超低碳貝氏體的組織結構 及形成機制
超低碳貝氏體鋼是一類高強韌性的新型鋼種，其組織結構及其形成機理研究尚少。
應用純鐵、超低碳合金鋼，加熱奧氏體化后激冷；得到的等軸狀鐵素體、塊狀組織和超低碳貝氏體等組織形貌，認為超低碳的塊狀轉變組織與超低碳貝氏體都是中溫區轉變產物，本質上是一致的。
超低碳貝氏體在中溫區，以γ?α多晶形轉變的形式轉變為貝氏體，在形核－長大過程中，碳原子和替換原子以熱激活躍遷方式進行位移，是界面控制過程，轉變速率較快。
純鐵（a）和Fe-Ni合金（b）在不同冷卻速度下的相變
1.試驗用鋼和試驗方法
應用Gieeble熱模擬試驗機測定X65鋼的CCT曲線。得到的塊狀組織和超低碳貝氏體，采用QUNTA-400環掃電鏡、JEM2010透射電鏡進行觀察。
2.塊狀轉變的組織
加熱到1100℃，保溫后空冷。
（a）純鐵等軸狀鐵素體，LOM （b）加0.041%La的稀土鋼的塊狀組織，LOM
純鐵、含0.041％La的稀土鋼的塊狀組織 （冰鹽水中冷卻），LOM
3. 超低碳貝氏體的組織形貌
（a） X65鋼的塊狀組織（25℃/s冷卻 ）；
（b）條片狀貝氏體組織（水冷）
1.4~1.6Mn，Nb、Cu、Ni、Mo、B元素總量為0.8～1.2％的超低碳貝氏體組織，LOM
(a)冷卻速度0.5℃/s；
(b)冷卻速度10℃/s ；
(c)冷卻速度30℃/s。
TEM （a）含有0.029%La的稀土鋼條片狀貝氏體中的亞單元和位錯，（b）超低碳貝氏體中的高密度位錯
4. 超低碳貝氏體的形成
貝氏體的轉變機理已經爭論近40年，而在超低碳鋼中的貝氏體形成機制尚很少觸及。
在貝氏體理論論爭中的一個焦點問題是貝氏體相變時過冷奧氏體中是否存在貧碳區。而本研究的是超低碳鋼，鋼中的碳含量僅僅0.02%-0.07%。此鋼在加熱奧氏體化時，碳原子主要被晶界等晶體缺陷所吸納，奧氏體晶格中到處是“無碳區”。因此不必討論貧碳區和富碳區的形成機制問題。
這種情況下無碳的奧氏體區域轉變為貝氏體則相當于γ?α多晶形轉變。
4.1超低碳貝氏體的形成與純鐵的塊狀轉變的關系
稀土鋼、X65鋼，其過冷奧氏體在較高溫度下，原子擴散速度較快，發生長程擴散的A?F轉變，形成等軸狀鐵素體組織，如圖6（b）的F區。當冷卻速度大于25℃/s時，進入圖6（b）的B區，則可得到條片狀的貝氏體組織。
塊狀相變的特點是：其一，無成分變化；其二，是界面遷移速率極高；其三，是具有不規則界面的塊狀形貌。但是，有人指出塊狀組織也可以呈現條片狀特征。從圖1,圖2可見，鐵素體既有不規則塊狀，也有條片狀的。這種組織形貌與無碳化物貝氏體組織中的貝氏體鐵素體（BF）片條頗為相似。
圖6 塊狀相變在CCT曲線中的位置示意圖（a）X65鋼的實測CCT圖（b）
Mn-Mo-Nb-Cu-B系超低碳貝氏體鋼的CCT圖 （屈服強度600~1000MPa）
超低碳鋼的塊狀轉變和超低碳貝氏體相變 同屬于一類相變
超低碳貝氏體鋼的塊狀組織和超低碳條片狀貝氏體組織，晶格類型相同、具有亞單元、高密度位錯等亞結構。顯然，超低碳貝氏體鋼的“塊狀”組織和超低碳貝氏體組織本質上沒有區別，僅僅在形貌上從塊狀演化為條片狀。而塊狀組織也可以為條片狀。
這樣看來，超低碳鋼的塊狀轉變和超低碳貝氏體相變從化學成分、晶格類型、組織結構、動力學等方面看來，同屬于一類相變，即中溫區的貝氏體相變。
4.2超低碳貝氏體的形成機制
(1）結構漲落可以形成體心核坯；
(2）能量漲落可以提供核坯和臨界晶核所需要的能量上漲。由于新舊相成分相同，不需要濃度漲落。各種漲落的非線性正反饋相互作用，使漲落迅速放大，致使奧氏體結構（fcc）失穩而瓦解，建構bcc結構的BF晶核。無碳的γ相則以“塊狀相變”機制迅速形成貝氏體鐵素體晶核，實現γ→α（BF）轉變。
（a）原子越過界面時自由焓變化示意圖 （b）原子從γ→α熱激活遷移,界面移動示意圖
4.3轉變溫度對超低碳貝氏體形貌的影響
隨著冷卻速度的增大，轉變溫度也較低，組織形貌由塊狀演化為條片狀貝氏體。
非共格畸變能U＝
彈性模量E是溫度敏感的物理量，溫度越高，彈性模量迅速降低。在較高溫度時，彈性模量較小，因而相變畸變能小，新相晶核可為球狀，最后長大為等軸狀晶粒。隨著溫度的降低，彈性模量E迅速增大，畸變能變大，這時新相晶核逐漸演化為盤狀、針狀等形貌，晶粒由塊狀演化為條片狀,形成條片狀貝氏體或“針狀鐵素體”。
在慣習面上形核長大時，畸變能較小。
條片狀貝氏體鐵素體的長大方向與位向關系有關，新相沿著某晶面長大，以減小畸變能，最后長大為條片狀貝氏體組織。
6.超低碳貝氏體的生產技術
1).復合吹煉，鋼包精練；
2).連鑄坯；
3).控軋控冷，TMCP工藝(熱機械控軋工藝)；
4).RPC技術（馳豫-析出-控軋工藝），貝氏體片條尺寸4~6微米；
5).X80級貝氏體鋼，降碳加鈮，采用HTP工藝（高溫控軋技術）；
6).Cu-Nb復加控制析出技術，即TPCP工藝（熱機械控制析出工藝）。
5.超低碳馬氏體
超低碳鋼以高速冷卻（大于30~100℃/s）時可獲得板條狀馬氏體組織，如圖:
低碳板條狀馬氏體 .0.03C-2Mn
7.結論
（1）超低碳鋼的塊狀組織與超低碳貝氏體都是中溫區轉變產物，本質上是一致的。
（2）超低碳貝氏體組織呈條片狀，條片狀的貝氏體鐵素體中具有亞單元和高密度位錯等亞結構。
（3）超低碳鋼過冷奧氏體在中溫區以γ?α多晶形轉變的形式轉變為貝氏體，在形核－長大過程中，碳原子和替換原子以熱激活躍遷方式進行位移，是界面控制過程，轉變速率較快。
作者：內蒙古科技大學 劉忠昌教授
| |
