亚共析钢中魏氏组织形态的研究.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1983.01.011 北京钢铁学院学报 1983年第1期亚共析钢中魏氏组织形态的研究金属物理教研室职任涛屠欢肖纪美摘要本文用各种不同的加热温度和不同的冷却方式，对20A深冲弹钢中出现的各种铁素体形态进行了光学金相和电子金相的观察，经过分析表明，在含碳量一定的低碳钢中，铁素体的形态和冷却方式，冷却速度有关，并且这些形态大都符合Dubè 所作的分类。本文根据铁素体片的形态讨论了它的形核和长大的机构学。一、前言 Dube(1(2)曾对铁素体晶体在长大过程中的各种形态作过如下的分类， 1,沿原始奥氏体晶界上形核并优先长大的晶界析出物（或者沿晶界析出的网状铁素体)。 2.由晶界向晶内生长的魏氏铁素体片（或针），即(Widmanstatten)。又可分为一次魏氏铁素体片和二次铁素体片。（如图1所示）。 3,Widmanstatten锯齿（又称锯齿形铁素体），又可分为一次锯齿和二次锯齿（如图2 所示)。 (a) (b) (a) (b) 图1(a)一次铁素体片，(b)二次铁素体片图2(a)一次锯齿，(b)二次鳃齿 4,几乎全部长在奥氏体晶内的天然状的等轴晶体。 5.晶粒内部的Widmanstatten片（或针）。 6,块状铁素体组织。根据Dub的分类本文对20A钢采用两种奥氏体化温度(920°C和1200°C),并用不同的冷却速度和等温分解)，来获得各种不同形态的铁素体，从对这些形态的观察中得知：只有在某一冷却速度范围内或在某一等温分解时间内，才能得到片状的铁素体，即魏氏组织。除此而外，当快速冷却（水淬）与等温时间很短时，或缓慢冷却与等温分解时间过长时，均不能获得魏氏组织，而只能得到沿晶界的铁素体网或块状铁素体或退化了的魏氏铁素体。本文根据铁素体片的形貌，分析和讨论了它形成的热力学条件和动力学机制。关于这个方面的问题请参阅文献〔3)、〔4)、〔5)。 149

北京桐铁学院学报年第翔亚共析钢中魏氏组织形态的研究金属物理教研室职任涛屠欢肖纪美摘要本文用各种不同的加热温度和不同的冷却方式，对深冲弹钢中出现的各种铁素体形态进行了光学金相和电子金相的观察，经过分析表明，在含碳量一定的低碳钢中，铁素体的形态和冷却方式，冷却速度有关，并且这些形态大都符合色所作的分类。本文根据铁素体片的形态讨论了它的形核和长大的机构学。一、前刁，巨〔〕〔幻曾对铁素体晶体在长大过程中的各种形态作过如下的分类沿原始奥氏体晶界上形核并优先长大的晶界析出物或者沿晶界析出的网状铁素体。由晶界向晶内生长的魏氏铁素体片或针，即欲。又可分为一次魏氏铁素体片和二次铁素体片。如图所示。。二峨锯齿又称锯齿形铁素体，又可分为一次锯齿和二次锯齿如图所示。山么八甲圈一次铁素体片，二次铁素体片图侧匕务一才。业。一次据齿助二次据齿几乎全部长在奥氏体晶内的天然状的等轴晶体。晶拉内部的且片或针。。块状铁素体组织。根据吞的分类本文对钢采用两种奥氏体化温度和 “ ，并用不同的冷却速度和等温分解，夹获得各种不同形态的铁素体，从对这些形态的观察中得知只有在某一冷却速度范围内或在某一等温分解时间内，才能得到片状的铁素体，即魏氏组织。除此而外，当快速冷却水淬与等温时间很短时，或缓慢冷却与等温分解时间过长时，均不能获得魏氏组织，而只能得到沿晶界的铁素体网或块状铁素体或退化了的魏氏铁素体。本文根据铁素体片的形貌，分析和讨论了它形成的热力学条件和动力学机制，关于这个方面的问题请参阅文献〔〕、〔〕、〔〕。ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．１９８３．０１．０１１

性能上知〔6)，920°C的魏氏组织比1200°C的冲击韧性要高。这就说明由粗大奥氏体晶粒中形成的魏氏组织，其性能是不好的（指韧塑性）。而当奥氏体晶粒不大时，魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素体的高。其脆化趋势也呈块状铁素体的比魏氏组织的大〔6)。照片3是连续冷却（风冷）时魏氏铁素体片的电子金相形貌，由照片中可观察到碳化物在冷却时主要在珠光体区折出，而在铁素体片上也分布有少量的碳化物颗粒。由连续冷却时铁素体的析出形态来分析，块状铁素体的组织，其珠光体的区域比较集中，而形成魏氏组织带来的珠光体区则比较分散（照片2(b)()。因此，从形态上可以说明为什么魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素体的冲击性能好的现象。 2.等温分解时的铁素体形态我们知道，当亚共析钢在从奥氏体区的冷却过程中，铁素体优先在奥氏体晶界上形核，因为可以导出在晶界的形核功低于晶内(3)。同时晶界又为碳原子的扩护散提供了有利途径，因此，无论是快速冷却或是缓慢冷却，铁素体总是在晶界处优先形核。Smith()曾提出，新的铁素体核与奥氏体之间有一个共格或半共格的界面。同时我们又知道，铁素体和奥氏体之间的取向关系遵从Kurdjumov-Sachsi关系，即， (111)./(110)a(习惯面) 〔110).//c111)a 由于共格或半共格面的界面能较低，在过冷度导致的化学自由能的推动下，可从这种形貌快速推进。但是，α相中碳又必须扩散到相中去，才能松驰畸变能，而这种铁素体片前沿的曲率半径小，有利于碳的扩散，因此边缘部分的长大速度远高于侧面的长大速度。故形成如图4所示的片状。至于铁素体片向晶界两侧中的哪一侧长大，则决定于碳浓度的品界铁素体片服片31200°C30风冷时快素体片的电子横习面边缘金相形态图4片状铁素体长大示意图高低，例如照片5(b)中H处的碳浓度高为富碳区，而K处为贪碳区，故铁素体片沿晶界向两侧的K处长大。从照片4中尚可看出，于620°C等温分解的魏氏组织比720°C等温分解的要发达， 620°C5"时已有魏氏组织出现，而720°C5"时铁素体仅沿晶界有少量析出（照片4(a)(b) (c)(d))。在620°C等温时间过长时，魏氏组织即开始退化，半分钟时，720°C等温的全部 143

性能上知〔〕，的魏氏组织比。。的冲击韧性要高。这就说明由粗大奥氏体晶粒中形成的魏氏组织，其性能是不好的指韧塑性。而当奥氏体晶粒不大时，魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素休的高。其脆化趋势也呈块状铁素体的比魏氏组织的大〔的。照片是连续冷却风冷时魏氏铁素体片的电子金相形貌，由照片中可观察到碳化物在冷却时主要在珠光体区析出，而在铁素体片上也分布有少量的碳化物颗粒。由连续冷却时铁素体的析出形态来分析，块状铁素体的组织，其珠光体的区域比较集中，而形成魏氏组织带来的珠光体区则比较分散照片。因此，从形态上可以说明为什么魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素体的冲击性能好的现象。。等温分解时的铁素体形态我们知道，当亚共析钢在从奥氏体区的冷却过程中，铁素体优先在奥氏体晶界上形核，因为可以导出在晶界的形核功低于晶内〔〕。同时晶界又为碳原子的扩散提供了有利途径，因此，无论是快速冷却或是缓慢冷却，铁素体总是在晶界处优先形核。〔〕曾提出，新的铁素体核与奥氏体之间有一个共格或半共格的界面。同时我们又知道，铁素体和奥氏体之间的取向关系遵从一关系，即习惯面〔〕〔〕由于共格或半共格面的界面能较低，在过冷度导致的化学自由能的推动下，可从这种形貌快速推进。但是，相中碳又必须扩散到相中去，才能松驰畸变能，而这种铁素体片前沿的曲率半径小，有利于碳的扩散，因此边缘部分的长大速度远高于侧面的长大速度。故形成如图所示的片状。至于铁素体片向晶界两侧中的哪一侧长大，则决定于碳浓度的雄渗之飞沁派粉亡要雌于筋沪气奈续奋补荞减铁素体片价攀升斗碗备偏姗典照片，风冷时铁素体片的电子寸贯习面边缘醉执砂雏金相形态图片状铁素休长大示意图奢漪黔高低，例如照片中处的碳浓度高为富碳区，而处为贪碳区，故铁素体片沿晶界向两侧的处长大。从照片中尚可看出，于等温分解的魏氏组织比等温分解的要发达， “ “ 时已有魏氏组织出现，而 “ 时铁素体仅沿晶界有少量析出照片。在 “ 等温时间过长时，魏氏组织即开始退化，半分钟时，等温的全部

在不同温度等温分解时，碳化物颗粒析出的大小是不相等的，由照片6(d)(©)中可知，620°C等温分解时的碳化物颗粒比720°C的要大，由此可，当在A3点以下时，温度愈低，碳化物颗粒愈粗大。表明温度低时，易引起碳原子的聚集。 3,魏氏组织形成的条件及其形态钢中魏氏组织是指从晶界形核，向晶内长大的片状铁素体。是图1及图2所示的各种先共析铁素体的一种。为什么先共析铁素体优先在晶界形核？在什么条件下，这种先共析铁素体形成魏氏组织？在下面，分别讨论这两个问题。 (1)形核热力学一从形核理论很容易导出，在奥氏体晶界上形成如图5所示的半球体晶核的形核功为7门： ℃% 图5Y品界上形成a品核图6Fe-C相图 △G'界=π(30m-0)8 (1) 3(△G,+e)1 式中，△G,是单位体积Y转变为α的自由给变化，为负值，它的绝对值正比于过冷度△T(图 6中T。一T1),e为单位体积Y转变为a所导致的应变能，为正值：o.,及0￥Y分别是 α/Y相界面能及Y/Y晶界能，均为正值。若在晶内形成相同形状和大小的a晶核，则形核功为： AG·均=T(3aa/Y)3 (2) ~3(△Gy+e) 对比上面二式可以看出，由于o,γ的影响，△G·界<△G·均，故在晶界优先形核。籍助于(1)式，也可定性地理解其它因素的影响： ①晶界类型一一大角晶界的σ，，较小角晶界为大，故在大角晶界上易于优先形核。 ②相变温度一由于AGvc△T,若忽略e,则AG反比于(AT),故相变温度低时，易于形核。 ③a/Y界面结构一共格及半共格的o。,校小，可有效地降低△G来，促进形核。 ④a相形状一一板状的ε较低，由于（△Gv+ε）2顶中，△Gv为负值项，故降，刚 (△Gy+ε)2增大，从而△G界下降，有于利形核。从上面的分析可以看出，具有共格或半共格的片状α相易于形核。但这种片状核能否长大，则取决于动力学条件。 (2)长大动力学一相变温度高时，△T较小，只能通过扩散而长大，因而易发展而成等轴的晶界铁素体。相变温度低时，△T较大，有足够的惟动力，以高温切变的方式向 147

吧渗尹诱在不同温度等温分解时，碳化物颗拉析出的大小是不相等的， · 由照片申可知，。。等温分解时的碳化物颗粒比 “ 的要大，由此可知，当在。点以下时，温度愈低，碳化物颗粒愈粗大。表明温度低时，易引起碳原子的聚集。魏氏组织形成的条件及其形态钢中魏氏组织是指从晶界形核，向晶内长大的片状铁素体。是图及图所示的各种先共析铁素体的一种。为什么先共析铁素体优先庄晶界形核在什么条件下，这种先共析铁素体形成魏氏组织在下面，分别讨论这两个问题。形核热力学一从形核理论很容易导出，在奥氏体晶界上形成如图所示的半球体晶核的形核功为〔〕石班叭二。 ’、、协 ℃ 图丫晶界上形成晶核图一相图么界兀。。，一口，， △二￡“ 式中 △，是单位体积丫转变为的自由烤变化，为负值，它的绝对值正比于过冷度△ 图中。一￡为单位体积丫转变为所导致的应变能，为正值，，，及。，，，分别是丫相界面能及丫晶界能，均为正值。若在晶内形成相，刁形状和大小的晶核，则形核功为么均二 “ 丫” △ 。 ‘ 对比上面二式可以看出，由于、丫的影响， △ 界均，故在晶界优先形核。籍助于式，也可定性地理解其它因素的影响 ①晶界类型 — 大角晶界的，，较小角晶界为大，故在大角晶界上易于优先形核。 ②相变温度一由于 △ △ ，若忽略。，则△鼻反比于 △ ，故相变温度低时，易于形核。 ③丫界面结构 — 共格及半共格的。，，较小，可有效地降低 △鼻，促进形核。 ④ 相形状一一板状的。较低，由于 △ 。“ 项中， △ 为负值项，故降。，刘协‘ 十。 “增大，从而 △鼻下降，有于利形核。从上面的分析可以看出，具有共格或半共格的片状相易于形核。但这种片状核能否长大，则取决于动力学条件。长大动力学 — 相变温度高时， △较小，只能通过扩散而长大，囚而易发展而成等轴的晶界铁素体。相变温度低时， △较大，有足够的推动力，以高温切变的方式向

晶内推进，并保持片状。但是，这种较高速度形成的α相，碳量高，必须扩散到Y相，才能松驰这种应变能，而魏氏体片的前沿曲率半径小，在/Y界面处的Y中碳含量较高，易于扩散，因而继续以片状推进。因此，魏氏组织的形成还是受碳扩散控制的。相变温度更低时，便依次进入贝氏体转变和马氏体转变。综合上面的分析可以看出。魏氏组织是亚共析钢在足够低的相变温度（风吹或空冷的条件，620°C等温较720°C等温有利)。在大角晶界上形核，以片状形貌推进的先共析铁素体。奥氏体化温度高（例如1200°C)时，奥氏体晶粒大，魏氏体片长大时，较难发生冲突，易于观察。低碳钢(0.15~0.2%)中α相较多，魏氏体片易于发展，此外，在相同的转变温度，低碳钢的△T六，从而△Gv|大，△G艰小，易于形成魏氏组织。四、结论通过上述形态的分析，我们认为： 1,连续冷却时，由风冷形成的魏氏铁素体片发展最快，水淬时得到铁素体沿晶界呈网状分布，或有小的锯齿，缓冷（炉冷）时则为块状铁素体。在连续冷却时形成的铁素体片上有少量碳化物颗粒，大部分碳化物颗粒分布在珠光体范围内。 2,等温分解的铁素体形态中，620°C等温分解比720°C等温分解易形成魏氏组织，即 A3点以下时，温度愈低，愈容易形成魏氏组织。 3,等温分解时，碳化物沿魏氏铁素体片边缘分布，形成富碳区，魏氏铁素体片上亦有少量碳化物颗粒。而碳化物颗粒的大小和等温分解的温度有关，温度低时，颗粒较粗大。 4·魏氏铁素体片由晶界向两边贪碳区处长大，当尖端处碳浓度高时，则易造成魏氏铁素体锯齿。参考文献 [1]C.A.Dubc',H.I.Aaronson R.F.Mehl: Rev.Met.55,201(1958) [2]H.I.Aaronson:Decomposition of Austenite by diffusional Processes (1962)P387. 〔3)肖纪美，“金属物理”上册，北京钢铁学院311一316 C4]K.R.Kinsman.H.I.Aaronson:Met Trans,Vo14.959 (1973). C5)H.I.Aaronson,C,Laird,K.R.Kinsman: Phase Transformations,ASM 313 (1970) 〔6〕职任涛，屠欢，林实，肖纪美：深冲弹钢中魏氏组织对材料脆化倾向的影响。 [7J C.S.Smith:Trans.ASM V01.45 533 (1953). 148

晶内推进，并保持片状。但是，这种较高速度形成的相，碳量高，必须扩散到丫相，才能松驰这种应变能，而魏氏体片的前沿曲率半径小，在丫界面处的丫中碳含量较高，易于扩散，因而继续以片状推进。因此，魏氏组织的形成还是受碳扩散控制的。相变温度更低时，便依次进人贝氏体转变和马氏体转变。综合上面的分析可以看出。魏氏组织是亚共析钢在足够低的相变温度风吹或空冷的条件，等温较 “ 等温有利。在大角晶界上形核，以片状形貌推进的先共析铁素体。奥氏体化温度高例如 “ 时，奥氏体晶粒大，魏氏体片长大时，较难发生冲突，易于观察。低碳钢。中相较多，魏氏体片易于发展，此外，在相同的转变温度，低碳钢的△穴，从而 △ 大， △鼻小，易于形成魏氏组织。四、结论通过上述形态的分析，我们认为连续冷却时，由风冷形成的魏氏铁素体片发展最快，水淬时得到铁素体沿晶界呈网状分布，或有小的锯齿缓冷沪冷时则为块状铁素体。在连续冷却时形成的铁素体片上有少量碳化物颗粒，大部分碳化物颗粒分布在珠光体范围内。等温分解的铁素体形态中， “ 等温分解比等温分解易形成魏氏组织，即点以下时，温度愈低，愈容易形成魏氏组织。等温分解时，碳化物沿魏氏铁素体片边缘分布，形成富碳区，魏氏铁素体片上亦有少量碳化物颗粒。而碳化物颗粒的大小和等温分解的温度有关，温度低时，颗粒较粗大。魏氏铁素体片由晶界向两边贪碳区处长大，当尖端处碳浓度高时，则易造成魏氏铁素休锯齿。〕〔〕〔〕〔〕〔〕〔〕〔〕参考文献。产，必。肖纪美， “ 金属物理 ” 上册，北京钢铁学院一，。。，，，。，职任涛，屠欢，林实，肖纪美深冲弹钢中魏氏组织对材料脆化倾向的影响。。。