贝氏体和马氏体相变及应用的研究

系统总结了清华大学相变及复相新材料研究组近年来在贝氏体相变领域关键性的最新研究成果，包括三维巨型及纳米台阶存在的客观性和普遍性、台阶阶面的可动性、贝氏体片条的内部超精细结构、贝氏体浮突的特征及本质、贝氏体碳化物的来源及形成模型、马氏体浮突的扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）及原子力显微镜（ＡＦＭ）研究；进一步论述贝氏体相变的激发形核－台阶长大（ＳＮＬＧ）机制，并用ＳＮＬＧ机制解释了贝氏体的多层次复杂亚结构；同时，还论述了空冷贝氏体／马氏体复相钢的工业应用。     

Mn系贝氏体/马氏体复相钢的研究及应用进展

Mn系贝氏体／马氏体复相钢因其工艺简单、性能良好和价格低廉等优点而得到了广泛的重视。本文回顾了Mn系贝氏体／马氏体复相钢近几年来在微观组织、强韧化机理、延迟断裂及疲劳性能等方面所取得的研究成果，简要介绍了Mn系贝氏体／马氏体复相钢在不同领域的应用情况与进展。     

贝氏体／马氏体复相灰铸铁组织研究

提出了用硅锰等元素低合金化、金属型浇注后采用特殊热处理工艺获得贝氏体／马氏体(B／M)复相组织的耐磨灰铸铁的方法,并利用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等检测手段对热处理前后各组织形态进行分析。     

贝氏体/马氏体复相灰铸铁组织研究

提出了用硅锰等元素低合金化、金属型浇注后采用特殊热处理工艺获得贝氏体/马氏体（B/M）复相组织的耐磨灰铸铁的方法,并利用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等检测手段对热处理前后各组织形态进行分析.     

仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相组织的韧性

研究了仿晶界型铁素体／粒状贝氏体复相钢轧态组织的韧性与裂纹扩展特点。与单一粒状贝氏体组织相比，仿晶界型铁索体／粒状贝氏体复相组织具有更好的强韧性配合。适量仿晶界型铁素体的存在增加了复相组织的协调变形能力，提高了裂纹形成功：同时使裂纹扩展路径弯曲、分 叉、微裂纹尖端钝化。在一定程度上提高了裂纹扩展力。在粒状贝氏体变的第二阶段（富碳亚稳奥氏体→马氏体／奥氏体（M／A岛）缓冷。已转变的马氏体将进行自回火，并提高残余奥氏体的热稳定性，从而使复相组织的裂纹扩展功得到明显提高。     

控制冷却获得贝氏体／马氏体耐磨钢

以硅、锰为主要合金化元素，采用控制冷却技术，将铸件快速冷却至贝氏体中温转变区，终止喷射冷却，采用相应保温措施，利用铸件余热，创造类似等温淬火的外部条件，以完成贝氏体转变，其组织为贝氏体、马氏体复相组织。这种钢硬度高（ＨＲＣ＞５０）、韧性好（αｋ＞２０Ｊ／ｃｍ２），适生产衬板、锤头等耐磨铸件     

硅在贝氏体／马氏体复相球铁中的作用

研究了硅在新型贝氏体／马氏体复相球铁中的作用。结果在明：硅提高新型贝氏体／马氏体复相球铁的马氏休相变开始温度（Ｍｓ），在实验热处理工艺条件下，硅减少残余奥氏体（γ残）数量。但硅促进贝氏体转变，因而减少了复相中的马氏体数量。在２．５％～３．７ｗｔ％范围内，哇含量提高，新型贝氏体／马氏体复相球铁的冲击韧性提高。     

无碳化物贝氏体/马氏体复相钢晶粒细化研究

在获得无碳化物贝氏体/马氏体复相钢奥氏体晶界侵蚀方法的基础上,利用电致加热循环淬火方法对无碳化物贝氏体/马氏体复相钢进行组织超细化处理,研究了奥氏体化温度、加热速率、循环次数和保温时间对钢的组织和原奥氏体晶粒的影响。实验结果表明:以100℃/s的加热速度加热到910~920℃淬火,循环3次,前两次淬火不保温,最后一次保温30 s,可得到平均晶粒度为3.2μm,超高周疲劳性能优异的超细化无碳化物贝氏体/马氏体复相钢。     

贝氏体和马氏体浮突的扫描隧道显微镜研究

本文首次用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）研究了Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ钢中贝氏体和马氏体浮突的形态，利用ＳＴＭ所独具的优异的纵向分辨率，发现贝氏体浮突实际上是贝氏体的亚片条，亚单元及超亚单元造成的表面浮突所组成的浮突群，完全不符合马氏体浮突的不变平面应变特征，说明了贝氏体相变不可能按切变机制进行。     

硅对Mn—B系空冷贝氏体钢组织与性能的影响

研究了硅对中低碳和中碳Ｍｎ－Ｂ系空冷贝氏体钢铁的组织和强韧性的影响，结果表明，硅含量为１．４％￣１．８％时。钢中的贝氏体组织是由残余奥氏体和贝氏体铁素体所组成的无碳化物贝氏体。冷却后的贝氏体／马氏体复相组织具有良好的强韧性。     

960MPa级熔敷金属组织及冲击韧性分析

研制开发了960 MPa级高强韧性气体保护焊丝,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),并通过低温示波冲击等试验研究了熔敷金属微观组织和冲击韧性. 结果表明,熔敷金属金相组织为粒状贝氏体(GB)+低碳马氏体(M),马氏体的出现可能和合金元素的成分偏析有关. 贝氏体铁素体(BF)板条晶界形核并向晶内生长,BF片条间有呈薄膜状分布的残余奥氏体(γ'),对韧性有利. 该贝氏体-马氏体型混合组织冲击韧性较好,热输入为13.7 kJ/cm时,熔敷金属裂纹扩展功和冲击吸收总功分别为63和75 J.     

一种铁路辙叉用贝氏体钢的焊接热模拟

针对一种辙叉用贝氏体钢,采用Gleeble-3500对其焊接热循环过程进行了热模拟试验.采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和硬度试验对不同冷却速度下焊接热影响区的组织和性能进行研究.作出加热和冷却膨胀曲线,并采用切线法测定奥氏体转变开始温度(A_c1)、奥氏体转变结束温度(A_c3)和不同冷却速度下的相转变温度.根据试验结果绘出辙叉用贝氏体钢的焊接热影响区连续冷却转变(simulated heat affected zone continuous cooling transforming,SHCCT)曲线,为其焊接性研究提供了基础数据,并用于预测热影响区的组织和性能,可用于指导贝氏体钢辙叉焊接及焊补工艺的优化设计.     

HCM2S(T23)钢显微组织结构特征及强化机理分析

通过OM、TEM、SEM和EDS等方法对供货态、正火态和正火+回火态T23钢试样的显微组织结构进行了分析.通过对比不同状态T23钢显微组织结构特征,探讨了T23钢的强化机理.研究结果显示,正火态T23钢为粒状贝氏体组织,以固溶强化、M/A小岛的弥散强化,以及粒状贝氏体基体的晶界和亚结构的强化作用为主,同时微量B也起到-定程度的强化作用;正火+回火状态T23钢为回火粒状贝氏体组织,大部分M/A组元分解消失,沉淀相大量沉淀析出,第2相主要为M23C6和MX,回火不充分的情况下会有亚稳过渡相M3C和M7C3型碳化物存在,强化机理包括固溶强化、沉淀强化,以及贝氏体基体的晶界和亚结构等强化作用.     

热输入对800MPa级超厚板窄间隙焊缝金属组织和性能的影响

采用三种热输入进行超厚板窄间隙熔化极气体保护焊,借助金相显微镜、扫描电子显微镜及附带EDS系统和透射电子显微镜研究了热输入对焊缝金属组织和性能的影响.结果表明,三种热输入焊缝金属组织主要由板条马氏体、无碳化物贝氏体、M-A组元和残余奥氏体组成.随着焊接热输入的增加,焊缝组织中马氏体含量减少;也使无碳化物贝氏体形核率降低,造成无碳化物贝氏体粗化.并且当贝氏体相变时热输入的增加使碳原子扩散距离变远,促使残余奥氏体形状由膜状向块状转变.另外随着热输入的增加,焊缝金属强度下降,而冲击韧性对热输入不敏感.     

Microstructure and Mechanical Properties of a Wear-Resistant As-Cast Alloyed Bainite Ductile Iron

An as-cast bainite ductile iron with excellent mechanical properties and wear resistance was fabricated by alloying and centrifugal casting method, and the alloyed chemical composition was optimized by using the thermodynamic software Thermo-Calc. By using optical microscopy, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction, the microstructure of the as-fabricated bainite ductile cast iron was characterized pertinent to the elements distribution in matrix and features of ferrite and retained austenite. The results of mechanical properties test show that the hardness and compressive strength of this alloyed ductile iron are 52 HRC and 2,200 MPa, respectively. The ascast bainite ductile iron possesses highly abrasive wear resistance and the reason can be ascribed to the solid solution of the elements Si, Ni, Cu, and Mn in the austenite and the formation of carbides of elements Cr and Mo. The strength of bainite ductile iron is increased by the acicular bainitic ferrite in the matrix.     

热输入对3Cr耐候钢MAG焊缝金属组织和性能的影响

采用三种热输入进行3Cr耐候钢MAG焊,借助金相显微镜、扫描电子显微镜及透射电子显微镜分析了热输入对焊缝金属组织和性能的影响.结果表明,三种热输入焊缝金属组织主要由板条贝氏体、粒状贝氏体和M-A组元组成.随着焊接热输入的增加,焊缝组织中粒状贝氏体含量增加;M-A组元含量增加且尺寸增大.随着热输入的增加,焊缝金属冲击韧性降低.组织粗化、M-A组元含量增加尺寸增大是导致其韧性降低的主要原因.接头不同区域耐蚀性能相当,腐蚀产物主要由α-FeOOH组成.热输入为8~12 kJ,采用所选焊丝焊接高强耐候钢能够获得强韧性、耐蚀性匹配良好的焊接接头.热输入为8 kJ,接头综合性能最佳.     

热处理工艺对300M超高强度钢组织和性能的影响

采用SEM、TEM等方法研究了不同回火温度对300M超高强度钢的显微组织和力学性能的影响。结果表明,300M钢经870℃淬火后,在290～320℃范围内回火,显微组织为板条马氏体、下贝氏体和残留奥氏体组成。随着回火温度的升高,板条马氏体宽度由260 nm增加到437 nm,位错密度减小,下贝氏体含量增多;合金的抗拉强度有所下降,韧性呈上升趋势,而屈服强度、伸长率和断面收缩率变化较小。当回火温度为300℃时,强度、塑性和韧性达到一个最佳匹配,合金具有最优的综合力学性能。     

Influence of cooling rate on microstructure and properties of high strength steel weld metal

Abstract

Microstructures, and hence mechanical properties, of high strength steel weld metals are affected by cooling rate. Weld metal microstructures for a nominal composition of Fe–0·05C–0·3Si–2Mn–3Ni–0·5Cr–0·6Mo (wt-%) were therefore characterised for a range of cooling rates using high resolution scanning electron microscopy, and transformation behaviour, assessed from cooling curves, is presented as a continuous cooling transformation diagram. As deposited last bead microstructure changes gradually from lower bainite and martensite interspersed with coalesced bainite, via a mixture of relatively fine upper and lower bainite, to coarse upper bainite as cooling rate decreases. The microstructure of reheated beads follows the as deposited structure closely and becomes coarse with slower cooling. Mechanical properties correlate with observed microstructure and transformation behaviour. Results suggest high strength and good toughness for cooling rates between 800 and 500°C of about 3–13 s. A fine microstructure will then form with varying proportions of martensite, lower bainite, coalesced bainite and fine upper bainite.     

X100管线钢的工艺控制

利用热模拟、扫描电镜、透射电镜等分析手段研究了控轧工艺和冷却制度等对X100管线钢微观组织和显微硬度的影响。结果表明：在820℃变形时,随变形量增加,试验钢中板条贝氏体比例减少,粒状贝氏体比例增加,组织逐渐细化,显微硬度明显下降;400℃终冷时,随冷却速度的增加,粒状贝氏体组织逐渐细化,马奥岛数量减少,颗粒尺寸减小,显微硬度增加;在600～350℃范围终冷时,随终冷温度降低,贝氏体组织细化,马奥岛体积分数减少,颗粒尺寸减小,终冷温度降低到300℃时,组织中出现了大量硬相的板条贝氏体组织;显微硬度随着终冷温度的降低而增加。     

碳含量对铬钼钢贝氏体组织形貌的影响

取超低碳的高纯钢和12CrMo、20CrMo、35CrMo、9Cr2Mo和GCr15等工业用钢,淬火时发生中温转变．然后应用QUANTA-400型环境扫描电镜观察贝氏体组织形貌的变化。发现,随着碳含量的增加,过冷奥氏体在中温区的转变,由块状相变到低、中碳无碳化物贝氏体转变,演化到高碳羽毛状上贝氏体和竹叶状下贝氏体。表明含碳量对贝氏体形貌产生显著的影响。探讨了影响机制,认为：（1）块状转变与贝氏体相变有亲缘关系。贝氏体相变时由成分涨落形成贫碳区,并且在贫碳区中形核（BF）,它与块状转变的γ→α没有本质上的区别,属于非协同型的无扩散相变。依靠原子的热激活跃迁进行界面移动的过程,新相可连续长大。（2）随着碳含量的增加,在贝氏体铁素体片条之间留下富碳的奥氏体薄膜,铁素体片条之间不能融合时,则得到无碳贝氏体;如果BF片条之间的富碳奥氏体中析出碳化物,则形成羽毛状上贝氏体;如果在BF／γ相界面上析出碳化物,将贝氏体片分割成许多细小的亚单元,则得到竹叶状下贝氏体。