贝氏体相变及贝氏体钢的研究处于世界前沿
  钢铁在热处理过程中的转变主要有三类:(一)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;( 二)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;(三)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。
  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、5860 293、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。

在光学显微镜下观察到的类马氏体形貌的贝氏体x500
A-交叉型贝氏体,B-连锁"N"型贝氏体

  这些基金课题,包括上海交大徐祖耀教授及重庆大学徐启昆教授的基金课题,从贝氏体转变 的热力学、动力学、晶体学、形貌学到预贝氏体转变,全面系统的进行了实验和理论研究。 已取得重大进展,主要有:
  1.动态观察证明:含硅钢的下贝氏体首先生成过饱和固溶体,然后在其内部析出碳化物(西 北工业大学),正如碳化物在上贝氏体外析出一样,属于次生结构,从而统一了上、下贝氏 体基体的生长方式,是钢中贝氏体相变研究的一项重大突破。
  2.钢中贝氏体和马氏体相似,具有中脊,其两侧的碳化物没有连续性(天津大学)。在贝氏 体形核和初期生长研究方面的另一项突破是:发现了初生中脊片端部的层片状应变场和横向 扩展台阶以及贝氏体相互交截时的扭折现象。以证明贝氏体转变的早期具有切变特征。
  3.观察到钢中存在蝶状贝氏体,其外貌与蝶状马氏体相同,见上图及下页三图。仅前者有 碳化物沉淀(上海交通大学)、蝶状马氏体的形成和母相中时效产生的不均匀性有关,这和蝶 状贝氏体的生成相似,实验证明钢中蝶状马氏体的核系由位错组成的(北京科技大学)。
  4.对铜合金与钛合金贝氏体组织形态的研究表明它们和同一合金的马氏体有相似性。铜合 金贝氏体交叉生长时发生扭转的现象,是迄今为止说明贝氏体由切变机制形成的最有说服 力的实验观察(天津大学、北京科技大学)。
  5.在贝氏体相变产物观察到:下贝氏体α—铁宽面上存在三维形态的巨型台阶和生长台阶 以及台阶前沿碳化物的析出与分布特征,提出了两种关于下贝氏体台阶生长模型(清华大学) 。
  6.许多钢的转变动力学曲线存在一个贝氏体转变停滞的温度区间。实验证明在贝氏体界面附 近有合金元素如锰的偏析,而硅加剧了锰的偏析(西南交通大学),这表明了动力学转变曲线 的形状与锰、硅或其它元素及其不均匀分布密切相关(西南交通大学、清华大学)。
  7.对非理想晶体的数学模拟表明:贝氏体预转变期奥氏体中存在碳偏聚的可能性和奥氏体贫碳 区以中脊形式成为核胚,发生贝氏体切变形核的可能性。
  8 在贝氏体相变微观机制的精细结构研究中,发现贝氏体亚条中存在更小的亚基元(重庆大学) 或相变基元块(上海交通大学),并由此分析了贝氏体相变过程,提出了“基元块类平衡切变”的 生长模型(上海交通大学);但对此还有待进一步的研究。
  上述结果,在国际上是相变研究的前沿工作,不仅对贝氏体相变机制的世界性研究起到促进 作用,而且有力的推动了贝氏体钢的创制、应用与发展。西北工业大学提出了新的合金化 设计方程,在此基础上研制出新型Si-Mn-Mo(或B)系的高强高韧空冷贝氏体钢、并已得到广 泛的工程应用。清华大学创制的新型空冷贝氏体钢系列,目前已在我国多家企业应用并开始进 入国际市场、前景十分广阔,继1987年获得国家发明奖二等奖之后,又获1989年中国专利发 明创造金奖和1988年美国专利,成为国家重点推广项目,天津大学还开发了贝氏体、马氏体 复合组织工具钢,发明了Cu-Zn-Al合金逆记忆形变幅度的新方法,已在工程中获得应用,并 申报了专利。北京科技大学与有关现代化钢厂正在进行研制低碳或超低碳贝氏体型低合金高 强度高韧性钢。这些成果为国民经济作出了重要贡献,同时也标志着我国贝氏体钢及其应用 处在国际前沿。
  八个基金课题在几年中已发表论文154篇,取得了许多属于世界前沿水平的成果、在国际学 术界有举足轻重的影响。如1988年在美国芝加哥召开的国际贝氏体会议上,我国提出的论文 数占总数之半。展示了我国贝氏体研究的力量和水平,引起了世界材料科学界的瞩目。

Fe-Ni-V-C合金的蝶状马氏体

FeNiCrWMnSiC合金的蝶状马氏体