固态相变论文.doc

《固态相变论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态相变论文.doc（9页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流固态相变论文.精品文档.武汉科技大学课程： 固态相变 班级： 金属材料工程 姓名： 郑浩 学号： 201102710056 日期： 2011年12月25日 钢中贝氏体组织控制工艺研究摘要: 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。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。关键词:贝氏体转变 组织控制 等温热处理1贝氏

2、体钢的发展现状1.1 国内外贝氏体钢研究自从19世纪30年代，.EC.Bain发现贝氏体后，贝氏体得到了深入的研究。50年代，英国的P.B.Pikcernig等人发明了Mo-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。最近F.GCaballeor和.HK.D.HBhdae习五端d备的超强贝氏体钢具有极限拉伸强度2500MPa，硬度600-670HV，韧性30-4oMPam1/2，贝氏体板条仅有20-30nm，显微组织见图1.

3、1。图1.1 低温贝氏体组织1.2 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21世纪的新钢种之一。按碳含量分为低碳贝氏体钢、中碳贝氏体钢和高碳贝氏体钢。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

4、，而且贝氏体钢也在航空上得到应用。2贝氏体钢的组织控制及其技术2.1 钢中贝氏体组织的控制因素强度是材料使用的重要指标。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:韧性是材料使用的重要性能。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，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

5、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。2.2 钢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。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。2.2.1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。然而等温淬火工艺及设备复杂，能源消耗大，产品

6、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，是发展超级钢、纳米钢铁材料的方向之一。2.2.2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Mo-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Mn-B系贝氏体钢和康沫狂等开发的准贝氏体钢弥补了M小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。2.2.3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

7、，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。20世纪60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、水一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。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，在甲温区缓慢冷却(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

8、，大幅度提高强度和韧性，制备超细晶高强度贝氏体钢。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，C.GPuta等人研究了连续冷却制备高强度贝氏体钢，R.A.Jaramllio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。2.2.4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，故称为中温转变，一般为铁素体和碳化物组成的两相混合物。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

9、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，乃至合理设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。3.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:3.1贝氏体转变温度范围贝氏体转变有一个上线温度Bs点，奥氏体必须过冷到Bs点一下

10、能发生贝氏体转变，同时也有下线温度Br点，且Bs点和Bf点无关。3.2贝氏体转变产物贝氏体转变产物为铁素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。3.3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。3.4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Bs点，能够形成的贝氏体量愈少。3.5贝氏体转变的扩散性如上所述，贝氏体是由a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3.6晶体学特

11、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。4.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。4.1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

12、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并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Smtih-Mhel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

13、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。4.2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条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

14、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。4.3低温贝氏体最近FGeaballero和月KDHBhadeshia发现高碳、高硅钢在T=0.25Tm (Tm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20-40nm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(Lowetmperaturebainiet)，这种贝氏体钢的极限拉伸强度超过2.3GMPa，断裂韧度值为30-40MPa。最近，国内王天生等人研究了60SiZcrAv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

15、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、B及B三种贝氏体。其中B即无碳化物贝氏体，Bn即上贝氏体，B按其中碳化物分布及形态可归属于下贝氏体。国内康沫狂等发现并命名准贝氏体。5. 贝氏体的相变机制Robertson(1929年)以及navenport和Baint261(1930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。Bain及其合作者于1939年，在美国联邦钢公司的Keamy实验室(后改称B

16、ain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.EC.Bain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。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。在贝氏体相

17、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子的热扩散方式进行。5.1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Bain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ehristian，oblaek等，Hehemann，Bhadeshia等进一步发展了

18、该理论，我国学者康沫狂3sl，俞德刚等也支持切变理论。切变理论的主要观点是: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。，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。但对碳在贝氏体铁素体长大过程中的行为，切变学派内部存在两种的观点:其一间认为，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

19、切变的方式进行。其切变速度高于碳在a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。即在贝氏体相变过程中，碳原子不发生任何扩散。另一种观点认为:尽管贝氏体铁素体形成过程的实质是置换原子的点阵切变重组过程，但在铁素体点阵重组的同时，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:由于相邻铁素体间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

20、化物存在于下贝氏体铁素体内部的典型的下贝氏体组织。5.2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-固，液-固相变的台阶机制。该理论由Aaronson于1962年提出，他认为贝氏体片从母相析出时，其宽面(台面)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。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。6. 贝氏体组织形态演变及其过渡性贝氏体的组成

21、相十分复杂，不伺于珠光体，珠光体只有两相(铁素体+碳化物)，也不同于单相的马氏体。贝氏体组织中除了贝氏铁素体外，往往同时存在其他一些相，如渗碳体、特殊碳化物、夹杂着残余奥氏体、马氏体或所谓M/A岛等。上贝氏体组织的组成相有时与珠光体相同，即只含有铁素体和渗碳体两相，因此，上贝氏体组织打上了珠光体组织的烙印。过冷奥氏体在贝氏体相变区不同温度等温，组织形态发生了变化，出现了上、下贝氏体组织的转换。贝氏体组织中存在着马氏体、残余奥氏体等相，说明它打上了淬火马氏体组织的烙印。从上贝氏体组织过渡到下贝氏体组织，表现了从珠光体到马氏体的过渡性和复杂的交叉性。典型上、下贝氏体的转换在形态学上体现于铁素体的条

22、和片的交替，可用以作为其判断的碳化物分布位置由体外转移到体内。刘宗昌提出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，因此，没有必要着眼于贝氏体组织繁多的名称上，要重点弄清楚其物理本质。钢的自组织功能使奥氏体在难以共析分解的温度下及时改变相变机制，虽然不能共析，但可以通过涨落形成贫碳区和富碳区。在贫碳区首先析出贝氏铁素体片，而在富碳区断断续续地析出渗碳体或其它碳化物。但在此温度下的富碳区己经难以形成碳化物，这样在奥氏体中则不断富集碳，自组织功能将使其在适当的时候析出碳化物，或转变为马氏体，或使之残留下来，而成为组织中的残余奥氏体。从而出现不同的上贝氏体结构和组织形貌。当过冷奥氏体冷却到低

23、于贝氏体转变图的“鼻温”时，即温度降到下贝氏体转变区时，碳的扩散越发困难，但不等于没有贫碳区和富碳区的存在，而且在晶界、晶内的缺陷处通过成分涨落也能形成贫碳区。此贫碳区的贫碳程度可能足以形成贝氏铁素体片，也可能不足以形成贝氏铁素体，难以发生像上贝氏体那样铁素体在晶界形核。但这种贫碳奥氏体具有较高的马氏体点。在晶内位错、层错等缺陷处产生结构涨落、能量涨落的条件下则以切变方式转变为下贝氏体。鉴于此时碳原子尚有一定的扩散能力，在下贝氏体中可以析出碳化物。但是由于下贝氏体相变驱动力不足，碳化物析出也困难，故残留了较多的奥氏体。此外，按照自组织理论，系统远离平衡态，将出现随机涨落，也即在临界点以下有较大

24、过冷度时，出现涨落(或称起伏)。通过涨落形成贫碳区和富碳区，加上随机出现的结构涨落、能量涨落，在贫碳区则可以形成贝氏铁素体晶核，开始贝氏体转变。综上所述，系统的自组织功能使贝氏体转变在孕育期内，通过系统中的涨落形成贫碳区和富碳区。涨落是相变的起点。贝氏体转变与珠光体分解有着本质上的区别，但又有密切的联系。下贝氏体转变具有马氏体相变某些特征。自组织功能会使上贝氏体、下贝氏体分别转变成形形色色的形貌，其形貌也具有过渡性。贝氏体相变带有珠光体分解和马氏体相变的双重特征，具有过渡性、交叉性。因此，可以断言:贝氏体转变机制也会表现出过渡性。参考文献1.日本通产局基础产业局.超金属开发计划，高洁净度超精细

25、微合金化高强韧钢.冶金部钢铁研究总院，1998(总第1集):162.方鸿生，郑燕康，黄尽凤等.我国贝氏体钢的前景.金属热处理，1998(7)3.赵连城.金属热处理原理M.哈尔滨工业大学出版社，1987.1374.俞德刚.钢的强韧化理论与设计.上海交通大学出版社，19905.俞德刚，王世道.贝氏体相变理论.上海交通大学出版社，19986.戚正凤.金属热处理原理.机械工业出版社，19877.黄维刚.回火温度对高硅Mn-B系贝氏体钢强韧性的影响.金属热处理学报，1999，128.钟炳文等.贝氏体组织与贝氏体钢.钢铁，1986，vol石9.徐祖耀.贝氏体相变.科学出版社，199110.BhadeshiaHKDH.BainiteinStetls，1992，611.王世道，俞德刚.金属学报.1989，25:A257。第一届全国贝氏体相变会议论文集，中国金属学会材料科学学会，198712.徐祖耀.马氏体相变与马氏体.科学出版社，1980