贝氏体钢

贝氏体钢的研究现状与发展前景

现在随着科技的发展，社会对对各种材料的需求在举荐的增多，对材料的性能的要求越来越严格，越来越宽广。然而，钢材是材料的一项大户，所以钢的发展对于才材料发展至关重要，推动整个材料界的发展。

钢铁在热处理过程中的转变主要有三类：1.在较高温度范围的转变是扩散型的，即通过单个原子的独立无规则运动，改变组织结构，其转变产物称之为珠光体，强度低，塑性好；2.钢从高温激冷到低温(Ms温度以下)的转变是切变型的。即原子阵列式地规则移动，不发生扩散，其转变产物称为马氏体，它具有高强度，但很脆，一般通过回火进行调质；3.介于上述二者之间，在中间温度范围的转变；以其发现者贝茵(Bain)命名称为贝氏体相变，具有贝氏体组织的钢叫贝氏体钢。同时，很多重要的有色合金，如铜合金、钛合金等都具有和钢铁相似的贝氏体相变。

其中钢中的贝氏体相变是发生在共析钢分解和马氏体相变温度范围之间的中温转变。

鉴于贝氏体相变是固态材料中主要相变形式之一，其转变机制是材料科学理论的重要组成部分。贝氏体钢和具有贝氏体组织的材料已用于铁路、交通、航空、石油、矿山、模具等国民经济重要部门，并在不断扩大，有可能发展成为下一代高强度结构材料的主要类型之一，因此对其基础和应用基础的研究显得尤为紧迫。

关于贝氏体相变时铁原子的运动方式，最初由柯俊教授等在50年代开展了研究。认为铁原子的以阵列式切变位移方式(与马氏体相似)转变成新的原子排列的，而溶解的碳原子则发生了超过原子间距的长程扩散进入尚未转变的残留相或在新结构中析出碳化物。上述切变位移机制已被欧洲、日本和美国这一领域的主要学者所接受，形成了“切变学派”。但是这个观点，从60年代起受到了美国卡内基麦隆大学学派的挑战，后者认为贝氏体是依靠铁原子扩散和常见的表面台阶移动方式生成的。在过去的30年中，由于实验研究手段的限制，问题一直未能解决，两个学派陷于相持不下的局面。

鉴于贝氏体转变机制是目前国际上两大学派的争论焦点，澄清这一争论不仅对贝氏体转变及相变理论将是一次重大突破，对贝氏体钢及合金的应用也将起到重要的指导作用。为此，从事相变基础研究的我国科学家们，在国家自然科学基金的支持下先后开展了贝氏体相变及贝氏体钢的应用基础研究。从1983年到1989年共计资助12项(批准号：5860248、5860264、5860293、5860312、5860306、5870039、5850301、5830306)。自1986年起将当年资助的六个项目：清华大学方鸿生、西南交通大学刘世楷、上海交通大学俞德刚、天津大学刘文西、西北工业大学康沫狂和北京科技大学柯俊等教授组织起来，成为重点项目“低合金钢贝氏体转变机制及其影响因素研究”，在四年内召开了两次全国贝氏体相变讨论会，开展了不同学术观点与学派之间的自由讨论与争论，从而推动了全国贝氏体研究的进展。

然而在实际的生产和生活中低碳钢的需求量是很大的，所以低碳贝氏体钢的研究有很大前景。工程机械制造、架设桥梁、造船、车辆制造、航空等领域广泛地使用着各种规格的钢板。由于服役条件及焊接工艺的限制，这类用途的钢板不仅要求材料具有足够的强度和塑性，而且还要求具备一定的低温韧性和优良的焊接性能，以适应野外作业和制造工艺的要求。坚持科学的发展观，从资源和成本核算考虑，用户普遍要求使用高性能、低成本的金属材料。低碳贝氏体钢正是为满足这一需求而研发的，已广泛应用于桥梁、建筑、车辆、水轮机壳体、舰船、飞机构件及其它紧固件、轴类件等方面，超高强度的低碳贝氏体钢还将满足这些构件的减重要求。

低碳贝氏体钢是以钼钢或钼硼钢为基础，同时加入锰、铬、镍以及其他微合金化元素(铌、钛、钒)，从而开发出一系列低碳贝氏体钢种。这类钢的含碳量多数控制在0.16%以下，最多不应超过0.120%。由于低碳贝氏体组织钢比相同含碳量的铁素体-珠光体钢具有更高的强度，因此，低碳贝氏体钢种的研发将成为发展屈服强度为450～800MPa级别钢种的主要途径。低碳贝氏体钢中主要添加的合金元素及其作用如下：

(1)碳元素是强间隙固溶强化元素，可提高强度，但不能依靠其提高强度。尽量降低含碳量，即保持一定的韧性，也为了获得良好的焊接性。

(2)钼元素能够使钢在空冷条件下获得贝氏体组织。钼元素使钢的奥氏体等温转变曲线中的铁素体析出出现明显右移，但并不明显推移贝氏体转变，所以过冷奥氏体得以直接向贝氏体转变，而在此前没有或者只有部分先共析铁素体析出，这样也就不再发生珠光体转变。

(3)利用微量硼元素，使钢的淬透性明显增加。钼硼复合作用使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步右移，使贝氏体转变开始线明显突出。为了在空冷条件下得到全部低碳贝氏体组织，钼硼复合作用十分有效。

(4)硅元素是固溶强化元素，使贝氏体转变发生在更低的温度，并使贝氏体转变C曲线右移。

(5)加入其它能够增大钢过冷能力的元素，如锰、铬、镍等，以进一步增大钢的淬透性，促使贝氏体转变发生在更低的温度，目的是获得下贝氏体组织，增加其强度。

(6)加入强碳化物形成元素，即微合金化，以保证进一步细化晶粒。同时，微合金化也可以产生沉淀强化效果。

奥氏体化的钢过冷到Bs(约550℃)至Ms温度范围等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。它是介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变。在贝氏体转变区域没有铁原子的扩散，而是依靠切变进行奥氏体向铁素体的点阵重构，并通过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。一般贝氏体转变会形成3种贝氏体组织:上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体。上贝氏体的形成温度较高，呈羽毛状，性能较差;下贝氏体的形成温度低，其中铁素体片较细，且是位错亚结构，碳化物的弥散度也大，呈针状，性能优良;粒状贝氏体的形成温度最高，是由块状铁素体和岛状的富碳奥氏体所组成，性能优良。

低碳贝氏体钢国际研究现状

国外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及其应用。

2℃·m1/2)，其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性的115倍。低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到工程界的注意，逐步得以推广应用。在此基础上发展了超低碳的控轧控冷贝氏体钢(ULCB钢，含碳量小于0.05%)。McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB 钢，经热机械控制(TMCP)处理后，屈服强度达到700MPa，且具有良好的低温韧性和焊接性能。日本钢铁公司研制了X70和X80超低碳控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500MPa，脆性转变温度(FATT)小于-80℃，它既可以作为低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢。DeArDo等开发出ULCB2100型超低碳贝氏体中厚钢板(含碳量低于0.03%)，通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化的综合作用。该钢种以80%累积变形量进行精轧并随后空冷，其屈服强度可高达