低碳钢中晶界铁素体的生长模式及界面类型对贝氏体形核的影响

目前国民经济的发展急需研发高性能结构钢材，其中贝氏体组织以其优良的强韧性得到越来越多的关注。为提高可焊性，需要大幅降低此类钢材的碳含量。而碳含量的降低导致淬透性也下降，使得钢材在冷却过程中易在原奥氏体晶界先形成铁素体，随冷却过程的进行剩余奥氏体再转变为贝氏体。贝氏体的优先形核位置本来是原奥氏体晶界，当晶界铁素体形成后，原奥氏体晶界被消除，但又产生了新的晶界铁素体/原奥氏体相界，此相界将对贝氏体的形核及最终贝氏体束的尺寸和性能有直接影响，但其影响规律和机制目前仍不清楚。本项目拟采用两阶段等温热处理，得到晶界铁素体和贝氏体的混合组织，并通过观察晶界铁素体/贝氏体界面形貌、测量相邻两相相对取向、确定晶界铁素体与两侧奥氏体的取向关系、测量贝氏体形核孕育期及贝氏体束尺寸等方法，来研究不同生长模式下的晶界铁素体两侧界面对不同过冷度下贝氏体形核的影响，为高性能贝氏体钢的成分与组织优化提供理论依据和指导。

为了提高结构钢材的综合力学性能和焊接性能，需要采用低碳的合金设计，同时对组织进行精密的控制。碳含量的降低使得钢的淬透性随之降低，因此铁素体往往是奥氏体冷却过程中最先出现的相变产物，在随后的等温或冷却过程中，剩余的奥氏体再转变为贝氏体或其它组织。先形成的铁素体选择在原奥氏体晶界形核生长，使得贝氏铁素体无法在原奥氏体晶界形核，但新产生的铁素体/奥氏体相界将对随后的贝氏铁素体的形核产生影响。因此要对铁素体/贝氏体组织进行精密控制，必须了解晶界铁素体的形成对贝氏铁素体形核的影响。这方面的研究还不多见，而且仅有的研究结果还存在互相矛盾之处。为了澄清钢中晶界铁素体对于贝氏铁素体形核的影响，本项目通过适当的合金设计和等温热处理，研究了影响贝氏铁素体在晶界铁素体/原奥氏体界面形核的因素，包括碳含量，晶界铁素体的生长模式，晶界铁素体/原奥氏体界面类型及贝氏体相变温度。研究发现，在0.05C-3Mn-1.8Si钢中，在晶界铁素体与原奥氏体成K-S取向的一侧，贝氏铁素体将在此两相界面上形核，并选择与晶界铁素体相同的变体；如果晶界铁素体与原奥氏体接近K-S取向，贝氏铁素体将在此相界面上尽可能选择与晶界铁素体取向相近的几个变体；如果铁素体与原奥氏体非K-S取向，两相界面附近的贝氏铁素体变体与晶界铁素体变体之间没有明显的关系。试验结果表明，0.05C-3Mn-1.8Si钢中，不论晶界铁素体的生长是由再分配的局域平衡模式，还是由不分配的局域平衡模式或准平衡模式控制，以上结论都适用。研究结果显示，在此低碳钢中，晶界铁素体的形成对贝氏体转变有促进作用，但这种促进作用随着贝氏体相变温度的降低而减弱。但是，若合金成分不变，碳含量升高到0.4C，晶界铁素体的生长只能由再分配局域平衡模式控制。此时，不论晶界铁素体与原奥氏体处于什么取向关系，相界面附近的贝氏铁素体的变体选择都与晶界铁素体的变体无关，说明晶界铁素体的形成不能促进贝氏体的形成。研究还发现，奥氏体的共格孪晶界两侧将最多形成三组取向相同的贝氏铁素体变体对。0.05C钢中孪晶界上只观察到一组变体对的形成，因为碳含量较低，贝氏铁素体生长速度较快，一旦形核就长大覆盖整个孪晶面。而在0.4C钢中，由于碳含量较高，贝氏铁素体生长速度较慢，在孪晶界上可以观察到三组变体对同时出现。本项目的成果将对高性能结构钢的组织调控有积极的指导意义。