超低碳贝氏体的组织结构及形成机制

超低碳贝氏体钢是一类高强韧性的新型钢种，其组织结构及其形成机理研究尚少。

应用纯铁、超低碳合金钢，加热奥氏体化后激冷；得到的等轴状铁素体、块状组织和超低碳贝氏体等组织形貌，认为超低碳的块状转变组织与超低碳贝氏体都是中温区转变产物，本质上是一致的。

超低碳贝氏体在中温区，以γα多晶形转变的形式转变为贝氏体，在形核－长大过程中，碳原子和替换原子以热激活跃迁方式进行位移，是界面控制过程，转变速率较快。

纯铁（a）和Fe-Ni合金（b）在不同冷却速度下的相变

1.试验用钢和试验方法

应用Gieeble热模拟试验机测定X65钢的CCT曲线。得到的块状组织和超低碳贝氏体，采用QUNTA-400环扫电镜、JEM2010透射电镜进行观察。

2.块状转变的组织

加热到1100℃，保温后空冷。

（a）纯铁等轴状铁素体，LOM （b）加0.041%La的稀土钢的块状组织，LOM

纯铁、含0.041％La的稀土钢的块状组织（冰盐水中冷却），LOM

3. 超低碳贝氏体的组织形貌

（a） X65钢的块状组织（25℃/s冷却 ）；

（b）条片状贝氏体组织（水冷）

1.4~1.6Mn，Nb、Cu、Ni、Mo、B元素总量为0.8～1.2％的超低碳贝氏体组织，LOM

(a)冷却速度0.5℃/s；

(b)冷却速度10℃/s ；

(c)冷却速度30℃/s。

TEM （a）含有0.029%La的稀土钢条片状贝氏体中的亚单元和位错，（b）超低碳贝氏体中的高密度位错

4. 超低碳贝氏体的形成

贝氏体的转变机理已经争论近40年，而在超低碳钢中的贝氏体形成机制尚很少触及。

在贝氏体理论论争中的一个焦点问题是贝氏体相变时过冷奥氏体中是否存在贫碳区。而本研究的是超低碳钢，钢中的碳含量仅仅0.02%-0.07%。此钢在加热奥氏体化时，碳原子主要被晶界等晶体缺陷所吸纳，奥氏体晶格中到处是“无碳区”。因此不必讨论贫碳区和富碳区的形成机制问题。

这种情况下无碳的奥氏体区域转变为贝氏体则相当于γα多晶形转变。

4.1超低碳贝氏体的形成与纯铁的块状转变的关系

稀土钢、X65钢，其过冷奥氏体在较高温度下，原子扩散速度较快，发生长程扩散的AF转变，形成等轴状铁素体组织，如图6（b）的F区。当冷却速度大于25℃/s时，进入图6（b）的B区，则可得到条片状的贝氏体组织。

块状相变的特点是：其一，无成分变化；其二，是界面迁移速率极高；其三，是具有不规则界面的块状形貌。但是，有人指出块状组织也可以呈现条片状特征。从图1,图2可见，铁素体既有不规则块状，也有条片状的。这种组织形貌与无碳化物贝氏体组织中的贝氏体铁素体（BF）片条颇为相似。

图6 块状相变在CCT曲线中的位置示意图（a）X65钢的实测CCT图（b）

Mn-Mo-Nb-Cu-B系超低碳贝氏体钢的CCT图（屈服强度600~1000MPa）

超低碳钢的块状转变和超低碳贝氏体相变同属于一类相变

超低碳贝氏体钢的块状组织和超低碳条片状贝氏体组织，晶格类型相同、具有亚单元、高密度位错等亚结构。显然，超低碳贝氏体钢的“块状”组织和超低碳贝氏体组织本质上没有区别，仅仅在形貌上从块状演化为条片状。而块状组织也可以为条片状。

这样看来，超低碳钢的块状转变和超低碳贝氏体相变从化学成分、晶格类型、组织结构、动力学等方面看来，同属于一类相变，即中温区的贝氏体相变。

4.2超低碳贝氏体的形成机制

(1）结构涨落可以形成体心核坯；

(2）能量涨落可以提供核坯和临界晶核所需要的能量上涨。由于新旧相成分相同，不需要浓度涨落。各种涨落的非线性正反馈相互作用，使涨落迅速放大，致使奥氏体结构（fcc）失稳而瓦解，建构bcc结构的BF晶核。无碳的γ相则以“块状相变”机制迅速形成贝氏体铁素体晶核，实现γ→α（BF）转变。

（a）原子越过界面时自由焓变化示意图 （b）原子从γ→α热激活迁移,界面移动示意图

4.3转变温度对超低碳贝氏体形貌的影响

随着冷却速度的增大，转变温度也较低，组织形貌由块状演化为条片状贝氏体。

非共格畸变能U＝

弹性模量E是温度敏感的物理量，温度越高，弹性模量迅速降低。在较高温度时，弹性模量较小，因而相变畸变能小，新相晶核可为球状，最后长大为等轴状晶粒。随着温度的降低，弹性模量E迅速增大，畸变能变大，这时新相晶核逐渐演化为盘状、针状等形貌，晶粒由块状演化为条片状,形成条片状贝氏体或“针状铁素体”。

在惯习面上形核长大时，畸变能较小。

条片状贝氏体铁素体的长大方向与位向关系有关，新相沿着某晶面长大，以减小畸变能，最后长大为条片状贝氏体组织。

6.超低碳贝氏体的生产技术

1).复合吹炼，钢包精练；

2).连铸坯；

3).控轧控冷，TMCP工艺(热机械控轧工艺)；

4).RPC技术（驰豫-析出-控轧工艺），贝氏体片条尺寸4~6微米；

5).X80级贝氏体钢，降碳加铌，采用HTP工艺（高温控轧技术）；

6).Cu-Nb复加控制析出技术，即TPCP工艺（热机械控制析出工艺）。

5.超低碳马氏体

超低碳钢以高速冷却（大于30~100℃/s）时可获得板条状马氏体组织，如图:

低碳板条状马氏体 .0.03C-2Mn

7.结论

（1）超低碳钢的块状组织与超低碳贝氏体都是中温区转变产物，本质上是一致的。

（2）超低碳贝氏体组织呈条片状，条片状的贝氏体铁素体中具有亚单元和高密度位错等亚结构。

（3）超低碳钢过冷奥氏体在中温区以γα多晶形转变的形式转变为贝氏体，在形核－长大过程中，碳原子和替换原子以热激活跃迁方式进行位移，是界面控制过程，转变速率较快。