A study of microstructure,transformation mechanisms and correlation between microstructure and mechanical properties of a low alloyed TRIP steel

Differently heat treated samples of a low alloyed TRIP steel have been investigated using electron diffraction techniques in SEM and TEM. Aim was, first, to discriminate the microstructure constituents, austenite, ferrite, bainite, and martensite, second to gain information on the γ–α phase transformation mechanisms and third to correlate the mechanical properties and the microstructure of the samples. Bainite always occurs in conjunction with an orientation gradient in the surrounding ferrite matrix. It consists of fine lamellae of ferrite and austenite which show a sharp Kurdjumov–Sachs orientation relationship with each other. This was interpreted in terms of a displacive bainite formation mechanism. The microstructure is formed by growth of γ-grains during intercritical annealing and shrinking of these grains during the subsequent cooling without nucleation of new α-grains. The transformation first occurs reconstructively into ferrite and then, at lower temperature, displacively into bainite. The mechanical properties of differently heat treated samples are most strongly influenced by the amount and distribution of carbon in the retained austenite and by the degree of recovery in bainite and austenite.     

THEORY OF BAINITIC TRANSFORMATION: A MODEL WITH COUPLED FIRST-ORDER PHASE TRANSFORMATIONS

1.IntroductionBainite,discoveredinsteelmorethansixdecadesago[1],nowhasbecomeanenlargedtermofphysicalmetallurgyandmateriasscience.Itcharacterisesaseriesofphase-transformationproductsformedintherangeofintermediatetemperaturenotonlyinsteelbutalsoinothernonferrousalloysystemsandeveninsomeoxideceramics[2l.Beingofgreatpracticalandtheoreticalimportance,ithasbeenextensivelyinvestigatedanddeeplyconsideredI3.However,someessentialaspectsarestillhighlycontroversialI4].Theexistingtheorlesofthetwoschools,…     

贝氏体相变简介

钢、有色合金和一些陶瓷材料中都存在贝氏体相变。贝氏体钢正成为有益的工程材料。总结评述切变学派和扩散学派作者们以形貌、动力学或晶体学对贝氏体相变机制所持的论点。钢中贝氏体相变以过饱和铁素体开始形成之说迄未得到支持。一些实验已发现替代（置换）型合金元素在相界面上的偏聚，并以此所呈现的拖曳效应说明相变的不完全现象，切变学者以切变机制来解释这个现象，但此现象不是钢中贝氏体相变的普遍情况。贝氏体形成时呈现帐篷形浮突，不具不变平面应变特征；有时马氏体相变晶体学表象理论能近似地应用于贝氏体相变晶体学，但不能以此来判定其相变机制为扩散或切变。溶质拖曳效应以及高分辨电镜对相界面结构实验、热力学研究、磁场和应力场对贝氏体相变影响以及一些预相变现象都确证贝氏体相变籍扩散机制进行。本文作者定义贝氏体为：在Ms温度以上，经扩散相变的产物，多呈片状，形成时会在自由表面上呈现帐篷形浮突。提出贝氏体相变机制进一步研究和应用的展望。     

Acicular ferrite and bainite in C–Mn and low-alloy steel arc weld metals

Acicular ferrite is recognised as a desirable microstructural constituent in C–Mn and low-alloy steel weld metals. It is Widmanstätten ferrite that nucleates on the spheroidal non-metallic inclusions and grows by a reconstructive (diffusion-controlled) mechanism that proceeds substantially to completion. With increasing alloy content and/or cooling rate, the transformation to acicular ferrite may not be completed before the formation of bainite begins, the efficacy of inclusions in modern weld metal being such that colonies of bainite can nucleate on inclusions, forming by a displacive (shear) transformation mechanism, and producing colonies of similar size to acicular ferrite laths. Hence, in arc welds deposited with modern welding consumables, both acicular ferrite and intragranular bainite may form. As a consequence of the similarity in appearance of these two microstructural constituents in the optical microscope, some confusion in terminology has been introduced into the literature. This review seeks to eradicate this confusion.     

贝氏体相变理论—两个一级相变耦合的模型

建立了一种贝氏体相变的Ｇｉｎｚｂｕｒｇ－Ｌａｎｄａｕ理论模型，该模型设计了贝氏体相变的一种耦合机制，即转变过程包含两个一级相变，一个具有重构特征，另一个为位移相变。由数值计算结果，建议了一种扩散诱导形核机制及扩散伴随伴移生长机制。     

Carbon supersaturation of ferrite in a nanocrystalline bainitic steel

The extremely slow transformation kinetics of a nanocrystalline bainitic steel allows the carbon content of the bainitic ferrite away from any carbon-enriched regions such as dislocations and boundaries to be determined by atom probe tomography as the bainite transformation progresses at 200 °C. A high level of carbon, well above that expected from para-equilibrium with austenite, has been detected in solid solution in bainitic ferrite at the early stage of transformation. Results provide strong evidence that bainite transformation is essentially displacive in nature so that the newly formed bainitic ferrite retains much of the carbon content of the parent austenite.     

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。     

钢中相变的自组织

为深入探讨材料科学理论，研究钢中的相变机制，应用科技哲学的观点分析论述了钢的系统自组织特性，认为钢中的相变具有自组织功能和非线性相互作用。分析了钢在珠光体分解，马氏体转变，贝氏体转变等相变机理，组织形态等方面的自组织及其复杂性，认为相变控制一元化，组织形貌多元化，共析分解是个自组织过程，具有铁素体和渗碳体互为领先相的整合机制，马氏体相变首先产生“准马氏体”形式的结构涨落，通过位错或层错的运动，迅速放大这种涨落，使得原结构失稳，建构一种新结构，即马氏体晶体结构；以孪生切变完成马氏体相变，应当有孪生涨落，放大这种涨落，则以孪晶构成马氏体晶核。贝氏体转变在孕育期内，通过落涨必然形成贫碳区和富碳区；上贝氏体和下贝氏体有不同的转变机制，当然也有各自的转变动力学曲线，实际上各种组织的形貌都是形形色色的。     

金属合金等温相变的体激活能及相变机制I.钢的中温(贝氏体)等温相变

钢的中温(贝氏体)等温处理获得的上、下贝氏体和粒状组织,都具有各自独立的C曲线;在转变初期均能获得单一的组织,而在转变的中、后期通常可获得相邻两组织的复合体.必须用单一组织和Arrhenius关系求相变产物的体激活能.将体激活能、组织形貌和体自由能曲线相结合可诠释下述论点:下或上贝氏体是碳原子扩散控制下在奥氏体中的贫碳或极贫碳区,进行"军队型"(队列式)原子无扩散马氏体样切变相变;而粒状组织是碳原子扩散控制下在奥氏体中的最贫碳区,发生"平民型"(非队列式)原子无扩散界面控制相变.     

锰硅系贝氏体／马氏体复相钢中贝氏体精细结构的研究

利用原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）、透射电子显微镜（TEM）、光学显微镜（OM）等分析手段对锰硅系贝氏体／马氏体复相钢中贝氏体的结构进行了研究。观察到氏碳锰硅钢中的贝氏体组织由亚片条、亚单元组成,利用原子力显微镜（AFM）及透射电子显微镜（TEM）在贝氏体单元中发现有以残余奥氏体膜为分界面的精细结构的存在。观测结果可用贝氏体相变的激发形核－台阶长大机制做合理解释,为锰硅系贝氏体／马氏体复相钢的合金组织设计、组织结构和性能关系的研究提提供了实验依据。     

贝氏体相变的过渡性

应用系统科学理论分析讨论了贝氏体相变的过渡性。认为，中温区的贝氏体相变带有珠光体分解和马氏体相变的双重特征，具有过渡性。上贝氏体转变与珠光体分解有着本质上的区别，但又有密切的联系；而下贝氏体转变与马氏体相变有密切的联系。从整体上看，上贝氏体具有某些珠光体分解的特征；而下贝氏体则具有马氏体相变的特征。贝氏体在转变机理上、动力学上、组织形貌上都存在明显的过渡性。     

微合金化低碳贝氏体型非调质钢的控轧控冷

在热模拟试验机上研究了控轧控冷工艺对微合金化低碳贝氏体型非调质钢组织性能的影响，并探讨了贝氏体转变机制问题。结果表明．控轧控冷代替常规轧后回火工艺的途径是可行的，同时有力地支持了粒状贝氏体的扩散型长大学说。     

贝氏体相变的过渡性特征

对35CrMo钢等多种材料奥氏体化后进行贝氏体等温淬火,得到少量贝氏体+马氏体+残留奥氏体的整合组织。应用JEM-2100透射电镜和QUANTA-400环扫电镜等设备观察了贝氏体组织的形貌和亚结构。综合分析了贝氏体相变的特征。研究表明,过冷奥氏体随着温度的降低具有转变贯序,贝氏体相变在组织形貌、亚结构方面具有过渡性。贝氏体相变动力学具有交叉性、重叠性、变温性和等温性的过渡性特征。贝氏体相变中铁原子和置换原子以非协同热激活跃迁方式位移,表明贝氏体形核长大具有过渡性。     

Structure and mechanism of the formation of granular bainite in steel 20Kh2NACh

At the present time the structure of granular bainite is widely used in heat treatment. The novel technologies include spheroidizing treatment of rolled stock from steel 20Kh2NACh. The composition of the steel provides a structure of granular bainite in rolled strips up to 10 mm wide with their cooling in still air from the temperature attained at the end of hot rolling. After a high-temperature tempering of the strips for 4 h the granular bainite transforms into granular pearlite which is optimum for cold forging. The available published data on the structure of granular bainite are insufficient for explaining the causes of the accelerated transformation. In this connection, it is interesting to investigate the phase composition, the microstructure, and the transformation mechanism of granular bainite. Translated from Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, No. 9, pp. 6–8, September, 1997.     

基于减小热处理畸变的20CrMnMoH高性能齿轮预先热处理工艺

采用理论分析和实验研究相结合的方法,对20CrMnMoH齿轮钢在预先热处理过程中产生贝氏体非平衡组织的现象进行了分析研究。结果表明:20CrMnMoH齿轮钢在常规预先热处理过程中的冷却速度无法控制,过冷奥氏体进行非平衡组织转变,容易得到贝氏体等非平衡组织。根据贝氏体等非平衡组织的组织遗传效应,结合过冷奥氏体等温转变的原理和机制,设计了两次等温正火预先热处理工艺,首次等温正火预先热处理完成了非平衡组织到平衡组织的转变,二次等温正火预先热处理实现了晶粒的细化和均匀化。通过工艺优化控制实现了齿轮锻件的金相组织为1~2级、同批次不同齿轮锻件硬度差≤5 HB的技术指标。成品齿轮的精度可以达到6级,验证了预先热处理对减小齿轮热处理畸变、提高齿轮精度的有效性。     

铌对管线钢连续冷却过程相变温度和显微组织的影响

通过热模拟试验,研究了相同的工艺条件下不同Nb含量管线钢的组织及性能,分析了合金元素Nb对相变温度、显微组织、显微硬度的影响。结果表明,在同样工艺条件下,随着Nb含量的增加,过冷奥氏体连续冷却相变温度降低,尤其在冷速较低时(1℃/s),相变开始温度降低约70℃,结束温度降低100℃以上,显微组织中出现明显的粒状贝氏体及针状铁素体;Nb促进低温贝氏体组织的形成,并且细化晶粒,使材料的显微硬度升高。     

低碳Si-Mn系TRIP钢的热处理工艺对组织的影响

低碳Si-Mn系TRIP钢有着复杂的显微组织，主要由多边形铁素体（F）＋无碳贝氏体（B）＋残留奥氏体（AR）组成。本试验采用了彩色金相法，并结合X－ray衍射、SEM和TEM等手段研究了低碳Si-Mn系TRIP钢显微组织与工艺的关系，发现随着两相区退火温度的升高，最终显微组织中铁素体基体体积分数变小，并且贝氏体量增多，残留奥氏体的稳定性呈起伏式变化；在贝氏体转变区的等温温度过高或过低，均使最终显微组织中残留奥氏体体积分数减少；在贝氏体转变区等温时，所形成贝氏体表现出粒状的特征。     

16MnR钢板冷冲压开裂与显微组织的关系

用电子显微镜观察和分析了16MnR钢板冲压裂纹的显微组织。结果表明，开裂的主要原因是显微组织中有贝氏体型（粒状贝氏体、块状反应产物）非平衡组织。该组织在光学显微镜下很难与铁素体加珠光体组织区别。试验结果为预防和解决16MnR钢板冲压开裂提供了理论依据。     

Cr元素及轧后控冷工艺对高强H型钢组织性能的影响

针对高强H型钢的开发,研究了Cr元素及轧后控冷工艺对高强H型钢组织性能的影响。利用Jmatpro软件、光学显微镜、ImagePro-Plus等试验方法对含Cr和不含Cr两种试验钢的奥氏体连续冷却转变(CCT)曲线,组织演变、力学性能及强韧化机制进行了研究。结果表明,随着冷速的增加,钢中铁素体和珠光体体积分数逐渐减小,当冷速达到一定时,钢中开始出现针状铁素体,且铁素体基体中有粒状贝氏体出现;Cr元素的加入,降低了奥氏体临界转变温度,抑制了铁素体和珠光体转变,并有效推迟了贝氏体转变。因此,含Cr钢更易于获得细小的铁素体组织且增加了贝氏体的形成倾向,有利于钢的强度尤其是抗拉强度的提升,但降低了其塑性和韧性。