固态相变新理论论文

固态相变论文

班级：材料08-01

姓名：郑国阔

学号：0808010130

金属固态相变理论研究的最新进展

摘要：已经研究形成一套金属固态相变理论，但有的知识陈旧，且存在错误，因此，开拓创新具有理论意义和应用价值。本文就钢的珠光体和贝氏体转变做了深入研究。通过分析得出钢中共析分解的新机制，对于“相间沉淀”机理做了新的解释，重申了珠光体的新概念。认为：珠光体是共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）构成的整合组织，不是机械化合物。珠光体的形核--长大是以界面扩散为主进行的相变，铁素体和渗碳体两相是共析共生，协同长大，不存在领先相；发现了珠光体转变在预先抛光的试样表面也具有浮凸效应；指出过渡性是贝氏体相变的主要特征，提出了贝氏体和贝氏体相变的新定义。认为以往的热力学计算不准，贝氏体铁素体的相变驱动力约为－905J/mol。提出了切变－扩散整合机制，贝氏体相变的晶核是单相BF，不是共析分解，贝氏体铁素体（BF）在贫碳区形核，是贫碳的γ→α的无扩散相变，不是切变过程，而是以界面替换原子热激活跃迁方式形核长大；钢中贝氏体碳化物（Bc）在γ/α相界面上形核，向奥氏体和铁素体中长大，最终被铁素体包围，是以原子热激活跃迁方式进行的相变。

关键词：固态相变；珠光体；贝氏体；界面扩散；热激活跃迁；扩散；切变；整合。

金属固态相变过程和相变机理极为复杂，而钢中的相变是金属相变中最为复杂的，各种相变机制也存在争议，在争论中金属固态相变理论不断更新和发展发展[1～7]。科学技术哲学告诉人们，自然物质的演化是从量变到质变的过程。应当把“奥氏体珠光体、贝氏体、马氏体”转变系列作为一个整合系统来研究。从整合机制和自组织功能方面以系统整合的方法进行研究。

21世纪以来，奥氏体的形成、马氏体相变和回火转变研究欠活跃，进展缓慢，本文主要介绍珠光体转变和贝氏体相变的最新进展情况。

珠光体是钢中发现比较早的组织，20世纪上半叶对珠光体转变理论进行了大量的研究工作，但60~80年代在马氏体和贝氏体研究的热潮中，珠光体相变的研究被冷落。80年代以后，索氏体组织及在线强化；非调质钢取代调质钢；高强度冷拔钢丝的研究开发等，使珠光体转变的研究有了一定的新进展。但是，共析分解的许多问题实际上并没有真正搞清楚。本文就珠光体的定义、共析分解机理；领先相问题；相间沉淀等阐述其新理论、新认识。

20世纪50年代柯俊第一次对贝氏体相变的本质进行了研究。60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson等学者从能量上否定贝氏体转变的切变可能性。贝氏体相变机制方面形成了切变机制、扩散－台阶机制，切变－扩散复合机制等，并且经历了长达30多年的论争。进入21世纪以来，刘宗昌等人提出了切变－扩散整合机制。继承各类学术观点之所长，开拓创新，实现各类学术观点的整合，以便促进贝氏体相变理论的发展。

1. 珠光体转变新理论

20世纪80年代电镜观察发现了珠光体组织中的长大台阶，提出了台阶转变机制。近年来，作者本人依据对共析分解机理和珠光体本质的研究，发表了

多篇论文，并出版了专着，批驳了某些陈旧和错误的学说，提出了共析分解的新观点、新机制，对于“相间沉淀”机理也做了新的解释，重申了珠光体的新概念。

1.1 珠光体的新概念

概念是理论的细胞[8]，至关重要。以往，许多文献书刊中称“珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物”。此概念产生于20世纪前叶，延续应用至今，陈旧而不正确，理由有三：其一，由铁素体＋渗碳体构成的组织不完全称为珠光体，如碳素钢中的上贝氏体组织也可以由铁素体和渗碳体两相组成；其二，珠光体组织不是混合物，不是混合系统，而是一个整合系统；其三，钢中的珠光体是过冷奥氏体的共析分解产物，其相组成物是共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）。是铁素体和碳化物以相界面的有机结合，有序配合，平衡状态下铁素体及碳化物两相是成一定比例的，有一定的相对量。而且两相以界面相结合，存在金属键，各相之间还具有一定位向关系[4,9]。

钢中的珠光体的定义应当是过冷奥氏体共析分解得到的共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）的整合组织。不是机械混合物。

关于钢中的共析分解，或珠光体转变的定义，一直缺乏，本文给出的定义如下：过冷奥氏体在Ar1温度同时析出共析铁素体和共析渗碳体（或合金碳化物）两相，形成珠光体组织的扩散型的一级相变，称为珠光体转变。

1.2 钢中共析分解的形核

过冷奥氏体共析分解为铁素体和碳化物的整合组织是个自组织的过程[3,8]。按照自然事物演化的自组织理论，具有共析成分的过冷奥氏体在满足下列条件时：(1)远离平衡态（低于A1）；（2）出现随机涨落；（3）非线性相互作用，即可实现共析反应：

1.2.1贫碳区和富碳区

在过冷奥氏体中形成贫碳区和富碳区是珠光体共析分解的一个必要条件。无论是高碳钢、中碳钢、还是低碳钢，加热获得奥氏体组织，奥氏体的成分本来就不均匀，存在贫碳区和富碳区。

按照系统科学的自组织理论[3,8]，过冷奥氏体在一定过冷度（ΔT）下，将出现贫碳区和富碳区的涨落。加上随机出现的结构涨落、能量涨落，一旦满足形核条件时，则在贫碳区建构铁素体核坯的同时，在富碳区也建构渗碳体（或碳化物）的核坯，二者是同时同步，共析共生，非线性相互作用，互为因果，共同组成一个珠光体的晶核（F+Fe3C）。因此，共析分解时，是铁素体和渗碳体共析共生，共同建构珠光体形核（F+Fe3C）的整合机制。至今，尚未观察到珠光体转变时单独的铁素体“领先相晶核”或者单独的渗碳体“领先相晶核”。

1.2.2珠光体形核

35CrMo钢1050℃奥氏体化，在530℃硝盐浴中等温10分钟，然后水冷淬火，得到贝氏体铁素体+珠光体+残留奥氏体的整合组织。图中所示为片层状的珠光体在晶界形核-长大。图中所标的珠光体团尺寸实测为1088nm，而图中a 箭头所指的珠光体团尺寸约为270nm，箭头b所指的珠光体团尺寸约为550nm。这些珠光体团都是由晶核长大的。如果图中的珠光体团的晶核是由一片铁素体+一片碳化物组成，则珠光体晶核的尺寸接近100nm。

2.贝氏体相变新理论

2.1贝氏体相变的过渡性特征

中温转变的贝氏体相变，其相变机制、组织结构更为复杂，具有过渡性质，相变过程和产物在质上和量上均具有过渡性。贝氏体和贝氏体相变更为复杂，其最主要的特征是其相变的过渡性。

2.1.1中温转变是过冷奥氏体转变的中间过渡环节

过冷奥氏体作为一个整合系统，从整体上看，从高温区的扩散性的共析分解到低温区的马氏体无扩散相变是一个逐级演化的过程。全过程可以分为三个不同性质的阶段：即高温区的珠光体转变→中温区的贝氏体相变→低温区的马氏体相变。三个阶段既有联系又有区别，应当把握整合系统的整体性，中温转变是这个系统的中间过渡环节。

碳及合金元素原子的扩散速度随着温度的降低而减慢，是导致分阶段转变的诱因。在高温区，原子扩散能力强，奥氏体进行扩散型的共析分解转变为珠光体组织；而在低温区，Fe原子和替换原子难以扩散，则发生无扩散的马氏体相变；在中温区，碳原子尚有足够的扩散能力，能够长程扩散。但铁原子和替换原子的位移方式是复杂的，界面热激活跃迁是重要方式之一，发生贝氏体相变。

贝氏体转变与共析分解、马氏体相变既有区别，又有联系。表现出从扩散型相变到无扩散型相变的过渡性、交叉性。同时又具有自己的特殊性。它既打上了共析分解的“烙印”，又打上了马氏体相变的“烙印”。

过冷奥氏体作为一个整合系统，从高温区到低温区，从扩散型转变过渡到无扩散型转变，系统自组织功能安排一个过渡区，即中温转变区，是符合自然事物的演化规律的。在相变机制和转变产物的组织结构方面表现为过渡性特征。

3.结论

本文基于大量实验结果和理论分析，对珠光体和贝氏体相变理论提出新的观点、新的理论，如珠光体的新定义、贝氏体相变的切变－扩散整合理论。主要结论如下：

[1] 阐述了珠光体、共析分解、贝氏体、贝氏体相变的新定义。

[2] 过冷奥氏体在一定过冷度下，将出现贫碳区和富碳区的涨落。加上随机出现的结构涨落、能量涨落，非线性的因果正反馈相互作用，在贫碳区和富

碳区同时建构铁素体核坯和渗碳体（或碳化物）核坯，共同组成珠光体的晶核（F+Fe3C），然后协同长大，共析共生，不存在领先相。

[3] 珠光体的形核－长大过程中，碳原子、铁原子和合金元素原子以界面扩散为主，不单是体扩散。

[4] “相间沉淀”是共析分解的一个特例，虽然“相间沉淀”产物的形貌与片状珠光体不同，但本质上就是珠光体组织，其转变机制应当应用共析分解的新理论解释。以往书刊上的机理和图解应当摒弃。

[5] 共析分解中，珠光体的片间距与过冷度之间、珠光体的形核率与合金元素含量之间、珠光体的力学性能与组成相等因素之间，普遍存在非线性关系。

[6] 珠光体转变也存在表面浮凸现象。其成因与相变体积膨胀有关。

[7]过渡性是贝氏体相变的主要特征，在相组成、组织形貌、亚结构等多方面表现过渡性、交叉性。

[8]计算得贝氏体铁素体相变驱动力约为－905J/mol。认为以往以KRC等模型计算的贝氏体相变驱动力太小。

[9]贝氏体铁素体在贫碳区中以γ→α形式形成BF，是无扩散相变，以界

面替换原子热激活跃迁方式形核长大，但不是切变过程，也非扩散过程。

[10]贝氏体铁素体中的碳是过饱和的，约为0.2wt%。在铁素体内部不具备碳化物的形核-长大条件。碳贝氏体化物（Bc）在BF/γ相界面上形核，沿着相界面长大，可以长入奥氏体中，也可以长入亚单元之间，碳化物长大停止后可被铁素体包围。

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