超低碳貝氏體的組織結(jié)構(gòu) 及形成機(jī)制
超低碳貝氏體鋼是一類高強(qiáng)韌性的新型鋼種，其組織結(jié)構(gòu)及其形成機(jī)理研究尚少。
應(yīng)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(rèn)為超低碳的塊狀轉(zhuǎn)變組織與超低碳貝氏體都是中溫區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，本質(zhì)上是一致的。
超低碳貝氏體在中溫區(qū)，以γ?α多晶形轉(zhuǎn)變的形式轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，在形核－長(zhǎng)大過(guò)程中，碳原子和替換原子以熱激活躍遷方式進(jìn)行位移，是界面控制過(guò)程，轉(zhuǎn)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(yàn)用鋼和試驗(yàn)方法
應(yīng)用Gieeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(huán)掃電鏡、JEM2010透射電鏡進(jìn)行觀察。
2.塊狀轉(zhuǎn)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(cuò)，（b）超低碳貝氏體中的高密度位錯(cuò)
4. 超低碳貝氏體的形成
貝氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)理已經(jīng)爭(zhēng)論近40年，而在超低碳鋼中的貝氏體形成機(jī)制尚很少觸及。
在貝氏體理論論爭(zhēng)中的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題是貝氏體相變時(shí)過(guò)冷奧氏體中是否存在貧碳區(qū)。而本研究的是超低碳鋼，鋼中的碳含量?jī)H僅0.02%-0.07%。此鋼在加熱奧氏體化時(shí)，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(wú)碳區(qū)”。因此不必討論貧碳區(qū)和富碳區(qū)的形成機(jī)制問(wèn)題。
這種情況下無(wú)碳的奧氏體區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w則相當(dāng)于γ?α多晶形轉(zhuǎn)變。
4.1超低碳貝氏體的形成與純鐵的塊狀轉(zhuǎn)變的關(guān)系
稀土鋼、X65鋼，其過(guò)冷奧氏體在較高溫度下，原子擴(kuò)散速度較快，發(fā)生長(zhǎng)程擴(kuò)散的A?F轉(zhuǎn)變，形成等軸狀鐵素體組織，如圖6（b）的F區(qū)。當(dāng)冷卻速度大于25℃/s時(shí)，進(jìn)入圖6（b）的B區(qū)，則可得到條片狀的貝氏體組織。
塊狀相變的特點(diǎn)是：其一，無(wú)成分變化；其二，是界面遷移速率極高；其三，是具有不規(guī)則界面的塊狀形貌。但是，有人指出塊狀組織也可以呈現(xiàn)條片狀特征。從圖1,圖2可見(jiàn)，鐵素體既有不規(guī)則塊狀，也有條片狀的。這種組織形貌與無(wú)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?cè)贑CT曲線中的位置示意圖（a）X65鋼的實(shí)測(cè)CCT圖（b）
Mn-Mo-Nb-Cu-B系超低碳貝氏體鋼的CCT圖 （屈服強(qiáng)度600~1000MPa）
超低碳鋼的塊狀轉(zhuǎn)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(cuò)等亞結(jié)構(gòu)。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(zhì)上沒(méi)有區(qū)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(lái)，超低碳鋼的塊狀轉(zhuǎn)變和超低碳貝氏體相變從化學(xué)成分、晶格類型、組織結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)等方面看來(lái)，同屬于一類相變，即中溫區(qū)的貝氏體相變。
4.2超低碳貝氏體的形成機(jī)制
(1）結(jié)構(gòu)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?jié)q落迅速放大，致使奧氏體結(jié)構(gòu)（fcc）失穩(wěn)而瓦解，建構(gòu)bcc結(jié)構(gòu)的BF晶核。無(wú)碳的γ相則以“塊狀相變”機(jī)制迅速形成貝氏體鐵素體晶核，實(shí)現(xiàn)γ→α（BF）轉(zhuǎn)變。
（a）原子越過(guò)界面時(shí)自由焓變化示意圖 （b）原子從γ→α熱激活遷移,界面移動(dòng)示意圖
4.3轉(zhuǎn)變溫度對(duì)超低碳貝氏體形貌的影響
隨著冷卻速度的增大，轉(zhuǎn)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(shí)，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(zhǎng)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(shí)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(xí)面上形核長(zhǎng)大時(shí)，畸變能較小。
條片狀貝氏體鐵素體的長(zhǎng)大方向與位向關(guān)系有關(guān)，新相沿著某晶面長(zhǎng)大，以減小畸變能，最后長(zhǎng)大為條片狀貝氏體組織。
6.超低碳貝氏體的生產(chǎn)技術(shù)
1).復(fù)合吹煉，鋼包精練；
2).連鑄坯；
3).控軋控冷，TMCP工藝(熱機(jī)械控軋工藝)；
4).RPC技術(shù)（馳豫-析出-控軋工藝），貝氏體片條尺寸4~6微米；
5).X80級(jí)貝氏體鋼，降碳加鈮，采用HTP工藝（高溫控軋技術(shù)）；
6).Cu-Nb復(fù)加控制析出技術(shù)，即TPCP工藝（熱機(jī)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(shí)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(jié)論
（1）超低碳鋼的塊狀組織與超低碳貝氏體都是中溫區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，本質(zhì)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(cuò)等亞結(jié)構(gòu)。
（3）超低碳鋼過(guò)冷奧氏體在中溫區(qū)以γ?α多晶形轉(zhuǎn)變的形式轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w，在形核－長(zhǎng)大過(guò)程中，碳原子和替換原子以熱激活躍遷方式進(jìn)行位移，是界面控制過(guò)程，轉(zhuǎn)變速率較快。
作者：內(nèi)蒙古科技大學(xué) 劉忠昌教授
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