粒状贝氏体的形成

第7卷 第2期 1998年6月 淮 海 工 学 院 学 报 Journal of Huaihai Institute of Technology VO1．7 No．2 ion．1998 l 一 粒状贝氏体的形成 乔 斌 ’ ’ - _ - ● - — _ - ～ (淮海工学院机械系．连云港．222005) 了 J ／I 摘 要 讨论井研究了钢中粒状贝氏体的组织结构，探讨了钢中粒状贝氏体的形成机制。 关键词 墼 墨垦当；粒状组织；铁素体 中圈分类号 TG151．2 n 片 IXj l J 0 引言 、 ／{ f 低、中碳合金钢在正火后、热轧空冷后或在焊缝 热影响区中由于连续冷却会得到粒状贝氏体组 织“ 。一些低合金高强度钢在等温冷却处理时也可 以得到粒状贝氏体组织，但其等温温度必须稍高于 上贝氏体的形成温度而又低于珠光体转变温度。粒 状贝氏体研究不多且比较晚。 ，开始时定义粒状 贝氏体是由较粗大的块状(等轴状)的铁素体加富碳 奥氏体区组成．其中的奥氏体区一般呈颗粒状，故此 得名。实际上富碳奥 氏体区也可能呈小岛状、小河 状，可能很不，经后续冷却，随其冷却条件和过 冷奥氏体稳定性不同，可能发生以下三种分解： (1)部分或全部分解为铁素体和碳化物，而碳 化物分布形式多样：奥氏体区内的碳化物呈单向与 贝氏体铁素体成一定角度分布，其特征类似下贝氏 体，而贝氏体区内的碳化物呈单向与贝氏体铁素体 轴向平行分布，又类似上贝氏体 。 (2)可能部分转变为马氏体，其碳含量极高．吉 有精细挛晶，属孪晶马氏体，这种马氏体加上残留的 奥氏体统称为马氏体一奥氏体组织。 (3)可能全部保留为残余奥氏体。 1 粒状贝氏体的形成机制研究 1．1 粒状贝氏体相变特征 粒 状贝 氏体组织 中有针 状浮 凸。 (在 最 点 附 近)。随转变温度降低，浮凸量增加。但当冷至一定温 度时 (约在连续冷却的 且 点附近)便不在 出现浮凸。 收稿 日期 I1998—04—16 坟札钊 殂 浮凸长大慢．应是贝氏体相变所为，未分解的奥氏体 连续冷却成岛状马氏体一奥氏体组织。浮凸区有两 种，一种是少量呈单一针形 的面波动．一种是大致 平行的多重起伏。多重起伏的铁素体为条形，小岛枯 铁素体成串状排列 。铁素体条 的方向和位置与浮凸 相对应，铁素体 内除小岛外 ，还 有少量 的碳化 物。铁 素体内有条形亚单元，与上贝氏体中铁素体相似，但 非常细小，金相难以辨认。经分析，小岛还是舆氏体 或奥氏体与马氏体的混合物．即马氏体一奥氏体组 织。 伴随浮凸区出现的是平坦区，其铁素体内小岛 呈无规律分布 ．铁索体具有块状特征，块间分布有小 岛 ，平坦区应属块状转变。铁素体内有少量的碳化物 质点，小岛轮廓极不规则 ，与浮凸区的界面不太完整 或分布有小岛称其为粒状组织。 ，在等温冷却及连 续慢冷时可以得到 。 就粒状组织而言，通常铁素体晶粒呈无规则状， 常具有海湾边界 ，表面长大时界面推进无一定方向， 也有的跨越母 相晶界长大 ，铁素体与母相奥氏体无 严格位向关系，但舆氏体冷却时形成的铁素体核心 多 与 母 相具 有一 定 的共 格 关 系，较 接 近 K—S关 系 。但在其长大过程中，或由于温度较高．或由于 母相中结构因素的影响，某些铁素体核心逐渐失去 共格界面。由于铁素体可跨越母相晶界长大·这种粒 状组织不易显示母相晶界。铁素体形成初期形态上 与一般等轴先共析铁素体并无区别，但在其继续长 大中．沿边界各方向碳分布不均匀造成铁素体界面 各部分前进速度不同，使界面呈海湾状。某些舆氏体 小区逐渐凹人铁素体晶粒，凹人铁素体的舆氏体与 维普资讯 http://www.cqvip.com 14 淮 海工学院学报(自然科学版 ) 铁索体具有更多面积 的界面 ，从而会吸收更多的碳 原子 ，使这里铁索体界面推进速度很慢。铁索体继续 长大，这些区域逐渐成为铁素体晶粒内的富碳奥氏 体岛。不同铁索体晶料长大中彼此相遇，也会使一些 富碳奥氏体区包围在铁索体之问，成为小岛。 粒状贝 氏体的铁索体在形核阶段与粒状组织中 铁索体并无区别，但其铁索体核心在长大过程中仍 保持 与母相 的共格 界面{11O)．一(1l1) ，但这一界面 不能做到晶格一一对应地完全匹配0 ，界面上包括 有不适配位错 ，这种位错不能垂直于界面运动，也不 能滑移 由于面心立方 {l11} 面族各面之问的关 系 与体心立方(110) 面族各面之间的关系不同，当某 一 对 (1l1}r{110}。建 立了共格关 系时，其它的 (111} 及 (110)。面之 闯就不能建立这样的关 系 在 其它方向上，铁索体晶粒具有非共格界面，而非共格 界面具有较低的能量，优先得到发展，使铁索体晶粒 成为条片状。而铁索体长大由非共格界面推进完成， 这种推进包括了铁及碳原子的扩散过程。铁及碳愿 子沿平行于共格界面方向扩散易于进行。因此 ．在一 般条件下，条片状铁素体晶粒长大是粒状贝氏体铁 素体主要长大形式 。条片增厚要靠形成新的台阶。台 阶宽面位于铁索体形成的惯习面，台阶高度方向的 面是非共格界面，铁紊体相靠此非共格界面推进长 大 。条状铁 索体长 大中与母相保持 五一S关系，其前 方遇到奥氏体晶界时会终止长大，使晶界处形成较 多 的富碳奥氏体岛 ，这些小 岛使粒状贝氏体容易显 示母相晶界。铁索体条片间及不同铁索体条片束的 交界处也往往形成小岛，因为条片状铁索体形成长 大中，条片问一些小块未转变区域碳浓度增高而叉 不足以析出碳化物，所以在随后冷却中部分转变为 马氏体或贝氏体等。 ，并部分残留为室温下的奥氏 体，这些区域就成为小岛 可 以看 出，粒状 贝氏体与粒状组织的铁 紊体长 大机制均属于扩散型形核最大机制，即由非共格界 面推进而长大，区别仅在于共格界面的有无及多少。 1．2 粒状贝氏体形成机制探讨 1．2．1 通过块状 转变形成粒状贝氏体 相变 以形 校长大方式进行 ，不是靠共格切变，而是靠相界面处 原子作短程快速迁动转入新相使其长大。新旧相无 位向关系，成分没有或很少有变化，长大速度较快， 产物为不规则块状晶粒，可跨越旧相晶界。当把奥氏 体冷至< ^时．在发生下 贝氏体转变 前，由于原子 的热运动引起奥氏体成分不均匀，在晶界及晶内的 低碳部位依块状转 变的方式形成 铁索体并迅速 长 大。当铁素体核心长大时依靠碳的远程扩散，将碳排 向邻近的奥氏体中去，使奥氏体逐渐富集碳。随铁索 体不断长大，富碳奥氏体范围缩小 ，最后成为孤立的 小岛被铁索体包围，形成粒状贝氏体。 1．2。2 通过 贝氏体转 变形成粒状贝氏体 表面浮 凸 由宏观滑移变形引起 ，与上贝氏体无甚差异，实验 表明铁素体为片状。粒状贝氏体主要在奥氏体晶界 形核，随碳向周围奥氏体中扩散而成为铁索体片，随 片长大，奥氏体富寨碳，而片则逐渐联成块，将越来 越小的奥氏体包围起来成岛。这样的岛有方向性 。若 在尚未联成块的铁索体片问又形成其它分布方向的 铁索体片，则奥 氏体披分割，岛的分布无方向性 。 既然粒状贝氏体最初按上贝氏体方式形成，为 什么不沉淀出碳化物最终成为上贝氏体呢?因为铁 索体一奥氏体界面处未产生使碳得以形成渗碳体的 高温富集。粒状贝氏体在比上贝氏体冷速低的条件 下形成，此时碳的扩散能力强，扩散距离远，在较大 的奥 氏体范围内富集 。使铁索体一奥氏体界面处不会 形成很高的碳浓度峰值。也就是说，当温度< ^时+ 若奥氏体的碳浓度大干 延长线时，奥氏体披碳 过饱和，才能沉淀出碳化物。实际上粒状贝氏体形成 耐，界面处奥氏体的含碳量未超过 A 延长线 ，不会 析 出碳化物 。相反，如果冷速较大(转 变温度低)，扩 散距离近，在较小的奥 氏体范围内富集，界面处形成 很高的碳浓度峰值，超过 延长线 ，就会沉淀 出碳 化物，成为上贝氏体。 田1 纯铁的过冲奥氏体连续冷却转变曲线 I——扩散型 I——块状转变 _——马氏体转变 F ．1 The CCT sapercooled aus~eu[te 0r pure iron i——di“usbn type I—— m~ ive u。ansfom 吐i。I1 ■— — mart~sJte t功ng{0rmB【'Dn 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 乔斌：粒状贝氏体的形成 15 从动力学曲线 的位置上 比较 ，纯铁 的块状转 变正好和钢的贝氏体转变相对应(如图1所示)，这就 说明两种转变机理均是介于扩散型和无扩教型转变 之间的一类 中间过 渡型转变 ，可 以认为钢 中的贝氏 体转变不过是纯铁中的块状转变受到碳的影响的一 种变体。是否有碳化物是识别贝氏体的重要依据，无 碳贝氏体不是贝氏体(仅能称为贝氏体铁索体)，通 过块状转变形成粒状贝氏体与通过贝氏体转变形成 粒状贝氏体是一致的，并不矛盾。在中温转变温度范 围，先贝氏体铁索体或无碳贝氏体是以块状转变形 成的，正像在高温区先共析铁索体(等轴形)是以扩 散型转变形成一样对应有珠光体转变，而在中温范 高温区 中温医 低温区 囊 、A _ BF 毒 。 BF 围内则对应有贝氏体转变。在纯铁 中没有珠光体转 变，只有形成等轴铁索体晶粒的扩散型转变}也没有 贝氏体转变，只有相当于先贝氏体铁索体的块状转 变。这就说明上贝氏体、无碳贝氏体或先贝氏体铁素 体、魏氏组织铁索体形成时源于晶格改组，不是无扩 散型的，而是通过相界上的短程扩散实现的。碳原子 的存在、扩散和碳化物的脱溶沉淀，仅仅是影响转变 的动力学及产物的金相形貌和组织组成物，而不会 从纯铁的块状转变突然成为无扩散的共格切变。 1．2．3 通过元碳贝氏体针溶奢形成块状铰素体基 体 贝氏体转变产物具有多样性，在高、中、低温三 区有所差别(如图2所示)。 ．B ， 。 田2 鞋状贝氏体的铣蠢体溶台模型 Fig·2 The model of let'rite solution and combination of granular bainlte 在转变的孕育期问母相奥氏体即存在贫碳区和 度园方向不同而不同。在铁索体片的尖端附近奥氏 富碳区(即a期)，开始在贫碳区出现先共析铁索体 体中的碳原子可以向较开阔宽广的远处扩散，且有 (高温时)或是先贝氏体铁索体(中、低温)的晶核一 较大的浓度梯度，因此扩散比较快，使铁素体片纵向 并长大。魏氏组筝{先共析铁索体和先贝氏体铁索体 长大速度也较快。但是铁索体片的横向长大速度比 的长大机理是相同的，或者是共格切变机理，或者是 较慢，因为澈发形棱作用而出现一排相互平行的铁 台阶移动机理。温度愈低则纵向长大速度愈快，横向 寨体片，其间夹着的小区像长条的。走廊”，碳原子只 长大速度愈小，铁索体的片状形态更明显。温度愈 有扩散出这条“走廊”，才能稀释片间区内的碳浓度。 高，铁索体纵、横向长大速度接近，铁索体的片状形 否则片问区内浓度将增大，浓度梯度也会减小，铁索 态愈不明显，甚至方块状。随铁索体的形成及长大， 体片横向长大速度变慢。铁索体片间奥氏体富集的 伴有碳原子通过相界面向附近的奥氏体区富集，使 结果将会被铁索体片包围，形成富碳奥氏体岛。由铁 奥氏体内出现碳的浓度梯度，靠近相界面的碳浓度 寨体片溶合而成的块状铁索体基体上所分布的富碳 高，远离相界面的区域财接近原奥氏体浓度。因此在 奥氏体小岛具有一定程度的方’向性，小岛往往是长 奥氏体中伴随着碳浓度均匀化的扩散，导致铁索体 条形的。在较低温度下，在片状铁索体针的横向也可 片继续长大以便维持相平衡(或介稳相平衡)浓度要 以产生铁索体针，从而使富碳的贝氏体成为小岛(低 求。只有到奥氏体中碳浓度基本均匀时，铁索体的长 温区d)。在较高温度时，铁索体的纵横方向长大速 大才会失去驱动力。显然，碳向周围奥氏体扩散的速 度差别减小，碳原子较容易扩散出片问的“走廊 区， 錾 息 每 4 I 维普资讯 http://www.cqvip.com 16 淮海工学院学 报(自然科学版 ) 1998年6月 其铁素体片形态不明显。由非片状形态的铁素体溶 合而成的块状铁素体基体上分布的富碳奥氏体小岛 没有方向性，而且往往是颗粒形的。在足够低的温度 时，由于碳原子很难扩散出片间的“走廊”区，所以整 条“走廊”区均为富碳奥氏体状态，铁素体片溶台不 明显，成为无碳化物沉淀的“上贝氏体”组织，即由贝 氏体铁素体片和富碳残余奥氏体片组成的粒状贝氏 体。若有碳化物沉淀，就成为典型的上贝氏体。 在高温情况下，如果没有富碳奥氏体小岛呈方 向性分布在块状铁素体基体上，那就是无碳贝氏体 或魏氏组织铁素体。如果在等轴铁素体基体上没有 富碳奥氏体小岛，那就是先共析铁素体。富碳奥氏体 小岛的形状及分布形态是鉴别由片状铁素体溶合而 成的还是由非片状铁素体溶合而成的直观标志，即 区别粒状贝氏体和粒状组织的直观标志。 碳的扩散及脱溶沉淀是控制贝氏体转变及其形 貌的基本因素。阻碍碳的扩散或阻碍碳化物脱溶沉 淀的台金元素如硅、钼、铝、钒等元素将会提高富碳 奥氏体的碳浓度而提高其稳定性，如在55 MnMo 钢中很易在350~720℃观察到粒状贝氏体或粒状组 织以及铁紊体片的溶合过程，正是硅、钼起的作用。 2 结束语 钢中的粒状贝氏体或粒状组织是在铁素体基体 上分布着富碳奥氏体小岛(在室温下为富碳残余奥 氏体及其转变产物，如马氏体一奥氏体组织等)，其铁 紊体基体是由先贝氏体铁素体针片或先共析魏氏组 织铁素体片溶合而成的。合金元素通过对碳的扩散、 沉淀的影响，对粒状贝氏体的形貌及形成条件有重 要作用 。 参 考 文 献 1 Habraken L．De Fer Metallographla·1966t21O 2 方鸿生．低碳 Fe-Mn—B钢粒状贝氏体 的组织及其强韧 性．机 械工程材料 ，1981，l：5～14 3 方鸿生．粒状贝氏体组织形态、精细结构及相变．金属热 处理学报 ，l982，2：8～13 4 钟炳文等．超高强度钢粒状贝氏体的透射电镜观察-理化 检验一物理分册，1986，22(1)：3～7 5 方鸿生等．空冷贝氏体型少热处理钢．金属热处理t1958· 9t3～ 8 6 康洙狂等．粒状贝氏体转变的表面浮凸效应和组织分析- 理化检验一骑理分册．1983t19(4)：9～12 ‘ 7 方鸿生等．粒状贝氏体和粒状组织的形态与转变．金属学 报．A辑，l986，22(4)}283～288 8 Aaronson H I，Hehemann R F，Kinsman K R+ Phase Tran ormation．Metals Park，l97O 9 李承基等 关于粒状贝氏体 的探讨．金属热处理学报． 1981，3：21～ 26 彝斌．男．1966年生，硕士研究生．井师．主要从事高子轰 击化学捕处理的研究茂工程材料课程的教学工作 。 The Principles of Granul ar Bainite QiaoBin (De pt；of Mechanical Engineering，Huaihai Institute of Technology，Lianyungangt 222005t China) Abstract This paper deals with the microstructure of granular bainite in steel，and meanwhi~ indicates the principles of their formation． Key Words bmnhe~granular bainitet granu~r microstructure；ferrhe (本文责任编技：薄娜佳) 维普资讯 http://www.cqvip.com