5.8贝氏体相变机制

5.8贝氏体相变机制贝氏体相变机制自1952年柯俊提出以来，已进行了大量的研究工作。学者们主要提出：（1）切变机制（柯俊等人）；（2）扩散-台阶机制（H.I.Aaronson等人）；（3）界面原子热激活跃迁机制（刘宗昌等人）。“切变”机制和台阶-扩散机制等学说各有短长。整合其优点，摒弃其错误。提出了新机制。5.8.1以往的学说（1）切变学说柯俊等在抛光的试样表面观察到贝氏体表面浮凸现象，将此作为贝氏体相变切变机制的重要依据，提出了贝氏体相变的切变学说。被Hehemann等人接受，发展成为切变学说。我国学者康沫狂等支持这种学说，并且做了大量研究工作。主要内容是：在贝氏体相变时，首先形成过饱和的贝氏体铁素体，铁原子和替换原子不发生扩散，贝氏体铁素体以马氏体相变方式形核长大。随后，碳原子析出，形成碳化物。形成下贝氏体、上贝氏体。康沫狂认为：在贝氏体相变孕育期内，碳原子扩散向晶体缺陷处聚集，从而在奥氏体中形成贫碳区和富碳区。贫碳区为贝氏体切变形核提供场所，贝氏体在贫碳区形核。贝氏体铁素体亚单元在贫碳区以切变形核－长大方式形成，贝氏体铁素体条片中含有过饱和的碳原子。该学说的要害是切变过程缺乏实验依据，相变驱动力不足以完成切变过程。（2）扩散学说60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson及其合作者提出贝氏体台阶-扩散机制。其核心内容是：（1）贝氏体是过冷奥氏体的非层片状共析分解的产物。在贝氏体相变过程中，存在碳原子、铁原子和替换原子的扩散过程。（2）贝氏体铁素体是通过台阶的激发形核-台阶长大机制进行的，长大过程受碳原子扩散控制。（3）贝氏体碳化物在奥氏体/铁素体晶界形核并且向奥氏体内部长大。徐祖耀、方鸿生等学者支持扩散学说。该学说的功绩是从能量上否定了切变学说（尽管缺乏说服力）。该学说的要害是将贝氏体相变混同于共析分解，与实际不符。扩散学派则认为：碳原子、铁原子和替换原子均进行台阶-扩散位移。此观点错误，也不符合实际。需要澄清扩散的概念：各种书刊中，扩散一词的定义有所区别，列举如下：（1）“固态中的扩散本质是在扩散力（浓度，电场、应力场等的梯度）作用下，原子定向、宏观的迁移”[13]。这里指出扩散造成原子的宏观迁移。（2）“通过原子（分子）的无规运动，导致宏观传质，这种过程称为扩散[14]。（3）“原子迁移的微观过程以及由于大量原子的迁移而引起物质的宏观流动，称为扩散”[15]。（4）“扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程[16]。（5）“扩散的本质是粒子不规则的布朗运动”[17]。（6）原子在固体中从高浓度区域向低浓度区域的运动，称为扩散[18]。扩散的确切定义：根据各名家的定义，综合起来考虑，将扩散重新定义为：在金属和合金中，原子（分子）的无规则的定向运动导致的传质过程，称为扩散。这种传质过程是粒子的定向的不规则运动，可以是下坡扩散，也可以是上坡扩散，可能是宏观的物质迁移，也可能是微观迁移(纳米尺度范围)的定向的物质流，传质是有成分变化的过程。按照扩散机制，扩散时原子每次移动的距离为一个原子间距。5.8.2贝氏体相变的非协同热激活跃迁机制要点：1）涨落形成贫碳区，是相变的契机；2）贫碳区中形成贝氏体铁素体晶核；3）非协同热激活跃迁长大；4）贝氏体碳化物的形成新机制5.8.2.1．超低碳贝氏体的形成在贝氏体相变孕育期内，在过冷奥氏体中必然出现随机的涨落。新相的晶核是以涨落作为种子的。（1）结构涨落可以形成体心核胚；（2）能量涨落可以提供核胚和临界晶核所需要的能量上涨。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。过冷奥氏体在此温度范围的孕育期内，通过涨落，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。超低碳贝氏体组织，其与原奥氏体的成分相同，本质上是γ➞α的无扩散型相变。由于新相和母相的成分相同，原子只需非协同热激活跳跃就可以跨越相界面，即不需要原子的长程扩散就可以使界面迁移，因而界面迁移速度比长程扩散快，界面移动是由界面过程控制的。5.8.2.2奥氏体中的贫碳区按照科学技术哲学的一般规律，在贝氏体相变孕育期内，在过冷奥氏体中必然通过随机的浓度涨落形成贫碳区和富碳区。测定某一温度下贝氏体等温转变动力学曲线以及与之相对应的奥氏体点阵常数的变化，也即奥氏体含碳量的变化。如图,可见，中碳钢在转变的孕育期内，奥氏体中的含碳量已经增加，这意味着奥氏体中出现了富碳区和贫碳区。图C)1.39%C的高碳钢，在孕育期内，奥氏体中的含碳量就显著降低，表明等温一开始奥氏体中就形成了贫碳区，奥氏体的点阵常数变小，碳化物析出。等温转变量（曲线1）及奥氏体点阵常数（曲线2）与等温时间的关系（a）0.48C,4.33Mn(b)1.39C,2.74Mn取含碳量为0.2wt％的Fe－C合金,则奥氏体中碳原子的原子百分数为1at％C。算得平均每25个奥氏体晶胞中分布有一个碳原子，如示意图。贫碳区γ´的尺度贫碳区γ´包含60个晶胞包含26个晶胞估计贝氏体铁素体晶核尺度（1）贝氏体铁素体晶核的大小难以实际观察到。但从贝氏体铁素体的亚单元的大小可以推测晶核的尺度。（2）BF片条由亚片条组成，亚片条由亚单元组成，亚单元由超亚单元组成。观测表明：亚单元的宽度约70nm，长度0.1～0.2μm；亚单元由更细小的超亚单元组成，宽度20～30nm。由此估计BF晶核的尺寸为20nm以内。BF亚片条、亚单元的电镜照片BF的亚单元BF的亚片条孪晶5.8.2.3贝氏体铁素体的形核-长大贝氏体相变形核是单相，即贝氏体铁素体（BF）。按照固态相变的一般规律，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，也可在晶界形核。两大学派各有其形核学说切变学派认为，在贝氏体转变孕育期内，由于奥氏体内晶体缺陷与碳原子的相互作用，形成贫碳区和富碳区。在贫碳区内，贝氏体铁素体可以按低碳或超低碳马氏体的切变机制形核。扩散学派则认为：贝氏体转变不可能出现贫碳区和富碳区的调幅分解。通过贝氏体相变所产生的内耗的研究，证明贝氏体相变孕育期内发生贝氏体的形核过程是由于母相点阵软化所致，并不需要形成贫碳区。激发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。随着贝氏体铁素体片条的加厚，相变引起的应力和应变急遽增大，当畸变能高于相变驱动力时，贝氏体相变将要停滞，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。该过程与马氏体激发形核相似。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，表明激发形核的客观存在。涨落形成贫碳区，BF在贫碳区中形核科学技术哲学告诉我们：新相的晶核是以涨落作为种子的。浓度涨落可以形成贫碳区，结构涨落形成α相体心核坯，能量涨落提供核坯和临界晶核所需要的能量上涨。三种涨落的非线性正反馈相互作用，使涨落迅速放大，致使奥氏体贫碳区的结构（fcc）失稳而瓦解，建构bcc结构的BF晶核。γ′→α（BF）在奥氏体贫碳区中，铁原子没有浓度梯度，即，因此按菲克定律不可能发生扩散。但是贫碳的γ/α界面两侧存在自由焓差，为负值，因此，γ→α的转变是个自发过程，铁原子和替换原子通过热激活跃迁依次转入α－相中，实现γ→α（BF）转变，这是成分不变的非协同型相变，也是一种无扩散相变。0dxdC图5-58SEM20CrMo钢贝氏体铁素体形核及长大观察表明，上贝氏体一般在奥氏体晶界处形核（a）SEM,34CrNi3Mo钢的上贝氏体在晶界形核并长大，（b）LOM,渗碳后的18CrNiW钢的下贝氏体在晶界形核，晶内激发形核。SEM34CrNi3Mo钢贝氏体在奥氏体晶界形核并长大图5-59下贝氏体在石墨球表面上形核，向晶内长大60Si2CrV钢贝氏体铁素体在晶界形核长大SEM60Si2CrV钢贝氏体铁素体在晶界形核贝氏体晶核形成示意图贝氏体铁素体晶核尺寸和形核功形核时系统自由焓的变化理论上临界晶核形核功均为正值。计算得贝氏体铁素体形核功270J·mol-1。该值是与相变驱动力相匹配的，是合理的。（贝氏体相变驱动力约为-800～-1000J·mol-1）形核功为正值，依靠能量涨落来达到，它是相变驱动力作用下的反映，因此形核功必小于相变驱动力的绝对值。原子非协同热激活跃迁使BF形核长大依靠铁原子和替换原子的热激活跃迁，贝氏体铁素体形核长大很快，孕育期很短。这与实验数据和计算结果相符。若按扩散理论计算（500℃等温时）形成一片BF需要时间为508s。实测t实＝0.36s。两者相差3个数量级。因此不是扩散过程。5.8.2.4贝氏体碳化物（BC）的形成贝氏体相变不是共析分解过程，其碳化物与贝氏体铁素体不是共析共生的，不存在两相竞争协同生长的关系.例如：无碳化物贝氏体中，除了贝氏体铁素体片条外，只有残留奥氏体，θ－Fe3C没有析出。粒状贝氏体是由BF＋M/A岛组成的整合组织，也没有碳化物。尽管碳化物（θ或ε）往往不一定存在于贝氏体组织中，但它仍然是贝氏体组织中的一个组成相，其形成规律也是贝氏体相变机制的一个组成部分。(1)．贝氏体碳化物的形核贝氏体碳化物的形核也是非均匀形核，即优先在界面等晶体缺陷处形核。观察表明，贝氏体碳化物在贝氏体铁素体片条之间的奥氏体界面上形成或在贝氏体亚单元间形成。图5-60为P20钢(a)和23MnNiCrMo钢(b)的下贝氏体组织，图5-60TEM,P20钢(a)和23MnNiCrMo钢(b)的下贝氏体图5-61SEMGCr15钢的下贝氏体组织(背散射电子像)贝氏体铁素体亚单元的形成使碳原子不断排出而进入奥氏体中，奥氏体中将溶入大量的碳原子。尤其在BF/γ相界面上，碳原子易于吸附偏聚，而且碳原子沿着界面的扩散速度很快，加上与富碳的奥氏体相邻接，因此，BF/γ相界面是碳化物形核的有利地点。此与试验事实相符。(2).贝氏体碳化物的长大贝氏体碳化物在BF/γ相界面上形核，并且向奥氏体内部长大。碳化物的长大促进了铁素体的长大。随着铁素体亚单元的重复形成，碳化物不断长大，这是碳原子不断沿着界面扩散输运的过程，也是铁原子在相界面上非协同热激活跃迁的过程。上贝氏体碳化物在BF/γ相界面上形核，向富碳奥氏体中长大。5.8.2.5无碳化物贝氏体的形成过程各个贝氏体铁素体片条之间的奥氏体中，不断富集碳，而且受铁素体片条的多向压应力，因而这些富碳的奥氏体越来越稳定，如果渗碳体也难以析出，则最后将残留下来。这样就形成了贝氏体铁素体片条＋富碳的残留奥氏体的整合组织，即无碳化物贝氏体（BF+A′）。无碳贝氏体形核及长大示意图5.8.2.6贝氏体羽毛状上贝氏体的形成过程与无碳化物贝氏体形成过程相似。区别在于从富碳奥氏体中析出了渗碳体分布在贝氏体铁素体片条之间。由于渗碳体（含6.67%C）形核需要较高的碳浓度涨落，由于碳原子进行长程扩散，这显然需要时间，因此，渗碳体形核困难，长大也慢，难以形成片状，只能长大到细小的颗粒而终止，因此，在贝氏体铁素体片条之间分布着细小的渗碳体颗粒，呈现羽毛状。上贝氏体形成过程示意图5.8.2.7贝氏体下贝氏体的形成过程与上贝氏体不同。下贝氏体形核地点可在晶界，也可在晶内的缺陷处。也是首先通过涨落产生贫碳区，形成贝氏体铁素体的亚单元。亚单元片侧面是富碳奥氏体，它可能析出ε－碳化物，也可能稳定，不足以沉淀析出碳化物。如果析出了碳化物，消耗了碳原子，而又一次贫碳，这有助于形成第二片亚单元。这样，在亚单元侧面不断重复形成亚单元，而构成一片下贝氏体铁素体。下贝氏体铁素体亚单元及碳化物形核－长大示意图5.8.2.8贝氏体.钢中贝氏体组织的形成过程贝氏体相变的整合机制贝氏体相变是中温区的相变，是珠光体相变和马氏体相变之间的过渡性相变。贝氏体相变不是单一的扩散机制，也不是单纯的切变机制。相界面原子非协同热激活跃迁位移实现贝氏体铁素体形核长大和形成碳化物，是新机制。5.8.2.9贝氏体相变新机制的主要观点：1.贝氏体相变是介于马氏体相变和共析分解