板条状FCC/ BCC相界结构和长大机制

魏氏铁素体、上贝氏体和板条马氏体均是过冷奥氏体板条状相变产物,它们的ＦＣＣ／ＢＣＣ相界都接近（１１１）ｆ密排面。本文用高分辨电镜在原子尺度上观察证实了板条马氏体相界台阶—位错结构,结合相变晶体学改进了板条马氏体和魏氏铁素体相界结构模型,这两个模型代表了（１１１）ｆ／（０１１）ｂ原子界面外延匹配可能的位错配置类型,同它们各自的长大动力学相容。贝氏体不可能有上述二者之外的相界结构,应通过试验确定,它属于上述两种模型中哪一种。文中研究表明,结合相变晶体学精确地实验和分析贝氏体相界结构,并借以考察其长大本质至关重要     

贝氏体巨型台阶和界面结构

使用ＴＥＭ和ＨＲＥＭ分别对贝氏体铁素体和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金贝氏体台阶形貌和界面结构进行了观察。钢中贝氏体铁素体和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金贝氏体宽面上存有单台阶、多台阶、系列台阶和三维台阶。贝氏体铁素体台阶高度为６～１６０ｎｍ，相当于｛１１１｝晶面１０００个原子层厚度。Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金台阶高度为几个至几十个纳米。贝氏体铁素体有与马氏体不同的丰富的精细结构。贝氏体铁素体和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中有丰富的台阶和巨型台阶。文中讨论了贝氏体的相变机制。     

钢中马氏体和贝氏体基体组织的特征

板条马氏体和贝氏体组织中板条柬和板条块尺寸的细化对于高强度结构钢的强化和韧化是重要的。在奥氏体晶界形核的贝氏体铁素体的晶体取向（变体）强烈地受制于其形核处即奥氏体晶界的性质,在小过冷度下产生粗大的板条束／板条块。当相变温度降低或碳含量减少时,更多的贝氏体铁素体变体在晶界形成,细化了板条束和板条块尺寸。这是由于形核能力较小的贝氏体铁素体变体更容易以较大的驱动力形成,而且由于塑性协调的抑制,伴随不同贝氏体铁素体变体形成而产生的相变应变的自协调也增加。尽管是类似的变体选择,但含碳量的增加将导致板条马氏体中板条柬／板条块的尺寸减小。这是因为在Ms温度下驱动力随含碳量的变化较小,以及马氏体转变温度比贝氏体的低,能在更大范围内自协调。     

预相变马氏体对超级贝氏体钢组织热稳定性的影响

为明确超级贝氏体组织失稳机制以及探索提高超级贝氏体钢中残余奥氏体热稳定性的方法,通过预相变马氏体工艺,即在等温贝氏体相变前引入预相变马氏体,制备了中碳超级贝氏体钢。对比分析了回火前后中碳超级贝氏体钢显微组织和力学性能的变化,研究了预相变马氏体对中碳超级贝氏体钢中贝氏体组织及残余奥氏体热稳定性的影响。结果表明:预相变马氏体的存在能够细化贝氏体铁素体板条,提高残余奥氏体含量和热稳定性。预相变马氏体的引入及其对超级贝氏体组织的细化作用使得试验钢的屈服强度超过1 000 MPa,伸长率大于20%;300~600 ℃回火1 h后,高碳薄膜状残余奥氏体首先发生分解,形成细小的碳化物,然后贝氏体铁素体板条发生回复和再结晶,形成沿原板条方向的铁素体晶粒;600 ℃回火后试验钢的屈服强度仍与回火前相当,主要是预相变马氏体周围的薄膜状残余奥氏体未发生明显分解,能够抑制相邻贝氏体铁素体板条的回复。     

贝氏体相变理论研究工作的主要回顾

贝氏体分上贝氏体和下贝氏体。粒状贝氏体和准贝氏体为贝氏体转变的初级阶段,粒状组织不属于贝氏体。各类组织均有自己的Ｃ曲线。由Ｃ曲线组成中温ＴＴＴ图,能形成几个海湾。贝氏体预相变期发生溶质原子偏聚,贫溶质区邓形核益。贝氏体在溶质原子扩散影响下相变基元沿缺陷面方向切变而增宽（厚）,板条端部区相变基元平均叠加而伸长。贝氏体在晶体学上有切变性质,在热力学上有切变可能。     

X10管线钢在拉伸过程中的显微组织变化研究

通过金相和TEM分析了X10管线钢在拉伸过程中的显微组织变化。结果表明,试验钢组织主要由马氏体、贝氏体及铁素体组成,各组织均匀分布;铁素体生长完整,边界清晰,板条状马氏体平行排列,长条状贝氏体位于铁素体间;马氏体与贝氏体板条间大角度取向差有利于试验钢塑性与疲劳强度的提高;位错堆积处的析出相呈弥散分布,这些析出相能提高钢材强度,同时阻止应变过程中析出导致的时效。     

含Cu低碳钢CCT曲线及马氏体相变原位观察

利用Linseie L78 RITA淬火/相变热膨胀仪,测定了一种含Cu低碳钢的相变点,绘制了连续冷却转变曲线,结合光学显微镜和显微硬度法分析了冷却速率对相变组织演变规律的影响,利用高温激光共聚焦显微镜对马氏体相变过程进行了原位观察。结果表明:冷却速率为0.5~8℃/s时,随冷却速率的增加,铁素体含量减少,粒状贝氏体(GB)逐渐演变为板条贝氏体(LB),硬度逐渐升高;冷却速率大于15℃/s时,组织全部为板条马氏体。原位观察表明马氏体优先在晶界或晶内位错塞积处形核,新生马氏体在先形核马氏体板条间以一定取向形核长大。     

贝氏体巨型台阶和界面结构

使用ＴＥＭ和ＨＲＥＭ分别对贝氏体铁素体和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金贝氏体台阶形貌和界面结构进行了观察。钢中贝氏体铁素体和Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金贝氏体宽面上存在有单台阶、多台阶、系列台阶和三维台阶。贝氏体铁素台阶高度为６－１６０ｎｍ，相当于（１１１）晶面１０００个原子层厚度。Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金台阶高度为几个至几十个纳米     

两段式冷却对C-Mn钢奥氏体中温转变的影响

采用Formastor全自动相变仪进行了两段式冷却条件下C-Mn钢的热膨胀试验,并结合组织观察和显微硬度测量,研究了冷却速度以及发生部分先共析铁素体转变对奥氏体中温转变的影响。结果表明:随着冷却速度的增大和先共析铁素体含量的增加,贝氏体相变开始温度和结束温度均降低,贝氏体转变量减少;奥氏体随冷却速度的增大,转变产物由铁素体+珠光体逐渐变为魏氏组织铁素体+珠光体、网状铁素体+魏氏组织+贝氏体、马氏体的趋势;而对已发生部分先共析铁素体转变的过冷奥氏体,随先共析铁素体含量的减少,组织由魏氏组织+贝氏体向魏氏组织+马氏体转变。     

贝氏体相变理论研究进展

总结了国内外贝氏体相变理论研究领域的主要研究成果，急论焦点和重大分歧，涉及贝氏体相变过程伴随的表面浮凸效应，相变产物晶体学，贝氏体铁素体的“中脊”和“边脊”，下贝氏体碳化物的析出形态等，研究了贝氏体碳化物的不同特殊析出形态和α／γ相界面的巨型台阶，提出贝氏体铁素体可能按置换型原子体扩散控制台阶机制长大。     

Fe—Ni合金贝氏体长大原位观察

利用透射电镜观察了Ｆｅ－３０ｗｔ－％Ｎｉ合金贝氏体铁素体／奥氏体界面结构，并利用透射电镜高温样品对贝氏体铁素体台阶长大进行了原位动态观测。结果表明，铁素体呈台阶长大形态，在铁素体／奥氏体宽面上存在Ｂｕｒｇｅｒｓ矢量为［１１１］ｂ型的刃型错配位错，铁素体台阶的增厚速率与按Ｚｅｎｅｒ－Ｈｉｌｌｅｒｔ方程计算结果相符。为关于贝氏体生长台阶长大机制提供实验证据。     

Ni10Co14钢的二次硬化过程的TEM观察

用电镜薄膜技术研究了Ｎｉ１０Ｃｏ１４钢的淬火和回火的组织结构，着重研究了强度－回火温度曲线峰值附近的结构，研究表明，Ｍ２Ｃ的形核机制是复杂的，综可以在基体位错、马氏体板条边界析出，也可由Ｍ３Ｃ的原位转变于铁素体／渗碳界面形核析出；合金在４４０℃附近回火５ｈ显示出二次硬化峰，具有稳定的高度密度位错的马氏体与自基体共格析出的Ｍ２Ｃ粒子共同作用是二次硬化的主要组织因素。     

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。     

贝氏体相变理论研究进展

总结了国内外贝氏体相变理论研究领域的主要研究成果、争论焦点和重大分歧，涉及贝氏体相变过程伴随的表面浮凸效应、相变产物晶体学、贝氏体铁素体的“中脊”和“边脊”、下贝氏体碳化物的析出形态等；研究了贝氏体碳化物的不同特殊析出形态和α／γ相界面的巨型台阶；提出贝氏体铁素体可能按置换型原子体扩散控制台阶机制长大。     

铁基合金马氏体的切变过程

根据铁合金中马氏体相变的Ｋ－Ｓ位向关系，提出了马氏体的形核长大相变位错模型，并推导出马氏体切变过程的数学表达式。这些表达式弥补了马氏体转变晶体学唯象理论（ＰＴＭＣ）的缺陷，对钢中马氏体亚结构（孪晶和位错）的形成提出了新的晶体学几何解释。     

冷却速度对675装甲钢显微组织的影响

利用差分膨胀仪、金相及透射电镜研究了675装甲钢过冷奥氏体在不同冷却速度下的相变过程及产物。结果表明，冷却速度在3℃／min-2000℃／min范围内，随冷速的增大，675装甲钢中发生的组织转变变化很大，相变产物依次蹦现粒状贝氏体（粒B）、上贝氏体（上B）、下贝氏体（下B）以及片状和板条混合马氏体（M）。此外，675装甲钢具有相当好的淬透性，临界淬火速度为25℃／min，Ms点为320℃。     

Fe－Ni合金贝氏体长大原位观察

利用透射电镜观察了Ｆｅ—３０ｗｔ—％Ｎｉ合金贝氏体铁素体／奥氏体界面结构，并利用透射电镜高温样品台对贝氏体铁素体台阶长大进行了原位动态观测。结果表明，铁素体呈台阶长大形态，在铁素体／奥氏体宽面上存在Ｂｕｒｇｅｒｓ矢是为［１１１］ｂ型的刃型错配位错，铁素体台阶的增厚速率与按Ｚｅｎｅｒ—Ｈｉｌｌｅｒｔ方程计算结果相符。为关于贝氏体生长台阶长大机制提供实验证据。     

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。     

Cu－Zn－Al合金中马氏体和贝氏体浮突的原子力显微镜研究

首次采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的马氏体浮突和贝氏体浮突进行了定量观测。在此基础上，将ＡＦＭ的测量结果与马氏体相变表象理论（ＰＴＭＣ）进行了对比，发现马氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论相符合，而贝氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论不符合，说明贝氏体相变机制与马氏体不同，不可能是切变机制；同时发现贝氏体浮突是一组贝氏体亚单元所造成的浮突组成的浮突群     

Cu—Zn—Al合金中马氏体和贝氏体浮突的原子力显微镜研究

首次采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的马氏体浮突和贝氏体浮突进行了定量观测。在此基础上，将ＡＦＭ的测量结果与马氏体相变表象理论（ＰＴＭＣ）进行发对比，发现马氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论相符合，而贝氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论不符合，说明贝氏体相变机制与马氏体不同，不可能是切变机制；同时发现贝氏体浮突是一组贝氏体亚单元所造成的浮突组成的浮突群。