鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展

1、第24卷第3期2003年9月材料熱處理學(xué)報(bào)TRANS ACTIONS OF M ATERIA LS AND HE AT TRE AT ME NTV ol . 24N o . 3September2003鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展郭正洪(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海200030摘要:簡(jiǎn)要總結(jié)了鋼中珠光體相變的機(jī)制, 特別是珠光體形核的晶體學(xué)和長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)。基于形核時(shí)的最小形核能和滲碳體與鐵素體“合作”生長(zhǎng)的要求, 珠光體通常在奧氏體晶界形核并只向某一晶粒內(nèi)生長(zhǎng), 因而晶界珠光體與相鄰晶粒存在特定取向關(guān)系而與生長(zhǎng)進(jìn)入的晶粒無(wú)特定取向關(guān)系。晶體學(xué)研究表明, 珠光體形核的領(lǐng)先相與碳濃度及滲

2、碳體與鐵素體間的取向關(guān)系(分別為Pitsch 2Petch 、Bagaryatsky 或Isaichev 無(wú)關(guān)。最近的研究發(fā)現(xiàn), 具B1結(jié)構(gòu)的非共格雜質(zhì)粒子界面是過(guò)共析鋼中晶內(nèi)珠光體形核的有效位置, 初步的結(jié)果表明, 晶內(nèi)珠光體形核的原因在于雜質(zhì)粒子生長(zhǎng)造成的局部區(qū)域碳貧化及低能的珠光體雜質(zhì)界面取代高能的奧氏體雜質(zhì)界面。特定過(guò)冷度下的層片間距與正向界面推移速率的關(guān)系是珠光體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的主要問(wèn)題?；谥楣怏w與奧氏體間的無(wú)序界面假設(shè)和穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程分別發(fā)展了以體擴(kuò)散控制和以界面擴(kuò)散控制為主的動(dòng)力學(xué)理論。兩種理論均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好, 但后者似更合理。最近的實(shí)驗(yàn)在珠光體中發(fā)現(xiàn)了生長(zhǎng)臺(tái)階與結(jié)構(gòu)臺(tái)階, 表

3、明生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程需要修正。關(guān)鍵詞:珠光體相變; 形核機(jī)制; 長(zhǎng)大機(jī)制; 晶體學(xué); 動(dòng)力學(xué)中圖分類號(hào):TG 11, TG 142121; TG 15; TG 161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100926264(2003 0320001207收稿日期:2003201206; 修訂日期:2003208212作者簡(jiǎn)介:郭正洪(1970, 男, 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授, 博士, 主要從事馬氏體相變晶休學(xué)、納米材料的擴(kuò)散相變及珠光體相變機(jī)制等研究, 發(fā)表論文20余篇。材料的性能與微觀組織和化學(xué)成分存在密切的聯(lián)系。材料經(jīng)由不同熱處理獲得不同的微觀組織結(jié)構(gòu), 進(jìn)而對(duì)應(yīng)于不同的性能。固態(tài)相變理論的

4、發(fā)展為研究材料微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系提供指導(dǎo)作用, 如著名的Patenting 處理就直接得益于珠光體相變機(jī)制的研究。以圖1為例, 鋼鐵材料經(jīng)歷不同的固態(tài)相變后強(qiáng)度迥異, 其中冷變形珠光體鋼的強(qiáng)度最高, 同時(shí)兼具良好的塑性和耐磨性1。珠光體鋼的優(yōu)異力學(xué)性能決定于其特有的共析組織, 因此理解共析相變的機(jī)制是研究材料改性的前提條件。本文嘗試總結(jié)珠光體相變的研究進(jìn)展, 著重于Fe 2C 共析鋼在等溫時(shí)珠光體的形核與長(zhǎng)大機(jī)制, 以為國(guó)內(nèi)研究珠光體相變機(jī)制的同仁提供必要的參考。1珠光體形核機(jī)制111晶界珠光體形核晶體學(xué)通常共析相變發(fā)生于Cu 2Be 、Al 2Cu 、Fe 2T i 和Fe 2C等合金

5、中。鋼中的共析相變:(奧氏體 (鐵素體 +(滲碳體 目前?；贖ull 2Mehl 2機(jī)制解釋, 即為圖1實(shí)驗(yàn)室獲得的各種組織的強(qiáng)度Fig. 1The strength of different structuresof steels obtained in laboratory降低形核應(yīng)變能和大的界面易于發(fā)生碳原子交換, 作為領(lǐng)先相的滲碳體(鐵素體 在奧氏體晶界初形成時(shí)為片狀魏氏組織3。滲碳體(鐵素體 的三維生長(zhǎng)導(dǎo)致局部區(qū)域奧氏體內(nèi)碳的貧化(富集 , 促使鐵素體(滲碳體 在滲碳體(鐵素體 片兩側(cè)形核。被鐵素體(滲碳體 包圍的滲碳體(鐵素體 只能正向推移, 而新形成的鐵素體(滲碳體 不僅隨滲碳

6、體(鐵素體 正向(edgewise 推移, 同時(shí)側(cè)向(sidewise 的推移導(dǎo)致局部區(qū)域奧氏體內(nèi)碳的富集(貧化 , 促使新的滲碳體(鐵素體 形成。如此沿奧氏體晶界交替形核與長(zhǎng)大的結(jié)果形成一個(gè)珠光體領(lǐng)域。該領(lǐng)域中的鐵素體(滲碳體 層片均位向相同。珠光體形核的領(lǐng)先相是懸而未決的問(wèn)題。目前已經(jīng)知道, 在母相12晶界形核的珠光體只在一個(gè)奧氏體中發(fā)生長(zhǎng)大行為(設(shè)為2 , 且珠光體中的和可分別與1呈特定取向關(guān)系而與2無(wú)特定取向關(guān)系, 這是由于形核時(shí)需在母相形成低能界面, 以及珠光體內(nèi)的和兩相在生長(zhǎng)過(guò)程中需保持良好合作所共同決定的結(jié)果(圖2 。故珠光體的形核母相為1而長(zhǎng)大進(jìn)入的母相為2。珠光體與2間的非共

7、格取向有利于母相中溶質(zhì)在珠光體正向前沿的重新分配, 保證珠光體內(nèi)的和能快速合作生長(zhǎng)4。若或與2存在特定取向關(guān)系將阻礙溶質(zhì)原子的快速重新分布, 并破壞與的合作, 導(dǎo)致或形成魏氏組織。因此, 形成層片共析組織要求和與2均無(wú)特定取向關(guān)系 。圖2珠光體相變時(shí)同一領(lǐng)域內(nèi)各相間的取向關(guān)系Fig. 2The orientation relationship between different phases in same colony during pearlite formation對(duì)1、和間取向關(guān)系的測(cè)定已歷數(shù)十年, 目前已知的確切結(jié)論是:(a 1間可存在K 2S 關(guān)系, 而1間可存在Pitsch 關(guān)系

8、; (b 和間可分別存在Pitsch 2Petch 、Bagaryatsky 和Isaichev 關(guān)系, 唯一的疑點(diǎn)系Bagaryatsky 和Isaichev 關(guān)系因僅沿010軸相互旋轉(zhuǎn)幾度而重合, 故長(zhǎng)久以來(lái)Isaichev 取向關(guān)系不被認(rèn)為是獨(dú)立的取向5。以O(shè)hm ori 等6的工作為起點(diǎn), Dippenaar 和H oneycombe7認(rèn)為, 存在Pitsch 2Petch 關(guān)系的珠光體形核于“干凈”(clean 的奧氏體晶界, 且珠光體內(nèi)的鐵素體與1存在K 2S 關(guān)系, 而滲碳體與1存在Pistch 關(guān)系; 反之, 存在Bagaryatsky 關(guān)系的珠光體中, 滲碳體與晶界先共析滲碳

9、體膜存在晶體學(xué)的連續(xù)性, 而珠光體內(nèi)的鐵素體與1間無(wú)特定取向關(guān)系, 即滲碳體為珠光體形核的領(lǐng)先相。雖然該研究再次肯定Hillert 等4的結(jié)果, 即珠光體內(nèi)的和均與2無(wú)特定取向, 因而珠光體形核母相為1而長(zhǎng)大母相為2, 但均忽略了Isaichev 取向關(guān)系的形核問(wèn)題。近期對(duì)界面的HRTE M (高分辨電子顯微術(shù) 觀察才確證Isaichev 和Bagaryatsky 關(guān)系彼此獨(dú)立, 其原子慣習(xí)面間的夾角成56115°, 分別為(112 (001 (Bagaryatsky 和(112 (101 (Isaichev 5。繼承于Dippenaar 和H oneycombe 的思想,Zhou

10、和Shiflet 考慮:(1 存在Isaichev 取向的珠光體形核于先共析鐵素體膜界面, (2 存在Pitsch 2Petch 取向的珠光體在“干凈”的奧氏體晶界形核, (3 存在Bagaryatsky 取向的珠光體則形核于先共析滲碳體膜界面。然而這一結(jié)果在1999年被研究者自己否定:即以逐層截面拋光(serial sectioning 和E BS D (電子背散射 測(cè)量的結(jié)果發(fā)現(xiàn), Pitsch 2Petch 取向?qū)?yīng)于滲碳體為領(lǐng)先相的珠光體而與合金的碳含量無(wú)關(guān), 其中亞共析鋼中滲碳體可在晶界鐵素體界面形核而成為珠光體相變的領(lǐng)先相8。這一結(jié)果再次表明晶界珠光體形核的復(fù)雜性。實(shí)際上, 如欲把

11、晶界珠光體形核的領(lǐng)先相與成分相聯(lián)系則至少需要關(guān)注兩種情況。其一, 在過(guò)共析鋼中, 如果碳含量超過(guò)Hultgren 延伸線會(huì)形成反常組織。可能的情況是反常先共析鐵素體(abnormal ferrite 在晶界滲碳體膜兩側(cè)形成, 且通過(guò)反常鐵素體的輸運(yùn)作用使殘留奧氏體中的碳擴(kuò)散至滲碳體膜。反常鐵素體和滲碳體經(jīng)此機(jī)制同時(shí)向晶內(nèi)生長(zhǎng), 并有可能徹底抑制珠光體形核9。而在亞共析鋼中, 假設(shè)能在晶界鐵素體膜兩側(cè)形成反常滲碳體, 則由于晶界鐵素體長(zhǎng)大時(shí), 排除的碳難以經(jīng)反常滲碳體輸運(yùn)到殘留奧氏體, 因此在亞共析鋼中該反常組織難以形成。此結(jié)果似可推演亞共析鋼中先共析鐵素體也可作為珠光體形核的領(lǐng)先相; 其二,

12、不能排除的一種情況是在過(guò)共析鋼中, 珠光體可在先共析滲碳體膜破裂的奧氏體晶界直接形核。如最近的研究發(fā)現(xiàn), Fe 212Mn 2018C 合金中多數(shù)珠光體領(lǐng)域內(nèi)與1之間存在近似的K 2S 關(guān)系, 似又間接驗(yàn)證了H oneycombe 的思想10。112晶內(nèi)珠光體的形核機(jī)制晶內(nèi)奧氏體雜質(zhì)界面形核是開(kāi)發(fā)超高強(qiáng)度鋼研究的重點(diǎn)。目前晶內(nèi)珠光體形核的機(jī)制主要借鑒亞共析鋼中晶內(nèi)鐵素體形核的機(jī)制, 即:(a 新相與雜質(zhì)形成低能界面以取代原先的高能母相雜質(zhì)界面; (b 雜質(zhì)的形核或長(zhǎng)大導(dǎo)致局部區(qū)域成分變化以利于新相的生成; (c 雜質(zhì)和母相間存在的應(yīng)變能有利于新相的形核11。眾多雜質(zhì)中, 由于能與鐵素體形成2材

13、料熱處理學(xué)報(bào)第24卷Baker 2Nutting 取向關(guān)系, 具B1結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)能非常有效地促進(jìn)晶內(nèi)相變, 其中含V 和Mn 的非共格(MnS +VC 復(fù)合粒子是晶內(nèi)鐵素體的有效形核位置。借用上述成果于過(guò)共析鋼中的晶內(nèi)珠光體相變已得到初步結(jié)果12。在過(guò)共析鋼中,VC 在非共格的MnS 界面析出已被證明能貧化局部區(qū)域的碳濃度, 不利于滲碳體作為晶內(nèi)珠光體形核的領(lǐng)先相, 領(lǐng)先相可能是鐵素體。雖然VC 和珠光體的晶體學(xué)關(guān)系尚待研究, 初步結(jié)果表明珠光體與奧氏體間無(wú)特定的取向關(guān)系, 而鐵素體與滲碳體間可形成Pitsch 2Petch 關(guān)系, 預(yù)示著上述機(jī)制(a 和(b 將主導(dǎo)晶內(nèi)珠光體的形核(圖3 。圖

14、3晶內(nèi)珠光體形核示意圖Fig. 3Schematic illustration of intragranular pearlite nucleation2珠光體的生長(zhǎng)機(jī)制211臨界層片間距的概念共晶轉(zhuǎn)變理論指出, 在具各向同性界面的層片組織中, 其中一相所需的最低體積分?jǐn)?shù)為28%, 否則容易形成退化(degenerate 結(jié)構(gòu)13。鑒于珠光體中的體積僅占12%, 目前仍不清楚為何能與形成層片組織。較為可能的原因是的界面能( 較低和界面能的各向異性。要獲得精確的仍較困難, 一般預(yù)估在0131124J m 2之間1416。除了計(jì)算過(guò)程中理論假設(shè)是否合理, 以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是否精確外, 上述數(shù)據(jù)仍無(wú)

15、法區(qū)分具Bagaryatsky 、Isaichev 和Pitsch 2Petch 取向關(guān)系的層片分別對(duì)應(yīng)的界面能。所有層片生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的理論均假設(shè)只存在溶質(zhì)原子的擴(kuò)散, 且擴(kuò)散方程的解決定了與濃度相關(guān)的界面推移速率(V B 和層片間距(S 。在珠光體正向界面推移的動(dòng)力學(xué)范疇內(nèi), 首先需要確定對(duì)應(yīng)于特定過(guò)冷度的臨界最小層片間距S c 。通常的情況是假設(shè)相變驅(qū)動(dòng)力G 等于新生成的界面能, 因而得到V B 為零時(shí)對(duì)應(yīng)的S c17:S c =2T E QT =G(1其中Q 為相變潛熱, v 為轉(zhuǎn)變的體積。求解Q 的簡(jiǎn)易方法是把+反應(yīng)分解為下述三個(gè)部分, 以分別得到相變潛熱Q i 18:C (石墨 C (

16、溶入Q 12Fe 2Fe Q 2(22Fe +C (石墨 Q 3三個(gè)潛熱的加和得到方程(1 中的Q 。212珠光體生長(zhǎng)的體擴(kuò)散控制機(jī)制當(dāng)V B 不為零時(shí), 僅有部分相變驅(qū)動(dòng)力消耗于界面能, 因而對(duì)應(yīng)的層片間距將大于S c 。假設(shè)溶質(zhì)偏聚決定于體擴(kuò)散, 且V B 正比于母相中碳的擴(kuò)散系數(shù)和濃度梯度, 由于碳濃度在界面前端(C -大于界面前端(C -, 導(dǎo)致碳由界面前端擴(kuò)散到界面前端。Mehl 2認(rèn)為由Hultgren 延伸線定義的兩種碳濃度應(yīng)分別位于和層片界面的中線(圖4中虛線A 和B 所示 , 因此擴(kuò)散距離不超過(guò)一個(gè)片間距S 。對(duì)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散, 界面推移速率(V B 為:V B=S(3圖4Z en

17、er 模型中推移界面附近奧氏體中的原子輸運(yùn)方式和碳濃度分布Fig. 4T ransportation and concentration profile of carbon in asutemite ahead of advancing pearlite in Z ener s m odel其中D c 為碳在奧氏體中的擴(kuò)散系數(shù)。由于(+ 界面前端x 1和x 2方向上存在無(wú)法用數(shù)學(xué)表述的濃度場(chǎng), 因此方程(3 中與濃度差有關(guān)K 項(xiàng)難以計(jì)算。Z ener17把沉淀理論擴(kuò)展到共析界面的推移, 即如果溶質(zhì)原子的擴(kuò)散方向?yàn)閤 2, 則母相中溶質(zhì)的擴(kuò)散速率正比于擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力而反比于層片間距, 而擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力則

18、正比于相變的凈自由能變化(G 0 。當(dāng)V B 不為零時(shí)可寫(xiě)出G 0的表達(dá)式:G 0=G +2v S(4如果綜合考慮母相中溶質(zhì)在x 2和x 1方向上的擴(kuò)散效應(yīng), 由擴(kuò)散產(chǎn)生的濃度變化速率為D c (52C 53第3期郭正洪:鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展x 21+52C 5x 22 , 對(duì)運(yùn)動(dòng)界面具有確定坐標(biāo)的任何點(diǎn)的濃度保持不變, 于是界面推移方程為:D c (52C 5x 21+52C 5x 22 -V B (5C 5x 1 =0(5 假定V B 恒定,Brandt19首先用分離變量法解出濃度與層片間距的關(guān)系, 而Hillert 4則更進(jìn)一步應(yīng)用局部平衡原理對(duì)體擴(kuò)散控制的生長(zhǎng)解出(Z ener

19、 2Hillert 方程 :V B =D S (C -C - aS ; S (C -C ;(1-S S (6 其中S 和S 分別為和的層片厚度, 幾何因子a=0172。在方程(6 中, 特定的過(guò)冷度T 包含了兩個(gè)未知數(shù)V B 和S 。這導(dǎo)致Z ener 17預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)于特定的層片間距S , 界面將以最大的速率推移, 從而得到:S =2S c =4T EQ T (7 這一預(yù)測(cè)的基本點(diǎn)在于, 當(dāng)層片間距S 太大時(shí),由于擴(kuò)散距離長(zhǎng), 界面推移速率小; 反之, S 較小時(shí), 大部分驅(qū)動(dòng)力被消耗于界面能, 生長(zhǎng)速率也小。因此對(duì)應(yīng)于特定的T , 最大的界面推移速率需要消耗一半的驅(qū)動(dòng)力于界面能。對(duì)最大速率的假

20、設(shè),Puls 和K irkaldy 20認(rèn)為相變的最大熵效應(yīng)具明確的物理意義, 從而得到:S =3S c =6T EQ T (8213珠光體生長(zhǎng)的界面擴(kuò)散控制機(jī)制界面擴(kuò)散機(jī)制起源于非連續(xù)析出的動(dòng)力學(xué)理論, 即把新相與母相的界面作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)處理。擴(kuò)散只發(fā)生在界面內(nèi)(短路擴(kuò)散 。在非連續(xù)沉淀如相變中, 維持相長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力G 不為零的前提是界面濃度C 1與內(nèi)平衡濃度C 不同(圖5a 。Cahn21把沉淀析出動(dòng)力學(xué)的模型擴(kuò)展到共析相變,認(rèn)為欲保證G 不為零的條件是和界面碳濃度(分別為C 2與C 1均無(wú)法達(dá)到平衡濃度C 和C (圖5b , 且G 為G 0的一部分(設(shè)比例因子為P 。Cahn 假定界面前端

21、溶質(zhì)的偏聚程度是界面推移速率、層片間距和擴(kuò)散系數(shù)的函數(shù), 對(duì)于固定的層片間距, V B 可在一定范圍變動(dòng), 從而導(dǎo)致不同的偏聚程度。采此標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致方程(1 和(4 分別修正為:G 0=P G +2v S 和S c =2v P G (9 而V B 與G 0的關(guān)系為:V B =-M (G 0n(10其中M 為界面的遷移率。在Cahn 的模型中n =1,而在S peich 22的模型中n =3 。圖5Cahn 模型中形成溶質(zhì)偏聚的成分自由能關(guān)系,其中(a 為沉淀析出而(b 為共析轉(zhuǎn)變Fig. 5Schematic diagram of free energy concentration relatio

22、nship for segregation. (a precipitation systemand (b eutectoid trans formation在方程(10 中, 為固定層片間距需要某些物理性的假設(shè)。Cahn 選用了使凈驅(qū)動(dòng)力的降低達(dá)到最大值的片間距, 這個(gè)片間距也會(huì)使生長(zhǎng)速率達(dá)到極大值。作為理想化的假定, 可以認(rèn)為界面為具有足夠小厚度的平面, 擴(kuò)散只發(fā)生在內(nèi)。對(duì)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散:D B 52C B 5x 22+V B (C -C P=0(11 其中C B 和C P(珠光體層片的濃度 均為x 2的函數(shù)。解方程(11 獲得擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力可在一定數(shù)值內(nèi)波動(dòng), 而非Z ener 模型中為G 0的一半

23、, 也即V B 和對(duì)應(yīng)的S 可在一定的范圍內(nèi)變化。這個(gè)理論預(yù)測(cè)表明, 對(duì)于一個(gè)具高度可移動(dòng)界面但擴(kuò)散速率低的情況, 所有的驅(qū)動(dòng)力將轉(zhuǎn)化為界面能且界面推移是可逆的過(guò)程; 相反, 如果擴(kuò)散速率高但界面可移動(dòng)性低, 在界面附近能產(chǎn)生足夠高的偏聚程度以得到大的層片間距。為支持界面擴(kuò)散控制機(jī)制,Cahn 選擇理想對(duì)稱共析系統(tǒng)(即共析濃度為015的情況 為例, 得到層片間距下限低于Z ener 2Hillert 模型。此外Cahn 特別強(qiáng)調(diào), 在Fe 2C 共析鋼中, 少量的置換雜質(zhì)元素將顯著影響V B 。這種影響只能證明置換元素難以經(jīng)體擴(kuò)散從母相長(zhǎng)程輸運(yùn)到相界面, 界面擴(kuò)散控制機(jī)制才是共析4材料熱處理學(xué)

24、報(bào)第24卷產(chǎn)物長(zhǎng)大的主導(dǎo)機(jī)制。隨后Liu 和Aarons on 23應(yīng)用Pb 2Sn 合金檢查Cahn 的理論, 指出Cahn 理論中D B 值的合理性, 但界面能則明顯偏高且與溫度相關(guān)。Hillert 24和Sundquist 25,26基于相似假設(shè)(主要是母相與珠光體界面的曲率效應(yīng) 獲得相似解。但Hillert 理論有過(guò)于簡(jiǎn)單的理論簡(jiǎn)化, 即界面內(nèi)的濃度總正比于界面外奧氏體中的濃度。這個(gè)假設(shè)只能處理對(duì)稱型共析相變。而在Sundquist 的理論中, 決定界面間距所采用的并非最優(yōu)化原則而是穩(wěn)定性判據(jù)。如果考慮珠光體的成長(zhǎng)并非由體擴(kuò)散控制, 擴(kuò)散只沿著一個(gè)彎曲的界面, 不需假定任何與界面推移相

25、關(guān)的參數(shù), 解擴(kuò)散方程就能自動(dòng)獲得界面的形狀以及推移速率。如圖6所示, 在界面處和中的碳濃度C I (I =1,2 均為L(zhǎng) 的函數(shù), 定義界面的擴(kuò)散系數(shù)為D Ij , 則對(duì)應(yīng)于任何L 位置(分別為或界面 的擴(kuò)散方程可寫(xiě)為:5C I 5t =D Ij 52C I 5L 2+J j +J (12 圖6珠光體奧氏體界面曲率與各參量之間的關(guān)系Fig. 6Schematic illustration of the relationship betweeninterfacial shape and parameters其中J j (j =1或2 是從或相中擴(kuò)散到界面的通量, J 為從相中擴(kuò)散到界面的通量。

26、在穩(wěn)態(tài)條件下, 假設(shè)界面為具厚度的分離區(qū)域, 應(yīng)用稀溶液的Henry 定律和質(zhì)量守恒可解出:V B (T 3exp (-H kT (13 而體擴(kuò)散模型得到的結(jié)果為:V B (T 2exp (-H kT (14其中H 為擴(kuò)散激活能。方程(13 與(14 的不同之處在于, 前者模型中選用的是V B 52C 5x 2, 而后者模型選用的是V B 5C 5x 。Sundquist 理論最顯著的特點(diǎn)是:特定過(guò)冷度下方程(12 的解決定了不同層片間距對(duì)應(yīng)的界面形狀, 層片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在的前提是S 在一定范圍之內(nèi)。繼承于Cahn21的觀點(diǎn),Sundquist 認(rèn)為, 在一個(gè)領(lǐng)域內(nèi), 若某區(qū)域的S 顯著小于該領(lǐng)

27、域的平均層片間距時(shí), 此區(qū)域的V B 較低, 在生長(zhǎng)過(guò)程中可能被相鄰區(qū)域的層片覆蓋, 并最終停止生長(zhǎng)。反之, 若某區(qū)域的S 顯著大于該領(lǐng)域的平均層片間距時(shí), 可能出現(xiàn)兩種情況, 分別為側(cè)向界面直接暴露于中(如圖7中所指位置 , 或在中形成“空洞”(hole (如圖7中所指位置 。為維持層片間距只能經(jīng)分叉( , 或在空洞內(nèi)形核以形成錯(cuò)排珠光體(lamellar fault 。圖7珠光體層片間距與界面形狀的關(guān)系Fig. 7interface shapes as a function of interlamellar spacing 214兩種機(jī)制的檢證總體而言, 這兩類模型的最大共同點(diǎn)是把共析相和

28、母相間的界面考慮成無(wú)序(dis order 結(jié)構(gòu), 并以穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的解表述生長(zhǎng)機(jī)制。但兩種理論推導(dǎo)的V BT 關(guān)系并不相同, 分別為S T 2(體擴(kuò)散控制和S T 3(界面擴(kuò)散控制 。因此, 只能以實(shí)驗(yàn)檢查來(lái)判別珠光體生長(zhǎng)的主導(dǎo)機(jī)制。等溫轉(zhuǎn)變可直接用于檢查V B T 的關(guān)系, 其主要的理論來(lái)自于反應(yīng)的絕對(duì)速率動(dòng)力學(xué)方程27:V B (T n exp (-H RT (15不同過(guò)冷時(shí)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), H 值與界面擴(kuò)散控制機(jī)制較為符合, 約為188k J m ol 28, 29。定向(或等速 相變(forced velocity pearlite 或is ovelocity pearlite 是另外一

29、種檢測(cè)手段。與定向凝固原理相似, 定向相變的基本原理是對(duì)微小的相變區(qū)域施加一個(gè)各向異性的溫度梯度, 并假定珠光體沿最大溫度梯度的方向等速生長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量層片間距與生長(zhǎng)速率的關(guān)系驗(yàn)證相變機(jī)制30, 31。如忽略溫度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響, 定向相變獲得n 在2217之間, 反映珠光體生長(zhǎng)可能是兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果。然而, Hillert32再次強(qiáng)調(diào), 界面擴(kuò)散機(jī)制預(yù)測(cè)的生長(zhǎng)速率低于體擴(kuò)散機(jī)制, 而實(shí)驗(yàn)獲得的V B 通常大于體擴(kuò)散預(yù)測(cè)結(jié)果, 因此體擴(kuò)散仍舊是珠光體生長(zhǎng)的主導(dǎo)機(jī)制。筆者認(rèn)為, 珠光體生長(zhǎng)的主導(dǎo)機(jī)制與合金成分密切相關(guān)。由于碳比置換合金元素更容易從奧氏體長(zhǎng)程輸運(yùn)到相界面, 因此在Fe 2C 合

30、金中, 珠光體生長(zhǎng)可能以5第3期郭正洪:鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展6 材 料 熱 處 理 學(xué) 報(bào) 第 24 卷 圖8 珠光體生長(zhǎng)時(shí)結(jié)構(gòu)臺(tái)階與生長(zhǎng)臺(tái)階的關(guān)系 Fig. 8 The relationship between the structural and growth ledges during pearlite growth 有效組成部分 。析出相與母相界面的臺(tái)階包括結(jié)構(gòu) 臺(tái)階與生長(zhǎng)臺(tái)階 。如考慮到 和 間確實(shí)存在特定 取向關(guān)系 ,由于 和 的晶體結(jié)構(gòu)存在顯著差異 , 在 界面上形成結(jié)構(gòu)臺(tái)階的可能性很高 。但由于珠光 體生長(zhǎng)中通常發(fā)生層片彎曲及分叉等現(xiàn)象 ,長(zhǎng)期的主 流觀點(diǎn)認(rèn)為 界面應(yīng)為

31、非共格關(guān)系 , 兩相界面不可 能形成結(jié)構(gòu)臺(tái)階 。另外 ,由于( 與 無(wú)特定取向 , 2 的推移所致 ( 圖 8 。發(fā)現(xiàn)珠光體長(zhǎng)大的臺(tái)階機(jī)制不 指出 ,修正后的理論可以合理地解釋觀察到的生長(zhǎng)速 42 率 。但是 Hillert 堅(jiān)持認(rèn)為 ,在珠光體生長(zhǎng)機(jī)制中不 必把母相點(diǎn)陣考慮得如此重要 ; 其次 , 對(duì)理論預(yù)測(cè)與 實(shí)驗(yàn)觀察獲得的生長(zhǎng)速率差異 ,應(yīng)歸結(jié)于難以精確計(jì) 僅合理地解釋了珠光體層片發(fā)生曲率變化 、 分叉等現(xiàn) 象時(shí)和仍能維持層片間距的原因 ,而且從另一角 度驗(yàn)證了 ,即使對(duì)于與生長(zhǎng)母相晶粒無(wú)特定取向關(guān)系 的共析型相變 ,界面移動(dòng)性與組元擴(kuò)散的交互作用決 定了相變動(dòng)力學(xué) 。 基于臺(tái)階機(jī)制有必

32、要重新檢查先前層片生長(zhǎng)動(dòng) 39 力學(xué)的理論模型 。Lee 等嘗試在 Zener2Hillert 方程 的右邊乘以 hd ( h 為臺(tái)階高度而 d 為臺(tái)階寬度 以 40 , 41 修正原有機(jī)制 。Whiting 等 則更進(jìn)一步把臺(tái)階的 推移速率引入 Zener2Hillert 方程中 。正如這些研究者 體擴(kuò)散機(jī)制為主 ,而在 Fe2C2X ( X 為置換合金元素 合 金中 ,珠光體生長(zhǎng)可能以界面擴(kuò)散機(jī)制為主 。 215 臺(tái)階機(jī)制的爭(zhēng)議 析出相生長(zhǎng)的臺(tái)階機(jī)制是界面擴(kuò)散控制機(jī)制的 算碳的擴(kuò)散率與濃度的關(guān)系 ,試圖以臺(tái)階機(jī)制修正先 前的模型只會(huì)使理論計(jì)算得到的速率比實(shí)驗(yàn)測(cè)到的 更低 。筆者認(rèn)為 , 實(shí)

33、驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象不容輕易忽視 。 臺(tái)階機(jī)制是否主導(dǎo)珠光體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)還需深入研究 。 3 結(jié)論與展望 傳統(tǒng)材料性能的進(jìn)一步提高將不可避免地涉及 相變 ,經(jīng)珠光體相變的鋼材在保證一定塑性的前提下 具很高的強(qiáng)度 。百年來(lái)對(duì)珠光體相變機(jī)制的研究已 取得豐碩成果 ,為工業(yè)生產(chǎn)提供重要指導(dǎo)作用 。 源自 Hull2Mehl 機(jī)制的晶界珠光體形核經(jīng)晶體學(xué) 研究已得出 間存在三套獨(dú)立的位向關(guān)系 , 以及珠 光體與形核母相存在特定的取向關(guān)系而與生長(zhǎng)進(jìn)入 的母相無(wú)特定取向關(guān)系 ,但形核的領(lǐng)先相尚未得到解 決 。晶內(nèi)珠光體與晶界珠光體的相變機(jī)制存在差異 , 但前者的研究尚處于起步階段 ,需借鑒晶界珠光體相 變研究的成

34、果 ,深入分析不同雜質(zhì)對(duì)珠光體形核機(jī)制 的影響 。體擴(kuò)散和界面擴(kuò)散控制理論預(yù)測(cè)的珠光體 生長(zhǎng)時(shí)過(guò)冷度 、 層片間距和生長(zhǎng)速率之間的關(guān)系已接 43 珠光體與奧氏體界面也不可能存在生長(zhǎng)臺(tái)階 。 33 自從 Bramfitt 和 Marder 在珠光體中找到位錯(cuò)和 生長(zhǎng)臺(tái)階之后 ,很好的電鏡工作已在多種合金中確證 共析產(chǎn)物的慣習(xí)面上 ( 即 的慣習(xí)面 存在結(jié)構(gòu)臺(tái) 3438 階 ,結(jié)構(gòu)臺(tái)階系生長(zhǎng)臺(tái)階 ( 即 或 2 界面 2 近實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ,而近期臺(tái)階機(jī)制的發(fā)現(xiàn)將深化和完善這 兩種機(jī)制 。 此外 ,新的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)工藝條件下獲得的結(jié)果對(duì) 傳統(tǒng)觀念的顛覆已見(jiàn)端倪 。已有文獻(xiàn)指出 , 鐵素體 珠光體的形核能壘

35、至少比熱力學(xué)計(jì)算的結(jié)果低 100 倍 ,而大變形時(shí)珠光體內(nèi)的結(jié)構(gòu)演化方式與常規(guī) 塑性變形時(shí)存在顯著差異 。與層片間距相關(guān) ,大變形 44 , 45 時(shí)珠光體內(nèi)的滲碳體將發(fā)生塑性形變或溶解 。 這些新結(jié)果對(duì)珠光體相變研究具啟發(fā)意義 ,要求人們 更深入地檢視珠光體相變的晶體學(xué) 、 能量學(xué) 、 動(dòng)力學(xué) 等特征 ,為完善珠光體相變機(jī)制而努力工作 。 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 第3期 郭正洪 : 鋼中珠光體相變機(jī)制的研究進(jìn)展 參 考 文 獻(xiàn) 7 1 牧正志 . 鐵鋼 高強(qiáng)度

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56、 Co., Ltd. All rights reserved. 第 24 卷 第 3 期 2 0 0 3 年 9 月 材 料 熱 處 理 學(xué) 報(bào) TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT Vol . 2 4 No . 3 September 2003 MAIN TOPICS , ABSTRACTS & KEY WORDS Progress in the Pearlitic Transformation Mechanism in Steels G UO Zheng2hong ( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China