贝氏体相变理论进展近况.doc

1贝氏体相变理论进展近况2贝氏体相变理论进展近况摘要近年来贝氏体相变理论学派的研究工作均有明显进展，但各自都有待澄清的难题，各派间在学术上的批判反批判旨在指明探索方向和发展途径各学派在研究贝氏体相变理论各个方面都有明显进展，研究进展的特点表现于在原有定性基础上加强了理论分析目前对贝氏体相变机制争论的重点在于碳原子和合金元素原子在贝氏体相变时的行为，贝氏体的形核理论和整体动力学，贝氏体相变造成的表面浮凸及贝氏体相变晶体学等关键词：贝氏体相变，晶体学，动力学引言贝氏体相变是在珠光体分解和马氏体相变温度范围之间进行中间转变因此，贝氏体转变既不是珠光体的扩散型转变，也不是马氏体的无扩散型相变，而是半扩散半相变，即只有碳原子能够扩散，而铁原子及其他替换合金元素的原子难以扩散又因为贝氏体相变具有过渡性，它不但具有珠光体分解的某些特征，又具有马氏体相变的一些特点，所以贝氏体相变是一个相当复杂的相变至今研究依然不够充分，并且存在着激烈的争论以 R.F.Hehemann 为代表的切变学派认为贝氏体是中温转变时形成的针状分解产物并具有针状组织形貌、浮凸效应和用自己的 TTT 图和 BS 点并把贝氏体定义为是铁素体和碳化物的非层片状混合组织；而以 H.I.Aaronson 为代表的扩散学派认为 TTT 图和 BS 点是合金元素对共析分解动力学的一种影响表现，浮凸效应也不能作为切变的依据。

同时，扩散学派认为贝氏体是扩散的、非协作的两种沉淀相竞争台阶生长的共析分解产物 [1]切变学派认为，贝氏体相变与马氏体相变的 MS点类似，也存在一个 BS点但扩散学派认为 BS点没有实质性意义，也没有独立的 TTT 图，并且贝氏体不完全转变仅仅是由于等温时间不够长而没有观察到转变完成而已贝氏体相变是属于切变机制还是属于扩散机制，这是扩散学派和切变学派争论的核心切变学派认为贝氏体在组织形貌上与无扩散切变产生的马氏体相似；贝氏体转变形成的浮凸现象与马氏体相变的表面浮凸现象相似等；而扩散学派认为在贝氏体宽面上存在巨型台阶，以及贝氏体长大界面为非共格弯曲面；贝氏体的表面浮凸现象不同于马氏体，不具备切变所要求的不变平面应变特性，扩散台阶机制也可以形成表面浮凸现象等由于切变学派并不否认碳原子在贝氏体转变中的扩散，因而，双方的分歧集中在贝氏体转变时，铁原子和其他代位原子是切变位移还是扩散位移关于贝氏体转变时，铁原子和其他代位原子是切变位移还是扩散位移的问题，切变学派和扩散3 1学派的争论主要是①贝氏体铁素体的长大是切变长大还是台阶长大；②贝氏体碳化物的析出源问题1 贝氏体相变研究进展1.1 贝氏体相变的特征贝氏体相变与马氏体相变相、共析分解比较是更为复杂的相变过程，贝氏体相变是过冷奥氏体转变的中间过渡环节过冷奥氏体作为一个整合系统，是从高温区的扩散性共析分解到低温区的马氏体无扩散相变是一个逐级演化的过程。

过渡性是其最主要的特征全过程可以分为三个不同性质的阶段：即高温区的珠光体转变、中温区的贝氏体相变和低温区的马氏体相变三个阶段既有联系又有区别，应当把握整合系统的整体性，贝氏体相变是这个系统的中间过渡环节在组织形貌上，贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体羽毛状上贝氏体、无碳贝氏体均与在晶界处形核长大的珠光体有相似之处，铁素体均呈条片状，仅碳化物分布形态有所区别羽毛状的上贝氏体与片状珠光体颇有相似之处；下贝氏体在奥氏体晶内形核长大，呈现片状或针状特征．条片状的下贝氏体与板条状马氏体相似．针状的下贝氏体与片状马氏体相似1.2 合金元素对贝氏体相变的影响通过对合金元素在贝氏体相变时行为来研究并获得有关贝氏体相变的信息，同时钢中合金元素的量对钢的性能也有很大的影响，所以研究合金元素对贝氏体相变的影响非常重要①钼元素对贝氏体相变的影响 Hackenberg[2]引发现在海湾温度发生相变时，钼可以在贝氏体铁素体和碳化物之间再分配，从而使贝氏体相变动力学减慢铁素体/渗碳体的界面能和碳化物的非平衡组分使得贝氏体相变动力学减慢20％以上因此根据Hackenberg的研究结果得出在贝氏体相变的高温区域是存在扩散的。

②铜元素对贝氏体相变的影响研究铜 [3]在过共析钢等温贝氏体相变时发现，在贝氏体铁素体和贝氏体渗碳体中有等量的过饱和铜存在通过适当的回火，在较低温度可以在贝氏体铁素体中析出铜，较高温度下贝氏体渗碳体中可以析出铜又因为铜在贝氏体铁素体和渗碳体中的溶解度很小，在贝氏体铁素体中存在过饱和的铜，因此说明在贝氏体相变过程中，在奥氏体和贝氏体之间不存在铜的再分配问题③钴和铝元素对贝氏体相变的影响通过添加适当的钴和铝 [4]可以使贝氏体相变加速这是因为其可以通过对相变驱动力磁性和非磁性部分的影响而使相变驱动力增加钴和铝增加了相变驱动力，从而使得形核位密度增加，一方面减小了对性能有害的残余奥氏体岛，另一方面更多的形核位置会使贝氏体铁素体板条细化1.3贝氏体形核按照固态相变一般规律，贝氏体铁素体的形核是非均匀形核金相观察表明，上贝氏体一般在奥氏体晶界处形核，而下贝氏体一般在奥氏体的晶内形核在贝氏体铁素体片条的长大过程中，存在激发形核现象Hehemann提出上贝氏体束由亚单元组成，它在长大过程中，随着贝氏体铁素铁片4条的加厚，相变引起的应力和应变加剧增大，其切应力若高于贝氏体相变驱动力时，贝氏体相变将停滞，这时，在所形成的贝氏体亚单元附近、应力集中的区域形成另一个贝氏体晶核，该过程为应力激发形核。

实验表明，钢中的贝氏体片条几乎都是由亚片条、亚单元或超细亚单元组成，表明激发形核是客观存在的但有人认为，在同一束贝氏体铁素体内亚单元的尺寸相差较大，用激发形核机理难以理解贝氏体是否可以切变形核一直在争论中徐祖耀 [5]对贝氏体相变时形核进行的热力学计算证实了贝氏体无法通过切变方式形核扩散机制和切变机制在描述贝氏体形核过程时都各自的观点和理由，因此，如果钢的成分不同，那么对B S点和形核机制的影响也不相同1.4贝氏体相变动力学基于扩散机制的贝氏体相变动力学主要是台阶机制和扩散控制片层状贝氏体铁素体析出动力学贝氏体铁素体片层的长大受扩散控制，不断累积的片层形成贝氏体组织扩散学派进行了贝氏体铁素体片条伸长和加厚的动力学计算Jones、Trivedi研究了贝氏体铁素体BF台阶生长速率方程，指出BF台阶的生长速率 和增厚速率 分别为1vtv（2-1 ）/ //1()4()CDchc（2-2 ）1thv式中 ——台阶高度；——台阶间距；——碳在奥氏体中的扩散系数；CD——谈在奥氏体中的原是浓度；c——在界面处奥氏体的碳浓度；/——在界面出铁素体的碳浓度/c徐祖耀等用Fe-0.43、C-1.78、Si-0.8、Mn-1.74、Ni-0.54、Cr-0.25Mo钢，经930℃奥氏体化后于320℃邓文处理。

在电子显微镜下观察到在贝氏体铁素体BF的宽面上存在巨型台阶，并测得台阶高 =32～85nm，间距 =150～180nm，实测 =60nm/s把计算出的 、 、实测 一并带入2-2式中，htv1vhtv计算出 =500nm认为实测值与计算结果为同一数量级，说明上述方程可信1.5其它因素对贝氏体相变的影响较低的奥氏体化温度和较短的保温时间可以使奥氏体晶粒尺寸细化，细微的晶粒可以提供更多的形核位置，从而使贝氏体相变加速在低温下进行贝氏体相变可以获得几十纳米尺度的贝氏体铁5素体和奥氏体片层的混和物，这种组织的钢有很高的硬度在贝氏体相变时施加非等轴压应力会导致 BS点升高并使相变加速应力作用下会形成具有一致取向关系的变体以适应外界应力，但是对于应力下贝氏体相变还缺乏定量的数学模型贝氏体钢在连续冷却过程加入30T的磁场时，会形成具有非常精细组织的珠光体并使相变加速，对于其具体相变机制的研究很少2讨论贝氏体相变机制的争论的重点之一是贝氏体是否以台阶机制长大徐祖耀曾观察到了贝氏体宽面上的台阶，认为马氏体和贝氏体都是由相界面台阶运动长大，但是两者的结构不同，贝氏体以扩散性质的台阶长大形成每种机制的持有者都不应忽视另外一方所获得的研究结果。

因为在不同的钢种和等温温度下得到的结果不同，因此贝氏体相变可能与钢的成分和温度有关可能的贝氏体相变机制如下：如果碳和合金元素含量较低，在贝氏体相变的高温区域内，由于碳和铁原子的扩散能力较强，合金元素对碳的活度和扩散系数以及对扩散界面动力学的影响不明显，贝氏体相变可能以扩散机制进行如果碳和合金元素含量较高，由于存在合金元素对扩散界面的束缚能和对碳活度和扩散系数的影响，在较高温度下贝氏体也无法以扩散机制形成当相变温度继续下降时，相变驱动力增加如果在贝氏体相变以扩散机制进行的温度区间做实验或进行计算，其结果符合扩散机制的特征；如果在切变机制的温度区间，实验和计算的结果符合切变机制的特征以后需要对贝氏体相变机制与钢的成分和相变温度之间的关系进行深入的研究讨论而不是仅仅关注于对贝氏体相变是单纯的扩散或者切变机制的争论3结论合金元素如铜无法在贝氏体相变温区再分配，但是在海湾温度发生贝氏体相变时钼会在贝氏体铁素体和碳化物之间再分配钴和铝对贝氏体相变有加速作用；在外加应力作用下会使相变加速；另外在外加磁场作用下也会加速相变进行贝氏体铁素体亚单元的表面浮凸既有帐篷型也有符合不变平面应变的形状某些钢种的贝氏体的晶体学取向关系与马氏体类似，但是在低碳Ni、Cr钢中贝氏体的惯习面和马氏体的惯习面偏差很大；很多钢种的贝氏体形核过程可以用等温马氏体相变理论描述，但是一些钢种的形核过程符合扩散控制经典形核理论。

贝氏体的长大过程在某些钢种中可以用扩散控制动力学描述，另外一些钢种中可以用基于切变机制的形核控制模型描述；贝氏体相变机制可能与钢的成分和相变温度相关6参考文献[1] 刘宗昌，任慧平，宋义全.金属固态相变教程[M].冶金工业出版社，2003[2] Hackenberg R E，Shifter G J．A mieroanalysis study ofthe bainite reaction at the bay in Fe-C—Mo[J]．Acta Mater，2003，51：2131—2147．[3] Fourlaris G，Baker A J，Papadimitriou G D．Effectct of copper additioIls on the isothemal bainitic transformnation in hyperelnectoid copper and copper-nickel steels[J]．Acta Mater，1996，44(12)：479l一4805．[4] Garcia—Mateo c，cahBuero F G，Bhadeshia H K D H．Accelemtion of low temperature baillite[J]．IsU，2003，43(11)：1821—1825．[5] 徐祖耀．贝氏体相变简介.热处理，2006，21(2).[6] 刘宗昌，王海燕，任慧平. 钢中贝氏体相变热力学[J]. 包头钢铁学院学报,2006,25(4).[7] 刘宗昌. 钢中贝氏体相变的论争及前景[J]. 包头钢铁学院学报,2003,22(1).[8] 康沫狂，朱明．关于贝氏体形核和台阶机制的讨论[J]．材料热处理学报，2005，26(2)．。