試析低碳鋼形變強(qiáng)化相變的特征

【摘 要】低碳鋼是當(dāng)今應(yīng)用十分廣泛的一種材料，同時(shí)在形變強(qiáng)化的過程主要是形核的過程，在相變徹底結(jié)束之前，形核一直處在變化的過程中，因?yàn)樵谶@一過程中會(huì)受到幾何空間和自身成分變化的一些影響，各個(gè)相的異性都不是非常強(qiáng)，隨著相關(guān)研究工作的不斷深入，研究人員也對(duì)其予以更加深入的研究。本文主要分析了低碳鋼形變強(qiáng)化相變的特征，以供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】低碳鋼；形變強(qiáng)化相變；動(dòng)力學(xué)

低碳鋼在溫度條件為700到1100℃的條件下經(jīng)過反復(fù)的軋制過程中，細(xì)化的鐵素體經(jīng)營(yíng)體顆粒的機(jī)制在這一過程中非常容易發(fā)生形變的情況，在形變強(qiáng)化變相之后還會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶的情況，如果是普通的低碳鋼，晶體細(xì)化的極限值通窗要控制在10微米左右，同時(shí)，因?yàn)榈吞间撛诟邷氐膴W氏體區(qū)域變形的過程中不容易再次獲得比較好的結(jié)晶奧氏體，所以這種方式也是不能實(shí)現(xiàn)的，所以就需要研究出一種新的方法，只有這樣，才能更好的對(duì)其制作予以有效的控制。

1.形變強(qiáng)化相變工藝

低碳鋼經(jīng)過奧氏體化以后相似某一個(gè)溫度當(dāng)中，低碳鋼中奧氏體會(huì)出現(xiàn)溫度過低的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候奧氏體會(huì)自動(dòng)的向鐵素體轉(zhuǎn)動(dòng)，相變?cè)谶@一過程中就得到了一定的鐵素體，但是從整體上來看，其始終處在低能量運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果將這種狀況用熱力學(xué)去解釋，其熱力學(xué)的穩(wěn)定性是非常強(qiáng)的，出現(xiàn)溫度過低的情況也充分的說明，如果在低溫的條件下進(jìn)行相變處理，就會(huì)呈現(xiàn)出小臨街涇河尺寸的特點(diǎn)，如果在這一過程中加速了變形的情況，就說明應(yīng)變?cè)谝肴毕菸恢玫倪^程中，缺陷的動(dòng)態(tài)變化存在著缺陷密度上升的情況，此外，形變的過程中，應(yīng)變能也會(huì)有所變化，這都給原子的擴(kuò)散提供了非常好的條件，使得相變的效率和速度更快，這樣也就使得過冷奧氏體的儲(chǔ)存能量大大的提升，也就是說提供了相變無核的高密度晶體學(xué)缺陷的部位數(shù)量，這樣一來就使得相變的動(dòng)力大大的提升，這種情況通常被我們叫做形變強(qiáng)化相變。

通過上文的闡述我們知道形變強(qiáng)化相變的方式不能使用在微合金鋼的軋制工藝當(dāng)中，同時(shí)它和應(yīng)變誘導(dǎo)相變又存在著非常大的差別，因?yàn)橄嘧冊(cè)跍囟冗^低，同時(shí)在這一過程中也會(huì)出現(xiàn)一定的變形情況，從熱力學(xué)的角度上來說，其性質(zhì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以在這樣的情況下就給工藝的控制和優(yōu)化提供了非常好的條件。

形變強(qiáng)化相變和一定溫度區(qū)間之內(nèi)的兩相區(qū)軋制也存在著非常大的不同，兩相區(qū)軋制在實(shí)行的過程中比較額容易形成粗大的各項(xiàng)異常生長(zhǎng)情況的枝狀鐵素體，這樣一來也就使得形變組織的控制工作變得異常的艱難，最終可能使得整個(gè)組織出現(xiàn)非常顯著的不均勻性，這種不均勻的忑點(diǎn)也可以使得鐵素體晶粒分布的密度和大小都不具有非常好的均勻性，還有可能會(huì)出現(xiàn)鐵素體晶體和第二組織之間出現(xiàn)層狀分布的狀態(tài)。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖a，b分別是通過形變強(qiáng)化工藝獲得的低碳鋼鐵素體細(xì)晶與珠光體（或者離異珠光體、彌散顆粒狀滲碳體等第二組織）彌散分布的組織形貌與晶粒尺寸分布鐵素體晶粒為2-3微米，分布基本均勻。

2.1低碳鋼形變強(qiáng)化相變中的形核位置不飽和機(jī)制

在前文當(dāng)中我們說過，低碳鋼在經(jīng)過奧氏體化之后會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻，當(dāng)其處于過度冷卻狀態(tài)的時(shí)候，奧氏體會(huì)自動(dòng)的向鐵素體方向轉(zhuǎn)變，這個(gè)時(shí)候相變的鐵素體也處在相對(duì)較為低能的狀態(tài)，而這個(gè)時(shí)候其熱力學(xué)性能是比較穩(wěn)定的，我們將這個(gè)過程就叫做形變強(qiáng)化相變。

系統(tǒng)研究表明，與一般意義上的低碳鋼奧氏體向鐵素體相變中的形核長(zhǎng)大過程不同的是，形變強(qiáng)化相變”是一個(gè)以形核為主導(dǎo)的過程，反復(fù)形核是導(dǎo)致這一過程晶粒細(xì)化及組織均勻分布的主要原因.這一形核為主導(dǎo)的過程。

由于晶界上點(diǎn)陣畸變即原子的不規(guī)則排列，鐵素體優(yōu)先在原奧氏體晶界上形核，新相具有較小的界面積，在降低界面能的同時(shí)，所需形核功較低.無論是過冷奧氏體形變強(qiáng)化相變，還是沒有應(yīng)變作用的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變，或者是經(jīng)控軋控冷以后在無應(yīng)變條件下的相變行為，相變形核位置首選都是原奧氏體晶界.但是，在形變強(qiáng)化相變過程中，變形在明顯改變奧氏體晶界的狀態(tài)，增加界面上原子排列混亂程度的同時(shí)，又提高了界面鄰近區(qū)域的畸變能.使得過冷奧氏體相變形核由無應(yīng)變時(shí)的“位置飽和”變?yōu)樾巫冞^程中的“位置不飽和”機(jī)制。

這些類似大角度晶界的面缺陷被鐵素體晶核占滿以后，碳原子將局部富集在新形成的鐵素體與原奧氏體界面前沿，不斷繼續(xù)的變形將起到下述兩方面的作用：（1）應(yīng)力將提高原子的擴(kuò)散系數(shù)，從而加速了碳原子的擴(kuò)散；（2）由于形變的不均勻，在界面前沿的“高碳”奧氏體區(qū)導(dǎo)致較高的“應(yīng)變梯度”，形成所謂的“高畸變區(qū)”.這些畸變區(qū)內(nèi)的高密度位錯(cuò)又可能成為擴(kuò)散的有利通道，促進(jìn)碳原子向奧氏體晶內(nèi)的擴(kuò)散.因而，當(dāng)這些局部的高畸變區(qū)內(nèi)的能量與成分都能達(dá)到鐵素體相變形核的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，新相在已相變鐵素體與原奧氏體界面前沿形核，如此往復(fù)，將鐵素體界面不斷向奧氏體晶內(nèi)推進(jìn).由于隨變形的繼續(xù)，為形核功與新相成分提供了合適的能量及成分條件，相變形核將不斷發(fā)生在鐵素體與未轉(zhuǎn)變奧氏體界面前沿，具有較高的形核率，直到相變基本完成.這就是形變強(qiáng)化相變”鐵素體形核第II階段的模式，顯然，它與“位置飽和”模型截然不同，是構(gòu)成“形變強(qiáng)化相變”、“形核位置不飽和性”模型的主要階段。

2.2轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)

對(duì)于形核一長(zhǎng)大型相變，形核是相變的必要過程.形核過程可以是擴(kuò)散的或無擴(kuò)散的.低碳鋼過冷奧氏體“形變強(qiáng)化相變”中的相變形核過程受擴(kuò)散控制，通過這一過程，晶體結(jié)構(gòu)和成分的改變同時(shí)完成.由于“形變”和“過冷”的共同作用，相變驅(qū)動(dòng)力得到大幅度的提高.在統(tǒng)計(jì)起伏形成結(jié)構(gòu)的不均勻性時(shí)，“過冷”與“形變”有利于奧氏體向鐵素體結(jié)構(gòu)條件的改變；繼續(xù)“形變”在不斷提高晶體缺陷密度的同時(shí)，促進(jìn)了原子的擴(kuò)散過程并增加了擴(kuò)散通道，因而，對(duì)滿足擴(kuò)散形核所需要的結(jié)構(gòu)、濃度和能量起伏條件非常有利.與低碳鋼奧氏體向鐵素體的等溫相變，或者是無變形的過冷奧氏體等溫相變相比，形核“孕育期”明顯縮短，形核位置不飽和，形核率提高，相變動(dòng)力學(xué)顯著加速，得到的是第二組織彌散分布與細(xì)小鐵素體晶粒的復(fù)相組織。

3.結(jié)論

（1）低碳鋼形變強(qiáng)化相變強(qiáng)調(diào)的是奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變?cè)跍囟冗^冷與變形雙重條件下進(jìn)行一方面，過冷與形變共同作用使相變驅(qū)動(dòng)力大幅度提高，導(dǎo)致高的形核率；另外，較低的變形溫度下發(fā)生相變，意味著將具有較小的臨界晶核尺寸，導(dǎo)致組織細(xì)化。

（2）形變加速了相變過程的進(jìn)行.由于變形不斷引入晶體缺陷，該區(qū)形成高畸變區(qū)，為相變不斷提供了許多新的形核位置，晶粒的長(zhǎng)大受到牽制，是一個(gè)以形核為主導(dǎo)的過程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭守真，楊王玥，陳國(guó)安，孫祖慶.鈮對(duì)低碳鋼形變強(qiáng)化相變的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（06）.

[2]許正功，陳宗帖，黃龍發(fā).表面形變強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].裝備制造技術(shù)，2007（04）.

[3]黃青松，李龍飛，楊王玥，孫祖慶.共析鋼的過冷奧氏體動(dòng)態(tài)相變和組織超細(xì)化[J].金屬學(xué)報(bào)，2007（07）.