绝对温度，S为熵，P为压强，V为体积定义自由焓 G=U+PV-TS，则有 dG VdP-SdT体系一般处于恒温恒压（dT=0，dP=0）条件下，则有 dG 0，即平衡态为G取最小值的状态定义自由能 F=U-TS，对于常压下的固、液体系，PV远小于G中的其他相，可略去，故可用F代替G，即认为恒温恒压下的平衡态为F取最小值的状态铁的特殊相变规律n如果一种金属存在面心立方和体心立方两种

2、原子排列方式，则一般在高温会呈现体心立方结构以增熵，低温则会呈现面心立方结构以降低内能。n纯铁在结晶时呈体心立方结构，随着温度降低会转变为面心立方结构，但是继续降温至910以下，由于磁性作用，又会转变为体心立方结构。n纯铁在910以上的面心立方结构，有利于对其进行热加工，在常温呈体心立方结构保证了它的强度性能。铁与碳，不是冤家不聚头n恨铁不成钢，有碳才成钢。n用碳还原被氧化的铁，导致碳自然溶入铁晶格中，实现了最有效、廉价的强化。n碳在面心立方的奥氏体中的溶解度比在体心立方的铁素体中的溶解度高两个数量级，这是一切热处理技术的基础。铁碳相图中温相变的基本特征n中温相变，又称贝氏体相变，是过冷奥氏体

3、在介于共析转变温度与马氏体相变温度之间发生的一种转变。n该类转变需要借助于热激活，并以形核、长大的方式进行。n中温转变可使样品的抛光表面产生浮凸。n中温转变产物包含贝氏铁素体及与其伴生的残余奥氏体（或其相变产物）。n贝氏铁素体不跨越原奥氏体晶界，存在惯析面，与原奥氏体之间存在一定的取向关系。n贝氏铁素体内包含较高的位错密度，是典型的非平衡组织。n目前对中温转变机制尚无统一认识，有碳扩散控制的切变、自回火马氏体转变和台阶机制等不同看法并存。贝氏体组织实用化的困难n上贝氏体组织容易得到，但力学性能不佳n下贝氏体组织性能优良，但只能在分级淬火与等温过程中得到n在连续冷却过程中得到性能优良的贝氏体是贝

4、氏体组织实际应用的关键An illustration of the growth of bainite and the development of upper and lower bainite热影响区冷裂纹敏感性 19501990年不同级别钢的发展变化情况如何做到既降碳，又提高强度？n结构钢主要分三大类，即：铁素体珠光体钢、回火马氏体钢和贝氏体钢n铁素体珠光体钢与回火马氏体钢的强度均明显依赖于碳含量n贝氏体钢的强度与碳含量关系不大n贝氏体铁素体的碳含量与多边形铁素体的碳含量接近低碳情况下如何得到贝氏体n增加钢中扩大奥氏体区的元素n增加钢中限制碳扩散的元素n添加抑制铁素体形核的元素低碳贝氏体

5、钢中常用合金元素nC、Mn、Ni、Cu：扩大奥氏体区nNb、Ti、Mo、V、Cr：碳化物形成元素，处于固溶状态时推迟转变nB：偏聚于奥氏体晶界，抑制铁素体形核nSi：抑制钢中渗碳体形成微合金元素交互作用对Ts的影响微合金元素B、Nb、Ti对Fs和Bs的影响The TTT diagram of low alloy steel (Aaustenite; PFpolygonal ferrite; Ppearlite; MFmassive ferrite; BFbainite ferrite).Continuous cooling transformation curve of low alloy s

6、teel. 准多边形铁素体 贝氏铁素体（板条状贝氏体）Optical micrograph of quenched-inWidmanstatten platesSEM observations of (a) the incipient period of IGF nucleation on MnS inclusions and (b) grown-up AF on MnS inclusions (inversed image) (c) EDX analysis of inclusions indicated by arrows in (b).3D reconstructed image of

7、a group of acicular ferrite in the specimen isothermally reacted at 570 C for 1 s. The inclusion is indicated by an arrow.(a) Optical micrograph and (b) TEM observation of microstructure after 420 s at 400 C (RA and BF show retained austenite and bainitic ferrite, respectively).Scanning electron mic

8、rographs showing the microstructure of the specimens obtained from various deformation parameter (deformation temperature, deformation amount): (a) without austenite deformation; (b) 30% deformation at 780 C. BF: bainitic ferrite; MA: martensiteaustenite island.SEM micrograph of the bulk CMnSiAl car

9、bide-free bainite phase.低碳贝氏体钢优良综合性能的起源n板条型显微组织造成的实质性细化n贝氏铁素体的低碳含量n多种界面（板条间界面、板条束界面与原奥氏体界面）共存n多种显微组织的共存n高密度位错为第二相弥散析出强化提供了形核位置Schematic of different stages of the development of bainite transformation(a) TEM image showing a group of laths with alternating black/white contrast. (b) Examples of Kikuchi patterns taken in the laths, A, B, C and D marked in (a) illustrating the alternating changes in orientation from lath to lath.优化中温组织的措施n微合金化与控制轧制，目的在于通过促进形核、限制长大来细化贝氏体板条束n控制冷却，目的在于得到合适的组织构成，实现最佳的软硬组织搭配n热处理，进一步改善强韧匹配再结晶再结晶- -析出析出- -温度温度- -时间（时间（RPTT）关系图）关系图析出与再结晶的相互作用 轧后加速冷却的主要控制参数n开冷温度：决定钢中多边形铁素