A THERMODYNAMICAL STUDY ON MARTENSITE TRANSFORMATION IN Fe-C ALLOYS

在评述以在工作的基础上,就目前对马氏体相变的认识提出进一步处理的概念。着重对下式的物理含义加以阐述, ΔG~(γ→M)=ΔG~(γ→a)+Δ~(α→M)提出对ΔG~(α→M)估计的概念及运算途径。改进了处理方法并以较新数据计算了ΔO~(γ→a)。由热力学处理直接求得的理论M_s值与典型实验值很好符合,指出纯铁的M_s应为800K,Fe-C合金的M_3与碳浓度及奥氏体在M_s时的屈服强度均呈线性关系;相变驱动力随碳浓度的增大及M_s的下降而增加。     

ON THERMODYNAMIC CALCULATION OF Ms AND ON DRIVING FORCE FOR MARTENSITIC TRANSFORMATION IN Fe-C

为适合电子计算机进行计算,本文将各学者的ΔG_(Fe)~(γ→α)值公式化。应用各种ΔG~(γ→α)的计算模型,如经修正的Fisher,KRC和LFG模型,引入不同的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,计算得到Fe-C合金的M_s温度。经比较后发现:M_s的计算值不仅取决于ΔG~(γ→α)的计算模型,而且极大地依赖于ΔG_(Fe)~(γ→α);若按照LFG模型并取Mogutnov的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,和按照徐祖耀模型并取Kaufman的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,计算所得结果均与M_s的实验值吻合得很好,而徐祖耀模型要比普遍公认的LFG模型简单得多。本文较精确地测定了x_C=0.01—0.05 Fe-C合金的M_s值,它们与Kaufman等人(1962)给出的数据很好吻合。Greninger所得x_C=0.06的M_s实验值看来是偏高的。驱动力的计算值不仅依赖于ΔG~(γ→α)的计算模型,而且还极大地取决于ΔG_(Fe)~(γ→α)值以及所选用的M_s值。计算表明:随含碳量的增加,相变驱动力将单调地增大。     

Fe-C合金M_s的热力学计算及马氏体相变驱动力

为适合电子计算机进行计算,本文将各学者的ΔG_(Fe)~(γ→α)值公式化。应用各种ΔG~(γ→α)的计算模型,如经修正的Fisher,KRC和LFG模型,引入不同的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,计算得到Fe-C合金的M_s温度。经比较后发现:M_s的计算值不仅取决于ΔG~(γ→α)的计算模型,而且极大地依赖于ΔG_(Fe)~(γ→α);若按照LFG模型并取Mogutnov的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,和按照徐祖耀模型并取Kaufman的ΔG_(Fe)~(γ→α)值,计算所得结果均与M_s的实验值吻合得很好,而徐祖耀模型要比普遍公认的LFG模型简单得多。本文较精确地测定了x_C=0.01—0.05 Fe-C合金的M_s值,它们与Kaufman等人(1962)给出的数据很好吻合。Greninger所得x_C=0.06的M_s实验值看来是偏高的。驱动力的计算值不仅依赖于ΔG~(γ→α)的计算模型,而且还极大地取决于ΔG_(Fe)~(γ→α)值以及所选用的M_s值。计算表明:随含碳量的增加,相变驱动力将单调地增大。     

Fe-Mn-C系M_s及马氏体相变驱动力的热力学计算

经 LFG(ΔG~(γ→a))-Mogutnov(ΔG_(Fe)~(γ→a))、徐祖耀(Shu-A)(ΔG~(γ→a))-Orr-Chipman(ΔG_(Fe)~(γ→a))、徐祖耀(Shu-B)(ΔG~(γ→a))-Orr-Chipman(ΔG_(Fe)~(γ→a))组合,均可算得 Fe-Mn-C 合金的 Ms 温度且与实验值十分符合.所得结果经数学处理,得 Fe-Mn-C 系 Ms 与成分的关系为:Ms(K)=817.4-7513.4xc-4141.9x_(Mn)-32083.5x_Cx_(Mn)(LFG)Ms(K)=829.9-7580.5x_C-4166.0x_(Mn)-15727.8x_Cx_(Mn)(SHU-A)Ms(K)=829.2-7276.1x_C-2915.4x_(Mn)-43825.7x_Cx_(Mn)(SHU-B)其线性相关系数均大于0.992.C 和 Mn 浓度均使合金的 Ms 线性地降低,而碳的作用几乎是Mn 的两倍.处理中引入了合金元素交互作用项(x_Cx_(Mn)),表明 C,Mn 相互加剧对 Ms 的影响。随含 C,Mn 量的增加,相变驱动力均单调地增加,而不存在奇异点.Ms 和相变驱动力的计算值均依赖于ΔG_(Fe)~(γ→a)项.     

THERMODYNAMIC CALCULATION OF M_S AND DRIVING FORCE FOR MARTENSITIC TRANSFORMATION IN Fe-Mn-C ALLOYS

经 LFG(ΔG~(γ→a))-Mogutnov(ΔG_(Fe)~(γ→a))、徐祖耀(Shu-A)(ΔG~(γ→a))-Orr-Chipman(ΔG_(Fe)~(γ→a))、徐祖耀(Shu-B)(ΔG~(γ→a))-Orr-Chipman(ΔG_(Fe)~(γ→a))组合,均可算得 Fe-Mn-C 合金的 Ms 温度且与实验值十分符合.所得结果经数学处理,得 Fe-Mn-C 系 Ms 与成分的关系为:Ms(K)=817.4-7513.4xc-4141.9x_(Mn)-32083.5x_Cx_(Mn)(LFG)Ms(K)=829.9-7580.5x_C-4166.0x_(Mn)-15727.8x_Cx_(Mn)(SHU-A)Ms(K)=829.2-7276.1x_C-2915.4x_(Mn)-43825.7x_Cx_(Mn)(SHU-B)其线性相关系数均大于0.992.C 和 Mn 浓度均使合金的 Ms 线性地降低,而碳的作用几乎是Mn 的两倍.处理中引入了合金元素交互作用项(x_Cx_(Mn)),表明 C,Mn 相互加剧对 Ms 的影响。随含 C,Mn 量的增加,相变驱动力均单调地增加,而不存在奇异点.Ms 和相变驱动力的计算值均依赖于ΔG_(Fe)~(γ→a)项.     

THERMODYNAMICS OF BAINITIC TRANSFORMATION IN Fe-C ALLOYS(LFG MODEL)

由 LFG 模型计算贝氏体相变三种可能过程的相变驱动力和 KRC 的结果基本相近,但在高碳合金显示差别.认为对处理间隙固溶体,LFG 模型似略胜一筹.但两个模型所得均以ΔG~(γ→a+Fe_3C)为最大,ΔG~(γ→a+γ_1)次之,ΔG~(γ→a′)最小,ΔG_N~(γ→a′)更远远低于ΔG_N~(γ→a+γ_1)。在 Bs(或 Bs 附近)温度,对 x_γ=0.01—0.02;LFG 的ΔG~(γ→a+γ_1)为-190—-237Jmol~(-1);对 x_γ=0.0235合金,LFG 的ΔG~(γ→a′)和ΔG~(a′→a″+Fe_3C)之和仅-181Jmol~(-1).本文再次表明,按热力学,至少在上部温度,贝氏体不可能以切变机制形成.由形核(长大)驱动力的计算证明,亚共析钢共析反应的领先相为铁素体,而过共析钢的领先相为渗碳体.     

Fe-C合金贝氏体相变热力学(LFG 模型)

由 LFG 模型计算贝氏体相变三种可能过程的相变驱动力和 KRC 的结果基本相近,但在高碳合金显示差别.认为对处理间隙固溶体,LFG 模型似略胜一筹.但两个模型所得均以ΔG~(γ→a+Fe_3C)为最大,ΔG~(γ→a+γ_1)次之,ΔG~(γ→a′)最小,ΔG_N~(γ→a′)更远远低于ΔG_N~(γ→a+γ_1)。在 Bs(或 Bs 附近)温度,对 x_γ=0.01—0.02;LFG 的ΔG~(γ→a+γ_1)为-190—-237Jmol~(-1);对 x_γ=0.0235合金,LFG 的ΔG~(γ→a′)和ΔG~(a′→a″+Fe_3C)之和仅-181Jmol~(-1).本文再次表明,按热力学,至少在上部温度,贝氏体不可能以切变机制形成.由形核(长大)驱动力的计算证明,亚共析钢共析反应的领先相为铁素体,而过共析钢的领先相为渗碳体.     

Cu-Al合金贝氏体相变热力学

对x_(Al)=0.24合金贝氏体相变的两种机制的相变驱动力ΔG~(p_1→a’)及ΔG~(β_1→β_2~(+a))进行了热力学计算,结果表明,在贝氏体相变温度范围680—750K内,ΔG~(β_1→α’)>0,这说明贝氏体相变的开始不可能按β_1→α’的切变型机制进行,在700K只产生5%的α时,α的成分至少降到x_(Al)~α=0.204,才能使ΔG~(β_1→β_2~(+α))<0,而在750K,则至少需满足x_(Al)~α≤0.209,才有ΔG~(β_1→β_2~(+α))<0,说明贝氏体相变须按β_1→β_2+α扩散型机制进行,且转变温度不同,所需扩散量也不同。     

THERMODYNAMICS OF THE MARTENSITIC TRANSFORMATION IN Fe-X-C SYSTEMS

Fe-X-C系马氏体相变时的△G_(Fe-X-C)~(γ→α)为:△G_(Fe-X-C)~(γ→α)=_(xFe)△G_Fe~(γ→α)+_(XC)RT×ln_(γ_C~α/γ_C~γ)+x_i△G_i~(γ→α)+△Ω~(γ→α)其中γ_C~α和γ_C~γ分别表示碳在Fe-X-C系铁素体和奥氏体内的活度系数.对Fe-Ni-C和Fe-Cr-C系所求得的M_S值和实验值很好符合.碳在Fe-X-C系的活度值及对奥氏体的强化作用主要决定Fe-X-C系的M_s值.碳是决定Fe-X-C系相变驱动力的主要元素.     

Fe-X-C系马氏体相变热力学

Fe-X-C系马氏体相变时的△G_(Fe-X-C)~(γ→α)为:△G_(Fe-X-C)~(γ→α)=_(xFe)△G_Fe~(γ→α)+_(XC)RT×ln_(γ_C~α/γ_C~γ)+x_i△G_i~(γ→α)+△Ω~(γ→α)其中γ_C~α和γ_C~γ分别表示碳在Fe-X-C系铁素体和奥氏体内的活度系数.对Fe-Ni-C和Fe-Cr-C系所求得的M_S值和实验值很好符合.碳在Fe-X-C系的活度值及对奥氏体的强化作用主要决定Fe-X-C系的M_s值.碳是决定Fe-X-C系相变驱动力的主要元素.     

THERMODYNAMICS(KRC MODEL)OF THE BAINITIC TRANSFORMATION IN Fe-C ALLOYS

以改进的KRC模型决定AG~(γ→α)的方法,计算了Fe-C合金贝氏体相变可能机制:γ→α+γ_1,γ→α+Fe_3C以及γ→α(浓度相同)和α′→α_B~″(贝氏体铁素体碳浓度)+Fe_3C的相变驱动力和长大(形核)驱动力.相变驱动力以γ→α+Fe_3C为最大,γ→α+γ_1次之,γ→α最小.由奥氏体转变成同成分铁素体(γ→α)的长大驱动力远小于γ→α+γ_1的长大驱动力.在贝氏体形成温度范围内,γ→α的驱动力远小于切变机制所需的驱动力.0.1—0.55wt,%C合金在B_s温度时γ→α+γ_1的相变驱动力仅约—45Jmol~(-1).0.8wt %C合金在贝氏体形成上限温度(823K)时γ→α的相变驱动力为137Jmol~(-1),而α→α+Fe_3C的相变驱动力为-527Jmol~(-1);两者相加,即在贝氏体铁素体析出渗碳体的情况下,相变总驱动力也仅有约-390Jmol~(-1).上述结果表明,贝氏体铁素体很难以切变机制形成和长大.     

Fe-C合金贝氏体相变热力学(KRC模型)

以改进的KRC模型决定AG~(γ→α)的方法,计算了Fe-C合金贝氏体相变可能机制:γ→α γ_1,γ→α Fe_3C以及γ→α(浓度相同)和α′→α_B~″(贝氏体铁素体碳浓度) Fe_3C的相变驱动力和长大(形核)驱动力.相变驱动力以γ→α Fe_3C为最大,γ→α γ_1次之,γ→α最小.由奥氏体转变成同成分铁素体(γ→α)的长大驱动力远小于γ→α γ_1的长大驱动力.在贝氏体形成温度范围内,γ→α的驱动力远小于切变机制所需的驱动力.0.1—0.55wt,%C合金在B_s温度时γ→α γ_1的相变驱动力仅约—45Jmol~(-1).0.8wt %C合金在贝氏体形成上限温度(823K)时γ→α的相变驱动力为137Jmol~(-1),而α→α Fe_3C的相变驱动力为-527Jmol~(-1);两者相加,即在贝氏体铁素体析出渗碳体的情况下,相变总驱动力也仅有约-390Jmol~(-1).上述结果表明,贝氏体铁素体很难以切变机制形成和长大.     

马氏体相变热力学

简介对 Fe—C、Fe—X 和 Fe—X—C 系马氏体相变热力学的处理方法和直接计算 M_S 所得的结果,对面心立方→体心立方(正方)马氏体相变热力学处理获得统一的概念,纠正 Fe—C 中微量碳剧烈降低 M_S 的不正确论点,论证 Fe—X 系中一些偏高的相变温度为 M_s 或表面马氏体的 M_S 温度,澄清了二十余年来对铁基合金相变驱动力错误和矛盾的说法。在合金钢(Fe—X—C 系)中,由碳在奥氏体的活度值可预测碳对 M_S 值下降的倾向。以钴及钴合金为例,述明面心立方→ε马氏体相变中,相变驱动力和层错能较大的金属可由极轴机制形核,相变驱动力很小的合金只能以层错直接形核。     

THERMODYNAMICS OF MARTENSITIC TRANSPORMATION IN β-Cu BASE ALLOYS

提出对β-Cu基合金热弹性马氏体相变的热力学处理。计算了Cu-Zn,Cu-Al及Cu-Zn-Al合金马氏体相变驱动力,T_0温度及M_s温度,M_s的计算值与实验值符合很好。母相有序降低Cu-Zn和Cu-Zn-Al的M_s,但升高Cu-Al的M_s(T_0)。并简介了两种估算非化学自由能的方法。     

β—Cu基合金马氏体相变热力学

提出对β-Cu基合金热弹性马氏体相变的热力学处理。计算了Cu-Zn,Cu-Al及Cu-Zn-Al合金马氏体相变驱动力,T_0温度及M_s温度,M_s的计算值与实验值符合很好。母相有序降低Cu-Zn和Cu-Zn-Al的M_s,但升高Cu-Al的M_s(T_0)。并简介了两种估算非化学自由能的方法。     

三种局部平衡模式下Fe-∑X_i-C合金系相变的超组元模型

将正平衡(Ortho-equilibrium,OE)、准平衡(Para-equilibrium,PE)和忽略分离的局部平衡模型(Negligible/No partition localequilibrium,NPLE)引入超组元模型的计算中,计算了Fe-0.1C-1.5Mn-0.5Si和Fe-0.21C-0.51Mn-0.2Si钢在γ→α+γ’、γ→α+cem转变过程中的相界面浓度、相变驱动力和相变平衡开始温度。3种局部平衡模式下计算得到的Ae3、Ae1与Thermo-Calc计算值和文献实测值吻合较好,误差在4%以内。     

节约型双相不锈钢TRIP效应致塑性增量及其固溶温度依赖性

在Gleeble-3800试验机上进行了经1000～1200℃固溶处理后的节约型双相不锈钢(LDX)的拉伸变形实验,利用TEM分析了其加工硬化特性的微观机制,利用XRD测定计算了不同条件下形变诱导马氏体的饱和转变量。基于加工硬化规律对变形温度(室温～100℃)的敏感性,分别提出了室温变形时TRIP效应诱发塑性增量(或均匀延伸率增量)的量化指标:表观塑性增量(Δe)、单位体积马氏体诱发的平均塑性增量(■)及只与奥氏体稳定性有关的本征塑性增量(Δe*),探讨了固溶温度对它们的影响规律。结果表明:LDX中形变诱导马氏体相变(SIMT)存有γ→ε→α′与γ→α′2种机制,引发TRIP效应并使LDX表现出"三阶段"加工硬化特征。不同固溶温度分别对应不同的临界变形温度(M_d),使LDX在M_d温度变形时不存在TRIP,固溶温度越高,M_d越低、Δe越小。随着固溶温度增加,■逐渐增加,而Δe*则逐渐减小,即奥氏体越稳定,TRIP本征增量越小。此外,■与Δe*均与奥氏体稳定性系数(k)间存在一定的线性关系。     

THERMODYNAMICS OF MARTENSITIC TRANSFORMATION IN Fe-Mn-C AND Fe-Ni-C ALLOYS

A Central Atom Model is introduced and the LFG and Hsu models are modified in order toevaluate the driving force for the martensitic transformation in Fe-Mn-C and Fe-Ni-C al-loys.The results show that the relationship between the driving force and the yield strength ofaustenite at Ms temperature,σ_(0.2)~γ/M_s,fits Hsu's formula;ΔG~=2.1σ_(0.2)~γ/M_s+907J/mol.The M_s temperatures of Fe-Mn-C and Fe-Ni-C alloys are also calculated.Thecalculated results are in good agreement with experimental values.     

奥氏体强化和其中碳含量对马氏体及贝氏体相变的影响

研究了三个Fe-Ni-C合金及三个工业用铜的奥氏体强化对M_s及B_s温度的影响,M_s温度随着奥氏体屈服强度的增加而线性下降,而B_s温度和奥氏体强度之间无任何直接关系。统计了70多个铜种的TTT和CCT曲线,发现在其他合金元素含量及其他条件基本不变的前提下,奥氏体中的碳含量和贝氏体相变开始点B_s之间无任何直接关系,和马氏体相变开始点M_s之间存在着单调的反比关系,发现三个Fe-Ni-C合金的B_s温度与D_c~γ和D_(Fe)~γ成正比线性关系,求出这三个合金TTT图上鼻部温度的△G_v及D_(Fe)~γ,则它们的孕育期正比于Feder等对扩散型相变孕育期公式,说明鼻部温度时贝氏体孕育期受化学自由能差及铁原子扩散的控制。     

退火工艺对Ti-50.8Ni形状记忆合金相变和低温形变特性的影响

用示差扫描量热仪和拉伸试验研究了退火温度Tan和退火时间tan对Ti-50.8Ni形状记忆合金相变和低温形变特性的影响。Tan=350～800℃时,随Tan升高,合金冷却/加热相变类型发生由A→R→M/M→R→A型向A→R→M/M→A型再向A→R/R→A型转变(A-母相,R-R相,M-马氏体),且R相变温度TR先升高后降低,M相变温度TM升高,M相变热滞ΔTM降低,R相变热滞ΔTR(约4℃)基本不变。随tan延长,400℃退火态合金的相变类型A→R→M/M→R→A保持不变,500℃退火态合金的相变类型发生由A→R→M/M→R→A型向A→R→M/M→A型转变,且TM升高,ΔTM降低,TR和ΔTR不变。600～700℃退火态合金的塑性显著大于350～550℃退火态合金。在12℃变形时,600℃以上温度退火态合金呈现SE特性,600℃以下温度退火态合金呈现SME特性。随tan延长,合金应力-应变曲线上的平台应力降低。要使Ti-50.8NiSMA在较低温度下获得SE,退火温度应在600℃以上。