鋼中碳化物的相間析出

鋼中碳化物的相間析出通常，對(duì)于工業(yè)用鋼，碳化物的彌散硬化和二次硬化的利用，都是在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的。但是，在控制軋制條件下使用的非調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼中，人們卻利用添加少量Nb、V等強(qiáng)碳化物形成元素，有效地提高了鋼的強(qiáng)度。之所以如此，是由于鋼在冷卻過(guò)程中從奧氏體中析出了細(xì)小的特殊碳（氮）化物。透射電子顯微鏡觀察表明，這種化合物的直徑約為50入，而且比較規(guī)則的一個(gè)面接一個(gè)面的排列分布。后來(lái)研究又發(fā)現(xiàn)，這種碳（氮）化物是在奧氏體-鐵素體相界面上形成的，因此將這種轉(zhuǎn)變稱為“相間析出”（interphasprecipitation）。相間析出的結(jié)果也是由過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體與碳化物的機(jī)械混合物。由于這種轉(zhuǎn)變發(fā)生在珠光體與貝氏體形成溫度之間，因而研究這種轉(zhuǎn)變，不僅對(duì)非調(diào)質(zhì)鋼的強(qiáng)化有實(shí)際價(jià)值，而且對(duì)搞清珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)理也有一定意義。（一）相間析出產(chǎn)物的形態(tài)和性能含有強(qiáng)碳（氮）化物形成元素的低碳合金鋼的奧氏體，在冷卻過(guò)程中有可能首先發(fā)生碳（氮）化物的析出，因?yàn)槲龀鍪窃趭W氏體與鐵素體相界面上發(fā)生的，所以把這一過(guò)程稱為相間析出。1、組織形態(tài)鋼中的相間析出的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，其顯微組織在低倍的光學(xué)顯微鏡下，相間析形成的鐵素體與先共析鐵素體相似呈塊狀。而在高倍的電子顯微鏡下，可以觀察到鐵素體中有呈帶狀分布的微粒碳(氮)化物存在，這是相間析的組織形態(tài)特征。這種組織與珠光體相似，也是由鐵素體與碳化物組成的機(jī)械混合物，而碳化物不是片狀，而是細(xì)小粒狀的，分布在有一定間距的平行的平面上，因此也稱為“變態(tài)珠光體”(degeneratepearlite)。分布有微粒碳化物的平面彼此之間的距離稱為“面間距離”。隨著等溫轉(zhuǎn)變溫度的降低或冷卻速度的增大，析出的碳化物顆粒變細(xì)，面間距離減小。另外，鋼中的化學(xué)成分不同對(duì)碳化物的顆粒直徑的面間距離也有一定的影響，通常含特殊碳化物元素越多，形成碳化物顆粒越細(xì)，面間距離越小。在相同轉(zhuǎn)變溫度下，隨著鋼碳含量增高，析出碳化物的數(shù)量增多，面間距離也有所減小。2、性能在Fe-C合金中，相間析出轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的硬度，介于鐵素體或珠光體與貝氏體之間。但對(duì)于低碳合金鋼，其硬度可以高于貝氏體。相間析出轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的強(qiáng)度由三種因素決定，1細(xì)品強(qiáng)化；2固溶強(qiáng)化；3沉淀強(qiáng)化。在三種強(qiáng)化因素中，以沉淀強(qiáng)化的貢獻(xiàn)最大，細(xì)品強(qiáng)化次之，而固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)最小。低碳V鋼相間析出轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的強(qiáng)度，主要是由碳化物彌散強(qiáng)化貢獻(xiàn)的，品粒細(xì)化也有較大的貢獻(xiàn)，但固溶強(qiáng)化的貢獻(xiàn)較小。同時(shí)，在同種類鋼中，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，由于碳化物細(xì)化和面間距離減小而使強(qiáng)度增高；在相同轉(zhuǎn)變溫度下，鋼的碳含量和V含量越高，碳化物析出量增大，強(qiáng)度也隨之增高。（二）相間析出機(jī)制奧氏體化的低碳合金鋼，迅速冷致A1點(diǎn)以下，貝氏體伴隨碳化物相間析出的奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變示意圖a）鐵素體從奧氏體中析出后的奧氏體中C濃度分布b）碳化物析出后奧氏體中C濃度分布c）同（a）形成溫度以上的區(qū)間恒溫保持，首先在奧氏體品界上形成鐵素體。在奧氏體-鐵素體界面上奧氏體這一側(cè)，因?yàn)殍F素體的析出，而使。濃度增高，如圖所示（圖中左邊的剖面線部分，代表已析出鐵素體，右邊部分代表奧氏體，其中的曲線表示奧氏體中的C濃度變化）。由于相界處奧氏體C濃度增高，鐵素體繼續(xù)長(zhǎng)大受到了抑制。如果在C濃度最高的奧氏體-鐵素體界面上析出碳化物，將界面上奧氏體一側(cè)的C濃度降低，如圖所示，圖中間斷線代表析出的碳化物顆粒。由于碳化物的析出，增大了奧氏體析出鐵素的驅(qū)動(dòng)力，而使鐵素體轉(zhuǎn)變繼續(xù)進(jìn)行，相界面奧氏體中推移。鐵素體析出后，又提高了界面上奧氏體C濃度，奧氏體中碳分布，又回復(fù)到轉(zhuǎn)變初期的狀態(tài)。因?yàn)檗D(zhuǎn)變溫度較低，合金元素可能擴(kuò)散的距離

很小，加之鋼含碳量又低，單位體積中可能提供的C原子數(shù)量很少，所以從奧氏體中在相界上析出的特殊碳化物，只能呈細(xì)小粒狀分布。這種鐵素體與細(xì)粒狀特殊碳化物交替反應(yīng)，使過(guò)冷奧氏體分解連續(xù)進(jìn)行。相間析出的碳化物，與鐵素體有一定的晶體位向關(guān)系，譬如對(duì)V鋼為：{l°°}vc"{l°°}a，<110>vc"<l°0>a說(shuō)明了相間析出的碳化物，是在奧氏體-鐵素體界面上成核和按共格或半共格關(guān)系在鐵素體長(zhǎng)大的。徑、相間析出形核長(zhǎng)大示意圖亞共析鋼中碳化物相間析出的立體模型徑、相間析出形核長(zhǎng)大示意圖亞共析鋼中碳化物相間析出的立體模型°.23%C,°.85%V鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖形°.23%C,°.85%V鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖形在相間析出過(guò)程中，鐵素體和碳化物的長(zhǎng)大，可按下圖所示臺(tái)階長(zhǎng)大模型來(lái)說(shuō)明。碳化物顆粒在奧氏體-鐵素體界面上成核，并在鐵素體中長(zhǎng)大。鐵素體向橫向和縱向兩個(gè)方向按臺(tái)階長(zhǎng)大。有時(shí)可能縱向長(zhǎng)大一個(gè)較寬的區(qū)域后再在奧氏體-鐵素體相界面上

形成碳化物品核，而后又連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)較窄的鐵素體帶。由于相間析出的特殊碳化物，不規(guī)則分布在曾經(jīng)是奧氏體-鐵素體界面的平面上，因此相間析出轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的立體模型，可以表達(dá)如下圖所示的狀態(tài)。從圖中A的方向觀察，可以看到析出物的微粒，平行分布在原奧氏體-鐵素體界面上；從B方向觀察，看到的析出物微粒，則呈不規(guī)則分布。（三）相間析出條件低碳鋼經(jīng)加熱奧氏體后緩冷卻，在一個(gè)相當(dāng)大的冷卻速度范圍內(nèi)，將轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體加珠光體。對(duì)于含特殊碳化物形成元素Mo、V、Nb、Ti等的低合金鋼，從奧氏體狀態(tài)緩慢冷卻時(shí)，除析出鐵素體外，還析出特殊碳化物（如Mo2C、VC、NbC、TiC等），即發(fā)生相間析出，其析出溫度范圍約在800?500°C之間。由于這種碳化物細(xì)小彌散，將使鋼的硬度、強(qiáng)度增高。在等溫條件下，低碳合金鋼相間析出的轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線，與珠光體轉(zhuǎn)變相似，也具有“C”形的特征，如圖所示。圖中的實(shí)線為相間析出動(dòng)力學(xué)曲線。可以看出，相間析出是在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，而且轉(zhuǎn)變溫度較高或者較低時(shí)，都使相間析出的速度減慢。因此，這種相變符合擴(kuò)散型時(shí)同30.2%C,0.5%V鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖6時(shí)同30.2%C,0.5%V鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖6云祓在連續(xù)冷卻條件下，低碳合金鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖形，

如下圖所示。圖中的虛線表示特殊碳化物析出線?？梢钥闯?，如果冷卻速度過(guò)慢，在較高溫度下通過(guò)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于特殊碳化物的聚集長(zhǎng)大而粗化，會(huì)使鋼的硬度、強(qiáng)度降低。如果冷卻速度過(guò)快，即在可發(fā)生相間析出的溫度內(nèi)通過(guò)的時(shí)間過(guò)短，細(xì)小碳化物來(lái)不及形成，過(guò)冷奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體和珠光體以及貝氏體，也會(huì)使鋼的硬度、強(qiáng)度降低。度（或軋制溫度），控制鋼材的冷卻條碳鋼相間析出溫度范圍PT塑■?度（或軋制溫度），控制鋼材的冷卻條碳鋼相間析出溫度范圍PT塑■??:件，使其在合適的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生相間析出，才能獲得良好的強(qiáng)化效果。目前這種方法已用于工業(yè)生產(chǎn)。相間析出能否發(fā)生，主要Y-a決定于轉(zhuǎn)變進(jìn)行時(shí)的溫度。下圖為碳鋼或鐵碳合金相間析出的溫度范圍，不同含碳量的鋼的相間析出溫度不同，含碳低時(shí)范圍較寬，為700~450°C,含碳高時(shí)較窄，如0.8%C為520?450°C。鋼中不形成片狀珠光體而發(fā)生相間析出的可能原因是：當(dāng)溫度較高時(shí)，首先析出先共析鐵素體。由于鐵素體的不斷析出，未轉(zhuǎn)變的奧氏體的碳濃度將增至共析成分，則可轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺钪楣怏w。與此相反，當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較低時(shí)，碳原子在奧氏體中擴(kuò)散不充分，故將在Y/a界面的奧氏體一側(cè)蓄積起來(lái)，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體的平均成分達(dá)不到共析成分，而當(dāng)界面一側(cè)的奧氏體的碳濃度高于ESE'線時(shí)，滲碳體顆粒將在Y/a界面上析出。所以相間析出能否發(fā)生主要決定于轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，溫度較高形成珠光體，溫度過(guò)低形成上貝氏體。思考題1、 簡(jiǎn)述珠光體的形貌特征，片間離不同的珠光體在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下的形態(tài)特征。2、 何謂珠光體團(tuán)、珠光體品粒。以Fe3C為領(lǐng)先相說(shuō)明珠光體團(tuán)的形成過(guò)程，并說(shuō)明奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程中碳的擴(kuò)散規(guī)律。3、 說(shuō)明粒狀珠光體的形成過(guò)程（滲碳的球化機(jī)理和片狀滲碳體的斷裂過(guò)程）。4、 說(shuō)明亞共析鋼中先共析鐵素體的形態(tài)特征與鋼的含碳量之間的關(guān)系。5、 試從經(jīng)典結(jié)晶理論說(shuō)明奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線具有“C”字形。6、 從碳化物形成和轉(zhuǎn)變兩個(gè)方面說(shuō)明合金元素對(duì)“C”曲線左右移動(dòng)的影響。7、 簡(jiǎn)述影響珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的因素。8、 說(shuō)明鋼中碳化物的相間析出機(jī)制，相間析出條件及相間析出產(chǎn)物的組織形態(tài)。（2）中溫范圍的轉(zhuǎn)變（上貝氏體）在350~550°C的中間溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變初期與高溫范圍的轉(zhuǎn)變基本一樣。但此時(shí)的溫度已比較低，碳在奧氏體中的擴(kuò)散已變得困難，通過(guò)界面由貝氏體鐵素體擴(kuò)散進(jìn)入奧氏體中的碳原子已不可能進(jìn)一步向奧氏體縱深擴(kuò)散，尤其是板條鐵素體束兩相鄰鐵素體條之間的奧氏體中的碳更不可能向外擴(kuò)散。故界面附近的奧氏體，尤其是兩鐵素體條之間的奧氏體中的碳將隨貝氏體鐵素體的長(zhǎng)大而顯著升高，當(dāng)超過(guò)奧氏體溶解度極限時(shí)，將自?shī)W氏體中析出碳化物而形成羽毛狀的上貝氏體。（3）低溫范圍的轉(zhuǎn)變（下貝氏體）在350C以下轉(zhuǎn)變與上述轉(zhuǎn)變有較大的差異。由于溫度低，初形成的鐵素體的碳含量高，故貝氏體鐵素的形態(tài)已由無(wú)戰(zhàn)化物氏體時(shí)I.貝氏體b）和下貝氏體氏形成機(jī)理【示修圖）

板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥哥R片狀。此時(shí)，不僅碳原子已難以在奧氏體中擴(kuò)散，就是在鐵素體中也難以作較長(zhǎng)距離的擴(kuò)散，而貝氏體鐵素中的過(guò)飽和度又很大。而碳原子又不能通過(guò)界面進(jìn)入奧氏體，只能以碳化物的形式在貝氏體鐵素體內(nèi)部析出。隨著碳的析出，貝氏體鐵素體的自由能將下降以及比容的縮小所導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能的下降，將使已形成的貝氏體鐵素片進(jìn)一步長(zhǎng)大，得到下貝氏體組織。（4） 粒狀貝氏體的形成現(xiàn)E頊11奴欽故體町、現(xiàn)E頊11奴欽故體町、U!氐陣觀歡侔m下貝氐作訣案你E的成槍模型故不會(huì)析出碳（5） 貝氏體的亞基元（6） 切變機(jī)制存在的問(wèn)題1） 為什么貝氏體轉(zhuǎn)變所引起的浮凸不同于馬氏體所引起的浮凸。2） 為什么貝氏體鐵素體與奧氏體之間的晶體學(xué)位向關(guān)系不同于馬氏體與奧氏體之間的位向關(guān)系。3） 為什么透鏡片狀貝氏體鐵素體中沒(méi)有攣品。

4） 為什么下貝氏體中的碳化物的分布與回火馬氏體中碳化物分布明顯不同。5） 按切變機(jī)制，貝氏體鐵素體應(yīng)是片狀，但為什么上貝氏體鐵素體接近針狀。（三）貝氏體轉(zhuǎn)變的臺(tái)階機(jī)制Aaronson等人強(qiáng)調(diào)貝氏體是非層狀共析反應(yīng)產(chǎn)物，亦即貝氏體轉(zhuǎn)變是一種特殊的共析反應(yīng)。他們認(rèn)為，貝氏體轉(zhuǎn)變與珠光體轉(zhuǎn)變或馬氏體轉(zhuǎn)變不同，是通過(guò)臺(tái)階機(jī)制長(zhǎng)大的。TOC\o"1-5"\h\z臺(tái)階的水平面為a-Y的半共格界 （面，界面兩側(cè)的a與y有一定的位向 匕」~七關(guān)系，在半共界面上存在著柏氏矢量與 * ■:界面平行的刃型位錯(cuò)。界面由位錯(cuò)和臺(tái)-―■:±階組織成。臺(tái)階的端面為非共格界面。 二疑氏恢戒體與施氐體查界習(xí)的合階模型這樣的界面活動(dòng)能力很高，易于向側(cè)面移動(dòng)，從而使水平面向上推移。珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變主要特征內(nèi) 容珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍高溫中溫低溫轉(zhuǎn)變上限溫度A1BSMS領(lǐng)先相滲碳體或鐵素體鐵素體形核部位奧氏體品界上貝氏體在品

界下貝氏體大多在品內(nèi)轉(zhuǎn)變時(shí)點(diǎn)陣切變無(wú)?有碳原子的擴(kuò)散有有基本上無(wú)鐵及合金元素原子的擴(kuò)散有無(wú)無(wú)等溫轉(zhuǎn)變完全性完全視轉(zhuǎn)變溫度定不完全轉(zhuǎn)變產(chǎn)物a+Fe3Ca+Fe3C(e)a，杭拉強(qiáng)度（MFa）（一）貝氏體的強(qiáng)度（硬度）杭拉強(qiáng)度（MFa）影響貝氏體強(qiáng)度的因素有：1、貝氏體鐵素體條或片的粗細(xì)如果將貝氏體條（片）的大小看作是貝氏體的品粒，則可用Hall-Petch的關(guān)系式估算貝氏體的強(qiáng)度。即貝氏體鐵素體的品粒直徑越細(xì)小，則其強(qiáng)度越高。2、彌散碳化物質(zhì)點(diǎn)下貝氏體中碳化物顆粒較小，顆粒數(shù)量也較多，所以碳化物對(duì)下貝氏體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也較大；而上貝氏體中碳化物顆粒較粗，且分布在鐵素條間，分布極不均勻，所以上貝氏體的強(qiáng)度要比下貝氏體低得多。

3、其它因素的強(qiáng)化作用碳含量00.2%事0.3%O碳含量00.2%事0.3%O0破fi&OICOO1200UOO1600抗拉強(qiáng)度tMPa?綜上所述，影響貝氏體強(qiáng)度的幾種因素都與貝氏體形成溫度有關(guān)，并且都隨形成溫度降低，作用增強(qiáng)。所以貝氏體的強(qiáng)度隨形成溫度降低而增強(qiáng)。（二）貝氏體的韌性可以看出下貝氏體的韌性優(yōu)于上貝氏體。從整體上看隨貝氏體的形成溫度的降低，強(qiáng)度的逐漸增加，韌性并不降低，反而有所增加，這是貝氏體組織力學(xué)性能變化的重要特點(diǎn)，也是人們對(duì)貝氏體組織感興趣的主要原因。在相同強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，比較貝氏