【期刊】论文介绍 | 合金元素配分对珠光体相变热动力学及其奥氏体化影响的研究进展 | 材料工程

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背景

珠光体相变和奥氏体相变均是钢中的典型相变，精确描述和控制钢的相变过程，对新型合金研制及热处理工艺开发均有着十分重要的作用。相变热动力学与合金元素的配分行为密不可分，而珠光体相变及其奥氏体化涉及三相、多元素及多个扩散通道，进一步增大其研究难度。近几十年来，针对珠光体与奥氏体相变出现了大量研究，但鲜有工作对其合金元素配分行为进行系统整理。而清华大学与北京航材院基于前期合作成果，在Q&P工艺的基础上开发了含Mn钢的新型热处理工艺，可获得马氏体与Mn稳定残余奥氏体的复相组织，有望在工业生产中进行推广应用。

02

珠光体相变

珠光体层片间距、元素配分系数与相变热动力学过程密不可分，对于合金钢，一般高温下的相变驱动力较小，珠光体长大缓慢，置换型合金元素具有充分的时间在铁素体与渗碳体间发生配分，所形成的珠光体被称为正平衡珠光体；在低温下的相变驱动力较大，珠光体生长较快，置换型合金元素来不及在两新相间发生配分，所形成的珠光体被称为准平衡珠光体。然而，在工业领域珠光体的应用范围相对较窄，造成其相关的研究未能在学界及工业界获得广泛关注。事实上，合金元素在两相间的配分行为还是非常重要的！作者正是基于层片状珠光体中置换型合金元素的不均匀分布特点，设计出了调控Mn偏聚的热处理工艺。

由于不同的置换型合金元素（M）与C的相互交互作用情况不同，因此在相变过程中，渗碳体与铁素体中的M含量将会产生差异，即M可能会在某一相中形成富集，这种现象被称作M的配分，其配分程度的大小可以用配分系数（k^θ/α）来描述。M与C的交互作用可以用Wagner系数描述，Mn, Cr等元素与C的Wagner系数为负值，因此倾向于在渗碳体（碳含量较高）中富集；Si, Co等元素反之，倾向于在铁素体中富集；Ni的配分行为较为特殊，具有强烈的在奥氏体内富集的趋势，而在铁素体与渗碳体见基本不配分。

除此之外，M的配分情况也与相变温度和保温时间有关（图1），热力学分析可以预测出珠光体相变达到平衡状态时的配分情况，但这与相变刚刚完成后的初始珠光体有较大不同，因此珠光体相变的最终组织不仅与热力学相关，也受动力学影响。

图1  等温珠光体相变温度对M元素配分系数k^θ/α的影响规律（黑线对应直接相变完成的珠光体，红线对应长时等温的珠光体）

03

奥氏体相变

奥氏体相变作为大部分热处理的先前工序，对工业生产有着极为重要的影响，而此前的大部分研究仅关注奥氏体分解相变，鲜有关于奥氏体化的研究工作。珠光体的逆奥氏体化过程不仅与相变温度和合金成分有关，也与初始组织中渗碳体的形貌和合金元素配分情况有关。与铁素体相变类似，珠光体奥氏体化也可以分为置换型合金元素扩散控制的PLE模式和C元素扩散控制的NPLE模式，这两种模式存在转变特征温度，称之为配分与不配分转变温度（PNTT）。PNTT的数值可根据初始珠光体组织进行热力学计算，受M在铁素体和渗碳体中的配分系数与珠光体形貌影响，随着配分系数的增加而增加。除了初始组织外，相变末期的组织演化也将对未溶解相（未溶铁素体或未溶渗碳体）的溶解模式产生影响，也存在某一特征温度，为了与前者进行区分，我们将此温度定义为PNTT-II。研究者所在课题组提出了珠光体逆奥氏体化的PNTT, PNTT-II和二维PNTT模型的计算方法（请参考扩展阅读），其数值与配分系数的关系如图2所示。

图2  Fe-xC-1Mn合金奥氏体化特征温度PNTT-I，PNTT-II_θ及PNTT-II_α与初始组织中Mn配分系数k^θ/α相互关系（箭头表示各合金600 ℃及650 ℃相变所得平衡珠光体中Mn的配分系数）

当等温温度较高时，整个奥氏体相变过程均不发生置换型合金元素的再分配，从而在奥氏体内形成M的不均分布，这将导致不同M含量的奥氏体区域的淬透性不同，进而在淬火后形成名为‘ghost pearlite’的马氏体-片层状残余奥氏体组织，如图3所示，图中马氏体相内的黑色阴影片层状组织即为片层状残余奥氏体。

图3  Fe-0.6C-xMn合金层片状珠光体800 ℃奥氏体转变淬火组织照片（a）x=1, t=1.1 s（b）x=2, t=1.4 s

04

超强超韧近共析成分含锰钢的新型制备工艺

在阐明珠光体与奥氏体化相变元素扩散及热动力学规律基础上，研究者进一步开发了新型超强超韧近共析成分含锰钢的制备工艺。

根据PNTT理论，将珠光体组织在较高温度下进行等温奥氏体相变时，快速生成的奥氏体将继承初始珠光体的元素分布不均匀性，进而在奥氏体中形成交替排列的富锰区和贫猛区。其后迅速淬火，由于合金元素含量导致的淬透性的差别，贫Mn区转变为马氏体，而富Mn区奥氏体稳定性更高被保留至室温。新型热处理工艺将以此为基础，以实现Mn, C两种γ稳定元素在残余奥氏体内的富集，从而进一步提高钢的强韧性，兼顾成本控制需求。

具体思路为选取合适的近共析成分含Mn钢，制备Mn配分程度较高的初始珠光体组织，随后在PNTT-II以上进行短时间等温，使其完全奥氏体化且Mn不发生长程扩散，再淬火至室温。其热处理示意图如图4所示。值得一提的是，对淬火后的终态组织可增加配分工艺，使C由马氏体扩散至奥氏体中进一步提高奥氏体稳定性。

图4 新型热处理工艺示意图

结语

合金元素在钢铁材料相变中扮演着十分重要的角色，研究者通过阐述珠光体和奥氏体相变机理及合金元素配分行为，旨在更加精确地控制材料组织和元素分布情况，从而实现材料的组织调控，更好地提高材料的服役性能。以理论为指导的新型中锰钢设计思路，与传统Q&P工艺相比，本工艺的控制变量更多，对于组织形态、两相比例及元素配分程度的调控能力更强，同时也即将钢铁研究中理论指导实践的新型尝试。

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文章出处：

合金元素配分对珠光体相变热动力学及其奥氏体化影响的研究进展

杨泽南, 李赛, 于俊杰, 谢强, 王祯, 张明达, 董浩凯, 张强, 杨志刚

2020, 48 (7): 61-71.   

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000100

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