‘ ‘ .、 一综 述~ 全!舍:/ :, :舍!全!舍:舍:r “相问沉淀”的实质 ——珠光体转变研究之三 刘宗昌,计云萍 014010) (内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头摘要:所谓“相间沉淀”,其产物是铁素体基体上分布着弥散的碳化物颗粒,多数是特殊碳化物(MC),有 时为渗碳体。碳化物颗粒极为细小,只有几个纳米大小,一般呈不规则分布,有时呈点列状规则分 布。“相间沉淀”的机制是:过冷奥氏体在孕育期通过涨落形成贫碳区和富碳区,在奥氏体晶界处形成 新相晶核。晶核由铁素体和碳化物两相构成,共析共生,本质上是以伪共析形式完成的珠光体转变。 关键词:珠光体;珠光体转变;奥氏体;相间沉淀;特殊碳化物 中图分类号:TG111.5 文献标识码:A 文章编号:1008—1690(2017)03—0001—04 Essence of Interphase Precipitation —Research on Pearlite Transformation(Ⅲ) LIU Zongchang,JI Yunping (Material and Metallurgy School,Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010,Nei Mongol China) Abstract:So—called interphase precipitation is a product that granular carbides,mostly special carbide(MC),and sometimes cementite,are dispersively distributed in ferritie matrix.The granular carbides are as tiny dimension as a few nanometers,and generally are in the form of irregular distirbution or regular distirbution like a row of spot. The mechanism of interphase precipitation is carbon・-depleted zone and carbon--enriched zone are formed in incubation period by a fluctuation in supercooled austenite,and the crystal nucleus of new phase generates long tahe boundary of the austenite.The crystal nucleus is comprised of ferrite and carbide,and the two phases ale eutectoid— symbiot,essentially being a pearlite transformation that performs through a quasi-eutectoid transformation. Key words:peallite;pearlite transformation;austenite;interphase precipitation;special carbides 2O世纪6O年代,人们在研究热轧空冷非调质 此“相间沉淀”之说在理论上不正确。由于半个世 纪以来,“相间沉淀”已经形成一种流行的说法,故 本文仍称其为“相间沉淀”,但要加一个引号。 低碳微合金高强度钢时发现,在钢中加入微量的 Nb、V、Ti等元素能有效地提高强度。透射电镜观察 表明,这种钢在轧后冷却过程中析出了细小的合金 碳化物,而不是渗碳体。这种细小弥散的碳化物颗 粒,呈不规则或点列状分布于铁素体基体上,认为是 在奥氏体/铁素体相界面上析出的,并且称其为“相 间沉淀”(interphase precipitation) 。 近年来研究表明,所谓“相间沉淀”实质上是过 冷奥氏体在一特殊温度范围进行的共析分解,也即 在奥氏体界面上形核一长大的珠光体转变 4 。因 1 “相间沉淀"的热力学条件 低碳钢和低碳微合金钢经加热奥氏体化后,在 一个相当大的冷却速度范围内,将转变为先共析铁 素体+珠光体组织。对于含Nb、V、Ti等强碳化物 形成元素的低碳微合金钢,过冷奥氏体在冷却时,除 形成先共析铁素体外,还将发生珠光体转变,即铁素 体+特殊碳化物(如VC、NbC、TiC)共析共生,形成 收稿日期:2016—12—07 作者简介:刘宗昌(1940-),男,河北玉田人,内蒙古科技大学教授,从事相变理论和材料热处理技术研究,发 表论文290余篇,出版学术专著9部、高等院校教材8部。E-mail:lzchang75@163.corn 基金项目:国家自然科学基金项目(51261018) 《热处理》 2017年第32卷第3期 ‘1‘ 铁索体+特殊碳化物组成的整合组织.即所 “十fI 问沉淀”组织 界 f: 删j9J性})[淀的 々果,此结沦 正确 图1所示为奥氏休A和珠光休P『{由愉与温 度的火系 、町见,当温度高于 ,I时,只仃奥氏体是 最稳定的十H;在温度7',~A。之问,奥氏体的r1【II焓 2“相间沉淀"产物的形态 由于“_卡『 沉淀”产物的碳 1低,微合金化, 所以转变温度也低,则形成的碳化物颗粒很小,直 约为5 11111,难以 火, 小规!J!IJ分 , l 镜下观察 r时点列状分 2所,J 勺1 镜照片足35MnVN 比(F+特殊碳化物)I肚j相的『1由焓离, 此共析分 解为铁素体+特殊碳化物组成的珠光体组织。 俐经过般热 火,得到V C 颗粒 铁素俸坫体f 点列状分佰的情况。 …于转变温度较低,原子扩敞 速度较慢,奥氏体tI I的V、NI】等 亡素含 微少,VC、 N1)c的体积分数小.这 【夫l索导敛这些特殊碳化物 难以肜成片状,只形成 j尘续的 粒状分仇 , J蔓 ℃ 图1 奥氏体A和珠光体P自由焓与温度的关系示意图 Fig.1 Sketch represenli ilg the relation of free enthal py of austenilc and pearlite t‘,temper ̄ittll'l 如图1所示,当温度低于A.时,F+渗碳体的自 由焓和F+特殊碳化物的白山焓均低于爽氏体的自 由焓。但是}l1于Nb、V、Ti等强碳化物形成元索含 量很低,而铁原子浓度很高,则碳原子优先与铁原子 图2 V C。颗粒在铁素体基体上点列状分布(TEM) Fig.2 TEM image ot VJ C pm-Ii(‘les in t fm’111 of point—rOW 形成渗碳体,进行共析分解,形成铁素体+渗碳体的 共析体。在该温度下经过一定时I'1 ̄Ij保滥, 稳的渗 碳体将最终转变为特殊碳化物,这是If{于特殊碳化 物比渗碳体更稳定,F+特殊碳化物系统具有 低 的自由焓。 Ilis btution fPrritit・llialI‘ix 对于 钒Il 调质钢的研究发现,VC或V C , (V C 实际J 址碳 子缺化的VC), 铁索体基体 _』 多呈- ̄I,td,颗粒状 规则分布,有}J 棒状、图3 所示为0.29C、0.88V钢试样经l 000 oC JJl1热后 火 的TEM像. … 3(a) 以看出,VC 粒细小弥敞 地分_布 铁素体堆休f ,分布兀规则,没,f1‘规律 . 3(1))为 TEM的暗场像,rl亮点为VC(V C )颗粒 当碳禽最增_J】I1,特殊碳化物 素含 也增』J【】时. 特殊碳化物总;}t增加. 当冷却速度增大时,碳化物颗 “相问沉淀”同样足共析分解,形核地点是奥氏 体品界,其品核也是由F+MC两卡u构成, 析J,L ̄I-, 本质L是珠光体转变,发生 珠光体转变温度 的 下部,邻近 氏体相变温度区,过冷度较大,故 氏 体共析分解产物颗粒细小,属于伪共析转变。其产 物是在铁素体基体上分布着极为- ̄llJd'弥敞的特殊碳 化物颗粒,是珠光体组织的一种特殊彤貌。以 认 粒的尺寸 列M距均减小 、非洲质高 度钢利用碳 化物颗粒的弥敞析 米提『岛钢的姒度,碳化物颗粒J 为,“相间})c淀”是由于特殊碳化物在铁素体一 氏 寸越小,越弥敞,铁索体品粒越细,钢的强度也越高 图3 VC颗粒在铁素体基体上不规则分布(TEM) Fig.3 TEM illlage llf’VC—Im,‘ les dish’ibuh-d in’t,gulal’l in fen’ 。Illall’ix 《热处理》 2017年第32卷第3期 渗 f水 I,J‘以 点列状分 变诱 例 低碳钢在形 透射lU镜卜观察,,皮脱渗碳体(Ft-- 【:)。t r 列状分 ,卜, 以发牛“川川 C淀” 试验将 殳¨l殳I 4所爪 从 l J‘ ,渗碳体 粒成排 0.()87%(:,0.25 Si,0.51%Mn,0.017%NI),0.35% 析…,分 片状 铁索休琏仆 这小质 就址殊光伴 (: 0.02l%I{Il:钢试 ,采川( Pl4e2000 验机, Yl‘ii,.I I I77 :,保 3 Illil1,然J 冷去『J lJ 780 ,进 纵,仪仪址II r j 渗碳体断断续续地肜成,没仃连接成 缩变形, 肜 【!IJ水冷却将 样制成薄膜, 图4点列状分布的渗碳体及其衍射花样标定(TEM) Fig.4 fEM imag ̄ ot、(-eIllI 『1lilI in lhe I )nl of1 poinl—I’(’w dish’i J)ulifll and ills elech’()f】j(、tliffi’a lion path ¨1s 3 “相间沉淀"机制的修正 所述,“相问沉淀”实质I 就址 分晰 殊此f小 织的过程 Wt。n,j过 将 , 体迅迷冷却剑A.以F, 氏体形成温度以 地围内, 先 氏仆『 L形成铁 这一 铁索体 譬..1..-i .,_^.。.。 f 。. . . 。㈧ ¨ … 体 析 分布着 H 1 素 ,然 铁索体一 氏体界而【 氏体fI匀一侧铁 休碳浓度增离,铁索怵的继续长人 索f夺析….使得碳浓度丌离,如l冬I 5(a)所,Jj 山】: 3,/o ̄十Ij 处 受刊J 抑 、这时,住碳浓度 I■的^y/ 棚界处将 特蛛碳化物,址铁索体+碳化物(VC、Nt)C等)共析 .『Il y-合 己索V、NI 、 。 ● ● }l}低,共析 转变 较低. 子扩敞速嫂慢,扩ItJl-州x[ 离 ,加之 析…碳化物.ji 使得 氏怵一侧的碳浓 降低,如【冬1 5(1 )所,J , cIt的间断线代 析 的臌化物倾粒 铁 索体继续 氏体K大, ^y十fI『ll推移. 此观 If、.,/'J.L.袋.r传统的珠光体肜十亥一K人饥制, 认为铁索怵为领先十l4,接着碳化物忻…,这址不【 确 的、 述/艾,珠光体转变 完个址怵扩敞, 址以 界l( ̄i-t; 敞为 ,)IL 是发,J! 较低_1 rl濉 , 子的 扩散主 址 i(if扩散过程, t , 、 碳 f 也低,t f r 】『能供给的 索、碳原 j 数f 少,/f 能K大成较大的片状碳化物,肜成细小 i卡 lIlJ‘【{『Jf 【I K大,I 此 fn/J、 )} :敞分 或 - 列状分 成珠光 特殊碳化物 j铁索体 十JIj 折』 牛,肜 纵, 小断阳 发腮 ,埘于“十I】问沉淀”过 的描述, 以 的I; 把铁 f小的肜成和碳化物的“沉淀”分成l从』步走一 (hi(、 f’ r。)J i (’ l ,/_/ e孵叼 一一 (一Ceil1 .,一奢 图5伴随有碳化物析出的铁素体向奥氏体推进的示意图 (a)铁素体析出后奥氏体中碳浓度分布;(b)碳化物析出后奥氏体中碳浓度分布;(C)与(a)类似 ¨ .5 Sk¨(・h l, ilring…l}v¨lll nt¨f rrilr to luslertil{ ‘’()III ̄)tlllil“l by( arbid( prP(‘ipit±,iiI)¨ (a)【・[11I J(111 distI’ilmtioll in austenile a‘ tomI Ja『1iPlI l y MIitt prc( ipitati(1 I; (1])【m rII)()n(1ist ̄,ihution in lltlSh-l1ilf、 ( t,m1)ani( (1 ( LIT’ ‘l《 I)r“‘il)ilath)n;((‘)simila ̄’ItJ(“) jI1t』l(I[-J; ̄:itlJ的殊光仆仃阶K大机制・惮,这一 《热处理》 过 也l,r按F-I 6的台阶长大十51 I4术描述 第3期 201 7年第32卷MC)组成的珠光体晶核在^y1/^y2晶界处形核,然后 在纵、横两个方向上按台阶机制协同竞争长大。 会被抑制。 “相间沉淀”形成的碳化物颗粒与铁素体具有 一定的晶体学位向关系。如等温形成的VC,有如下 位向关系: {100}ve//{100}0/.;(110)VC//(1O0)仅 图6珠光体台阶长大机制示意图 Fig.6 Sketch of pearlite ledge growth mechanism 对于连续冷却形成的V c ,其位向关系为: (100)V4C3//(100)0/.;[010]V4c3//[011] 这说明“相问沉淀”的碳化物是按共格或半共格 关系与铁索体相互配合,共析共生,竞争协同长大的。 图7是按照共析分解机制形成“相间沉淀”产 物的示意图 J。图7(a)表示在过冷奥氏体^y1/^y2 溶质原子在新相基体中(仅相)具有比旧相基 体( 相)更大的扩散能力。在相同温度下,一般的 溶质原子在 相中的扩散系数比在^y相中的扩散 系数约大100倍。所以,在 /0【相变时,相界面处 原基体相一侧的溶质原子浓度将高于仪相中的溶 质浓度,这时碳化物的长大促进了01.相继续向^y相 长大。这说明,铁素体和碳化物共析共生的过程受 溶质原子在仪相中的扩散过程控制。 “相问沉淀”颗粒的尺寸及颗粒间距主要受溶 质原子扩散和相变驱动力的控制,即主要受相变温 的界面上,由于涨落形成贫碳区和富碳区;图7(b) 表示形成珠光体晶核(F+MC),MC的长大需要大 量的合金元素原子,但是由于这类原子含量低,而且 扩散慢,因此,不可能长大成片状,只能长大为细小 的颗粒(如果条件允许,可能长成短棒状),而铁素 体的相对含量较大,故长大并包围了MC颗粒,如图 7(c)所示;最后转变为图7(d)和图7(e)的组织形 度或冷却速度的控制。相变温度越低,相变驱动力 越大。温度低,扩散距离短,因而碳化物颗粒细小, 貌。碳化物颗粒的分布状况要视转变温度、奥氏体 中的化学成分而定,同时与电镜衍射观察角度有关。 颗粒间距也小。当相变温度太低时,“相间沉淀”也 图7“相间沉淀”的共析分解示意图 Fig.7 Sketch of interphase precipitation process 总之,“相间沉淀”是珠光体转变的一个特例, 共生,转变为特殊形貌的珠光体组织。 其产物形貌虽跟片状珠光体不同,但本质上就是珠 光体组织的一种,也是铁素体基体上分布着碳化物 的整合组织,其转变机制与共析分解理论是一致的, 将其另类称为“相问沉淀”不正确。 (3)“相间沉淀”本质上就是共析分解,不是相 问沉淀,应于纠正。 参考文献 [t]Christian J w.The Theory of Transformations in Metal and Alloys 4 结论 (1)“相问沉淀”其本质是铁素体基体上分布 着弥散的碳化物颗粒。碳化物颗粒极为细小,一般 [M].Pergait!。n Press,1965. [2]刘云旭.金属热处理原理[M].北京:机械工业出版社,1981. [3]刘宗昌,任慧平.过冷奥氏体扩散型相变[M]北京:科学出版 .社,2007. 呈不规则分布,有时呈现点列状规则分布。 (2)“相间沉淀’’的机制是:在孕育期,涨落形 [4]刘宗昌,任慧平,王海燕奥氏体形成与珠光体转变[M].北 京:冶金工业出版社, 。 。 成贫碳区和富碳区;在奥氏体晶界形成珠光体晶核。 雯霎 晶核由两相构成,晶核中的碳化物多数为特殊碳化 [6]刘宗昌,研200究9.既钢的微观组织图像精选。M (续完) 任慧平,计云萍.固态相变原理新论[M].北京:科学 物(F+MC),也可为渗碳体,铁素体和碳化物共析 ‘出版社,2015. 第3期 4‘ 《热处理》 201 7年第32卷