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第22卷第5期2014年10月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll5Oct.2014超级贝氏体钢相变的原位观察研究胡海江,徐光,刘峰(武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室,武汉430081)摘要:为了探索贝氏体相变形核和长大的动态过程,利用高温激光共聚焦扫描显微镜,对一种含碳质量分数为0.42%的超级贝氏体钢进行了贝氏体相变的原位动态观察研究.结果表明:在贝氏体保温相变期间,贝氏体形核除了发生在原奥氏体晶界、晶内以及预先形成的贝氏体处,退火孪晶还引发贝氏体形核;在贝氏体长大过程中,后形成的贝氏体板条与先形成的贝氏体长大方向不同,使两者发生碰撞,从而产生“互锁”现象,形成一种互锁的贝氏体微观组织.原位观察可以研究和分析贝氏体形核和长大的动态过程,为贝氏体相变的理论研究提供了更有效的手段.关键词:原位观察;相变;超级贝氏体钢;组织;孪晶中图分类号:TG113.11;TG156.1文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)05-0097-05InsitustudyoftransformationinasuperbainitesteelHUHaijiang,XUGuang,LIUFeng(TheStateKeyLaboratoryofRefractoriesandMetallurgy,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China)Abstract:Toinvestigatethedynamicprocessofbainitetransformation,insituobservationofbainitetransformationina0.42%Csuperbainitesteelwasconductedonahightemperaturelaserscanningconfocalmicroscope.Itisfoundthatthebainiteembryosnucleatenotonlyinparentaustenitegrain,ongrainboundaryandpreviouslyformedbainiteplatelet,butalsoatannealingtwinduringbainitetransformation.Inaddition,duringtheprocessof⁃bainitetransition,preformedbainiteplates⁃andlaterformedbainiteplatesgrowindifferentdirectionsresultingintheimpingementbetweenthem.Withmutualintersectionofbainiteplates,aninterlockedbainitemicrostructurewouldbedevelopedfinally.Insituobservationinvestigationmakesitpossiblethatbainitenucleationandgrowthcanbeidentifiedinrealtimeduringisothermalholding,providingefficientmethodfortransitiontheoryanalysis.Keywords:insituobservation;transformation;superbainitesteel;microstructure;twin收稿日期:2013-06-23.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51274154);宝钢汽车用钢与应用技术开发国家重点实验室重点项目(BS-2012-01);国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA03A504).作者简介:胡海江(1989-),男,博士研究生;徐光(1961-),男,教授,博士生导师.通信作者:徐光⁃,Email:xuguang@mail.wust.edu.cn.贝氏体钢是一种具有较高强度和良好韧性的钢种,一直都是钢铁材料界的研究重点,其中超级贝氏体钢是一种受到广泛关注的新一代高强度钢.研究贝氏体钢相变有助于分析各种影响相变的因素,为控制相变过程提供理论依据,进而获得良好的微观组织和性能[1-4].采用传统的金相研究方法,如光学显微镜、扫描电镜或透射电镜,可以分析研究不同钢种经过既定工艺热处理后的组织形貌及其分布规律,但这只能观察试样在某种工艺处理后的静态组织,对于相变的动态发展过程则不能做具体的研究.利用高温共焦激光扫描显微镜(简称LSCM)对试样进行原位观察,可以实时地观察相变的动态过程,具有较好的连续性和直观性.目前,国内外对钢铁材料相变的研究大部分采用传统金相法,只有少数研究使用原位观察方法.Zhang等[5]利用LSCM对一种Fe-0.15C合金的铁素体相变进行了研究;Kolmskog等[6]利用高温显微镜观察到在马氏体转变温度点以下仍会发生贝氏体转变;Kang等[7]利用扫描电镜原位观察研究了贝氏体相变时的形核和长大过程.现在国内涉及原位观察的研究大多集中在不锈钢[8-9]或对于马氏体相变的研究上[10],而对于贝氏体钢原位观察的研究还很少报道,一般研究采用的都是常规的金相观察法[11-12].因此,本文采用LSCM对一种超级贝氏体钢的等温贝氏体相变行为进行了原位观察研究,记录了贝氏体相变期间形核和长大的整个动态过程,分析了超级贝氏体钢相变过程.1实验实验材料为中碳贝氏体钢,化学成分(质量分数/%)为:C0.41,Mn2.81,Si2.02,Fe余量.首先,将锻造后的实验用钢加工成Ф6mm×4mm的圆柱试样;然后,对其顶部和底部进行抛光,采用高温激光显微镜对贝氏体钢进行等温相变处理.实验在VL2000DX高温激光显微镜上进行,在加热前将试样室抽真空到6×10-3Pa,并通入氩气以防止试样表面氧化.使用MUCG83软件计算出实验钢的贝氏体转变开始温度与转变结束温度分别为423和℃305,马氏体转变温度为℃256,据此设定贝氏体等温热处理温度为℃330.实验工艺如图1所示,以℃5/s的速度将试样加热到℃1100后,保温奥氏体化30min,再以℃5/s的速度冷却至℃330,保温60min进行等温相变处理,最后将试样空冷至室温.采用显微成像系统,实时原位观察冷却以及保温过程中试样显微组织的变化,同时记录成视频文件.1100℃,30min5℃/s5℃/s330℃,60min空气室温时间/s温度/℃图1实验工艺流程图2结果与讨论2.1贝氏体形核一般认为,贝氏体铁素体形核发生在晶界、夹杂物以及位错等处,原奥氏体晶粒内部存在碳原子的扩散,在贝氏体相变孕育期,由于碳原子的扩散不稳定,引起成分起伏,在奥氏体晶粒内形成富碳区与贫碳区[13-14],其中贫碳区的出现有利于贝氏体铁素体的形成.在冷却过程中,一旦贫碳区温度降到贝氏体转变温度以下,则贝氏体开始形核.将试样加热到℃1100并保温30min是为了充分奥氏体化,此时在LSCM下观察到的组织全为奥氏体,奥氏体晶粒形貌如图2所示.图2中箭头A所指处为奥氏体化过程中形成的孪晶线.100μm图2在℃1100保温30min奥氏体化后的原位观察组织图3为在原奥氏体晶内孪晶线处贝氏体形核的高温显微镜组织.100μm100μm(a)(b)(b)等温相变一段时间(a)孪晶线处初始形核图3℃330相变过程中在原奥氏体晶内孪晶线处贝氏体形核的高温显微镜组织图3(a)中箭头A所指处为贝氏体开始在孪·89·材料科学与工艺第22卷晶线处形核,这是因为退火孪晶的界面能比奥氏体晶界能要低,也是新相形核的有利地点,但由于温度还比较高,观察到的孪晶处形核不是很明显,随后在℃330保温一段时间后,可以清楚地观察到贝氏体在孪晶界处大量形核,如图3(b)中的箭头A所示.图4为在原奥氏体晶界处形核高温显微镜组织,在奥氏体化后的降温过程中,温度降至℃418即贝氏体转变点以下时,观察到贝氏体开始形核.对比图4(a)和(b)中的A区域可以看到,贝氏体板条在晶界处的形核.由于晶界处的晶格畸变大,能量高,所以其扩散激活能要比晶内的小,碳原子扩散迁移快,更容易形成富碳区与贫碳区,当贫碳区的温度低于贝氏体转变点,便开始形核.100μm100μm(a)(b)(a)晶界处初始形核(b)等温相变一段时间图4℃330相变过程中在原奥氏体晶界处贝氏体形核的高温显微镜组织对比图5(a)与(b)可以观察到贝氏体形核的第3种方式,即新的贝氏体板条在预先形成的贝氏体铁素体板条上形核,如图5(a)与(b)中A区域所示,这是由于先形成的贝氏体铁素体提供了大量的形核点,增大了非均匀形核率,使贝氏体能够在原先形成的板条上形核.100μm100μm(a)(b)(b)等温相变一段时间(a)预先形成贝氏体板条上初始形核图5℃330相变过程中在预先形成的贝氏体板条上形核的高温显微镜组织此外,除了上述3种形核方式以外,贝氏体还会在晶内形核,晶内的碳原子扩散速度要小于晶界处,且晶内形核点也有限,所以晶内形核一般出现的较晚,如图6(a)和(b)中的A区域所示,在℃401时图6(a)中的A区域还没有出现形核,当温度降到℃330时图6(b)中的A区域可以很明显地观察到晶内贝氏体形核.上述4种形核方式都可以采用高温激光显微镜原位观察的方法直接观测到,其中孪晶线处形核只能利用LSCM观察到,而且采用LSCM可以实时地分析贝氏体形核的动态过程.2.2贝氏体长大目前针对贝氏体铁素体晶核的长大机制主要有两种观点:一种是与马氏体晶核长大相类似的贝氏体切变长大机制[15],柯俊院士和英国Cottrell教授于1952年合作,首次对贝氏体相变的机制进行研究,在抛光的试样表面上观察到贝氏体转变时产生的浮凸效应,据此他们推论贝氏体相变过程和马氏体相变时的切变共格机制相似,即相变时铁及其他置换型原子是以无扩散的切变方式来完成点阵改变,只不过贝氏体的长大速率比马氏·99·第5期胡海江,等:超级贝氏体钢相变的原位观察研究体的慢得多;贝氏体形核的另一种机制是由扩散派代表人物美国物理冶金学家Aaronson教授首先提出的[16-17],他们认为贝氏体是共析转变的变种,是一种过冷奥氏体的中温区域分解后的非片层组织.我国著名的金相学家徐祖耀院士也支持这种扩散机制.赞同贝氏体以扩散机制长大的研究人员还强调,无论是按切变式长大,还是按扩散式长大,两者均是按台阶长大机制进行的.100μm100μm(a)(b)(b)等温相变一段时间(a)晶粒内初始形核图6℃330相变过程中在原奥氏体晶内贝氏体形核的高温显微镜组织利用LSCM原位观察可以分析贝氏体长大过程中的形貌变化,图7给出了试样在℃330保温期间贝氏体铁素体长大的形貌特征,图7(a)中A所指的是最先形成的贝氏体板条横穿原奥氏体晶粒内部,箭头B所指示的为后形成的贝氏体,后形成的贝氏体板条与先形成的贝氏体板条取向不同,后形成的贝氏体板条在长大过程中与先贝氏体铁素体发生碰撞,随着大量的贝氏体铁素体相互交错生长,产生“互锁”现象,最后会形成大量的贝氏体互锁组织,如图7(b)中的A所示.同时图7还表明,贝氏体相变在整个30min保温期间是逐渐完成的,因此从相变速度角度来分析,本文认为所实验钢种的贝氏体相变更接近扩散型相变.100μm100μm(a)(b)(b)贝氏体相变完成时的组织形貌(相变15min)(a)贝氏体板条A与贝氏体板条B交错生长(相变3min)图7℃330保温期间贝氏体长大的形貌特征3结论1)本研究首次观察到孪晶线处贝氏体的形核,因此贝氏体形核不仅发生在晶界、晶内以及原先形成的贝氏体铁素体上,而且发生在奥氏体化过程中形成的退火孪晶线处,孪晶线处的形核是传统金相法是无法观察到的.2)贝氏体铁素体在长大过程中由于取向方位不同,贝氏体板条之间会发生碰撞,产生“互锁”现象,形成互锁的贝氏体组织.3)贝氏体相变在整个保温期间是逐渐完成的.参考文献:[1]FANGHS,YA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