變溫馬氏體相變動力學實驗觀察及立體圖像模擬

胡義祥,陳秉智,梁攀,楊玉琦,吳昌華

(大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)

在金屬固態相變領域里，馬氏體相變是一種比較復雜的相變.馬氏體相變有多種，變溫馬氏體相變是其中之一，它除了一般馬氏體相變共有特點，轉變速度快(約1 000 m/s)以及體積膨脹外，又多了一種溫度因子.而如何能在變溫條件下，實現觀察和記錄高速進行的馬氏體相變過程這一問題，至今沒有解決.近年來很少見到有關這方面實驗工作的報道.在教科書及有關專論中[1-5]見到的只是一些零星金相圖片及相變溫度和轉變量之間關系的相變動力學曲線，而有關已經建立的變溫馬氏體相變動力學的理論公式，因與實驗結果不符而遭到質疑[6-7]，現今文獻中廣泛采用的是經驗公式[8].本文旨在應用馬氏體回火后用硝酸酒精溶液浸蝕可以變黑的方法測定在馬氏點以下不同溫度馬氏體相變過程，為進一步研究打好實驗基礎.

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料和設備

實驗采用優質高碳T10A圓鋼，金相組織為均勻細小的粒狀珠光體，用機械加工方法制成φ12 mm×20 mm金相試樣.經熱處理后用線切割沿試樣中部橫向切開用以制作金相試樣.加熱設備為KSL-1700系列高溫箱爐.測溫采用518P智能調溫儀.金相觀察采用Leica DCM3D材料共聚焦顯微鏡.

1.2 熱處理方案

熱處理方案如圖1所示，試樣加熱到1 150℃高溫后迅速投入到20℃含5%NaCl鹽水溶液中急冷，使得試樣冷卻曲線不與等溫曲線相割，越過珠光體、屈氏體相變區，而后轉入預定的馬氏體點Ms以下油浴中，等溫淬火并保溫30 min，對已轉變的馬氏體回火，使其變為黑色，最后將試樣投入20℃含5%NaCl鹽水溶液中淬火，使尚未轉變的奧氏體為白色，已轉變的回火馬氏體為黑色，這樣測定黑色馬氏體變化，就知道馬氏體相變的過程.

圖1 熱處理方案

1.3 熱處理操作之關鍵

由圖1可見，能否達到觀察變溫馬氏體相變動力學目標，成敗關鍵在于控制試樣在鹽水中停留的時間與冷卻速度，若冷速太慢，冷卻曲線與等溫曲線上部珠光體—托氏體部分相割如圖1中A，出現珠光體—托氏體+回火馬氏體+馬氏體混合，顯微組織如圖2(a)和圖2(b).如果在鹽水中停留太長，冷速太快達到鹽水溫度，如圖1中C，奧氏體全部淬火呈灰色的馬氏體，得不到黑色的回火馬氏體,如圖2(c).經過試驗摸索確定試樣加熱時間為20 min，加熱溫度為1 150℃鹽水中淬火停留時間為4～5 s.

(a)

(b)

(c)圖2 冷卻速度和金相組織關系

2 實驗結果及分析

2.1 金相組織

由于馬氏體晶體比較細小，為了很好地看清所獲結果，圖像采取了100、500、1000、2 000倍4種倍數，既能在低倍了解顯微組織宏觀形貌及分布狀況，又能在高倍看清各種細節，并對每一試樣內部選取兩個有代表性地方攝取金相圖像.圖3所列為1 000倍圖片.

綜觀上列結果可以看到：

(1)個別試樣奧氏體晶界出現微量淬火屈氏體;

(2)馬氏體成核主要在晶內;

(3)馬氏體大小分為3種：

(a)150～190℃區間淬火，生成與奧氏體晶粒尺寸相當的粗大馬氏體，稱為第1代馬氏體;

(b)100～150℃區間淬火，生成與被第1代馬氏體分割后小塊奧氏體尺寸相當的較小馬氏體，稱為第2代馬氏體;

(c) 20～100℃區間淬火，母體奧氏體繼續被馬氏體切割縮小，生成極細小馬氏體，稱為第3代馬氏體.

(a) 淬火-190℃保溫-淬火組織

(b) 淬火-170℃保溫-淬火組織

(c) 淬火-150℃保溫-淬火組織

(d) 淬火-130℃保溫-淬火組織

(e) 淬火-100℃保溫-淬火組織

(f) 淬火-50℃保溫-淬火組織

(g) 淬火到室溫組織圖3 淬火到不同溫溫度時的金相組織

2.2 馬氏體含量與淬火溫度關系

采用Proplus圖像分析軟件及數點法，測定上述不同溫度等溫淬火+回火試樣中黑色馬氏體含量百分率.為保證測定有一定精確度，每個試樣攝取40張圖片.測定結果如圖4所示.馬氏體轉變量和淬火溫度關系曲線，其外形和有關專著中廣泛引用的相似[1-8].

2.3 馬氏體的形狀參數

馬氏體的形狀參數對于進一步分析變溫馬氏體相變機理是不可缺少的重要參量.

由上列金相圖片可見，馬氏體形狀大多為針狀和竹葉狀，按照體視學原理，假設馬氏體為薄透鏡狀.考慮到原始奧氏體晶粒大小不均勻性見圖3，形成的馬氏體大小也是不均勻的，故不能采取在截面上尋找最長的馬氏體長軸和最短的馬氏體短軸的馬氏體的方法，確定馬氏體的形狀系數[9]，而采取如下方法：

2.3.1 第1代馬氏形狀參數測定

2.3.1.1 用統計平均值方法測定馬氏體形狀參數

對第1代馬氏體相變終點溫度T1E=150°，f1E=14.57%，淬火試樣見圖3，進行初步測試，得到馬氏體形狀參數如圖5及表1.

圖5 某視野馬氏體形態參數

表1 第1代馬氏體形狀參數

馬氏體的體積：

V試=3.141 6×10-5mm3

(1)

單位體積馬氏體個數：

NV試=f1E/V試=4 637個/mm3

(2)

2.3.1.2 用體視學方法校核[9]

測定單位面積上馬氏體個數統計平均值如圖6所示.

視野尺寸：253 μm×187 μm

馬氏體的平均個數：20.4個/每視野單位面積馬氏體個數的統計平均值：

NA=431個/mm2

(3)

按體視學平面轉換成立體公式：

(4)

其中,NV為單位體積馬氏體個數.

圖6 各視野馬氏體數量

(5)

NV=5 490個/mm2

(6)

而馬氏體體積V與NV及轉變量f有如下關系：

V=f/NV

(7)

將f=f1E及式(6)NV值代入式(7)便得：

V=2.653 9×10-5mm3

(8)

2.3.1.3 修正

按采用統計平均值方法1，測量馬氏體長短軸a、b，得到：

V試=3.141 6×10-5mm

NV試=4 637個/mm3

而按采用體視學方法2，測量單位面積馬氏體個數NA得到：

V=2.653 9×10-5mm3

NV=5 490個/mm2

由上列數據可見，用2種方法測定的馬氏體體積V和單位體積馬氏體個數是略有差別的，應怎么修正呢？由圖3金相圖片可見，測NA要比測形狀參數a、b容易可信度高，因測NA只需測1個參數，而測形狀參數需測兩個參數，其中b值較小，不易測正.故采取以方法2測定的式(6)Nv值和式(8)V值為準，對以方法1測定的式(1)V值和式(2)NV值修正.使其滿足式(6)和式(8)要求，在修正形狀系參數系數中a比較長容易測量，b小不易測正，故采取a不變，用改變b方法與式(8)的V值擬合，擬合結果列于表1中.

2.3.2 第2代、第3代馬氏體形狀參數測定

對于體積小、個數多的第2代、第3代馬氏體，由于互相交錯，測定NA困難，故直接采用統計平均值方法，獲得結果如表2.

表2 馬氏體形狀參數 mm

2.4 馬氏體的體積與淬火溫度關系

由表2所列三代馬氏體形狀參數計算所得體積如表3所列，將表3數據代入圖4，便得馬氏體體積大小與淬火溫度關系曲線如圖7，馬氏體體積在各相變區間恒定，曲線出現階梯狀平臺.

表3 第1、2、3代馬氏體體積 mm3

圖7 馬氏體體積大小與淬火溫度關系

2.5 變溫馬氏體個數與淬火溫度的關系

單位體積馬氏體個數N與轉變量f及體積V之間有如下關系：

(8)

上列結果表明，用圖像元素來表示相變動力學過程，它不僅能測出相變產物含量，而且還能顯示出品體大小、個數等顯微組織參量，這是它的有點，它的不足之處是操作復雜.

表4 將圖4f-T圖轉換為圖8N-T圖

圖8 淬火溫度和馬氏體個數關系

2.6 變溫馬氏體相變動力學圖像模擬

找到了f-T;v-T;N-T變溫馬氏體相變動力學關系曲線,在不同的淬火溫度可以找到馬氏體轉變量f;體積v;單位體積個數N,由于馬氏體體積很小，為μm～nm量級，所以通常采用顯微鏡放大倍數和視場.在圖片中便會包含大量的馬氏體，使得進一步用圖像演示相變動力學工作發生困難.為了解決這個問題，我們按照如下縮小視察空間減少馬氏體個數的方法，建立用圖像方式演示的變溫馬氏體的相變動力學過程.

2.6.1 縮小視察空間，減少馬氏體個數

以如圖9所示的第1代馬氏體T1E點為起點，計算單位體積馬氏體個數N1E.

圖9 按式(13)尋找第2代馬氏體轉變量fX

由圖9可得第1代馬氏體轉變終止點，轉變量f1E=14.57%，由圖5可得第1代馬氏體轉變終止點，馬氏體的體積V1E=2.653 9×10-5個/mm3，則第1代馬氏體終點馬氏體個數N1E為：

N1E=f1E/V1E=5 490個/mm3

(10)

1個第1代馬氏體所占空間V1M如下式所示：

這就是說，如果將視察空間由1 mm3，減小為1.821 5×10-4mm3/每馬氏體，則馬氏體的個數就由5 490個減小為1個.這對想用圖像來描述馬氏體動力學工作帶來很大方便.

2.6.2 尋找第2代馬氏體個數NX為N1E正數倍的馬氏體轉變量fX

如圖9所示，由T1E起始生長的單位體積第2代馬氏體個數NX如下式所示：

NX=(fX-f1E)/V2

(11)

其中,V2為第2代馬氏體體積.

令NX為N1E的x倍

NX=x·N1E

(12)

其中,x為正整數，x=1、2、3……

聯合式(11)和式(12)便得：

fX=X·N1E·V2+f1E

(13)

其中,N1E，V2，f1E為已知數，fX為隨變量x而變的函數，利用圖9，按不同fX畫與橫坐標T的垂線，其交點便是TX，但由于TX變化比x小很多，用圖解方法誤差較大.故采用下節所述解析方法求解x與TX之間關系，求NX～TX關系.

2.6.3 求解x與TX之間關系

求解x與TX之間關系，就是將fX～x關系轉換成fX～TX關系.

由圖9查到第2代馬氏體終點

f2E=70%

V2=6.283×10-7mm3

N2E= (f2E-f1E)/V2= 0.882×106個/mm3

N1E=5 490 mm3

x=N2E/N1E=161

即以x為橫坐標時，在f1E與f2E之間可分為161個單元，而當采用溫度T為坐標時：

T1E-T2E=150-100=50

以1℃為單元，可分為50單元.

可見當x每上升1，即第2代馬氏體每生長1個N1E，溫度下降

(14)

(15)

TX=T1E-ΔTX=150-0.31x

(16)

聯合式(13)和式(16)便得出fX與TX的關系.

按式(11)轉換成NX～TX關系，這就得到第2代變溫馬氏體生長的方程：

150-0.31NX=TX

(17)

2.6.4 用圖像演示變溫馬氏體相變動力學

解決了第1代知第2代馬氏體生長問題，還需要考慮馬氏體在母相奧氏體中周圍環境，這對進一步理論分析和計算是有幫助的.

本實驗中所用材料T10A優質高碳鋼，加熱到1 150℃，按YB/T5148-93標準晶粒度為2.5級.

有關計算資料如下：

晶粒截面平均直徑D=0.15 mm;

每立方毫米內晶粒數NG=232個/mm3;

有關馬氏體的計算數據：

第1代馬氏體形狀參數：2a=100 μm，2b=5 μm;

每立方毫米內第1代馬氏體個數N1E=5 490個/mm3;

1個第1代馬氏體所占體積V1M=1.8215×10-4mm3=18.215×105μm3、VG/V1M=23.66,即一個奧氏體可以包容約23個馬氏體單元.

將V1M作為視察變溫馬氏體相變動力學的單元，就使用圖像演示變溫馬氏體相變動力學工作大為簡化.由金相圖片看到馬氏體成核主要在晶內，位置是隨機的，以上分析列出了變溫馬氏體在奧氏體中位置如圖10，變溫馬氏體相變動力學過程如圖11，其中第2代馬氏體只畫了x=2、4、6三個，最多可畫161個.

圖10 變溫馬氏體在奧氏體中所占空間示意圖

圖11 變溫馬氏體相變動學過程示意圖

2.6.5 關于第3代馬氏體

因為第3代馬氏體體積太小，數量太大，沒有畫圖.

3 結論

(1)用回火使馬氏體變黑的方法研究變溫馬氏體相變動力學過程是可行的，它與傳統的膨脹法、電磁法、X光衍射法比較，不僅能獲得馬氏體轉變量和相變溫度關系的相變動力學曲線，還能建立顯微組織與相變溫度關系的動力學曲線，為相變動力學過程機理研究，提供實驗依據.它的缺點是操作比較麻煩.它們之間應互相補充;

(2)用測定變黑馬氏體的方法建立了變溫馬氏體轉變量和轉變溫度關系,變溫馬氏體體積和轉變溫度關系,變溫馬氏體個數和轉變溫度關系;

(3)用定量金相方法建立了變溫馬氏體相變動力學模型，為進一步變溫馬氏體成核和生長動力學的理論計算作準備.