D0I:10.13374/j.issn1001053x.1983.01.011 北京钢铁学院学报 1983年第1期 亚共析钢中魏氏组织形态的研究 金属物理教研室职任涛屠欢肖纪美 摘 要 本文用各种不同的加热温度和不同的冷却方式，对20A深冲弹钢中出现的各种铁 素体形态进行了光学金相和电子金相的观察，经过分析表明，在含碳量一定的低 碳钢中，铁素体的形态和冷却方式，冷却速度有关，并且这些形态大都符合Dubè 所作的分类。本文根据铁素体片的形态讨论了它的形核和长大的机构学。 一、前 言 Dube(1(2)曾对铁素体晶体在长大过程中的各种形态作过如下的分类， 1,沿原始奥氏体晶界上形核并优先长大的晶界析出物（或者沿晶界析出的网状铁素 体)。 2.由晶界向晶内生长的魏氏铁素体片（或针），即(Widmanstatten)。又可分为一次 魏氏铁素体片和二次铁素体片。（如图1所示）。 3,Widmanstatten锯齿（又称锯齿形铁素体），又可分为一次锯齿和二次锯齿（如图2 所示)。 (a) (b) (a) (b) 图1(a)一次铁素体片，(b)二次铁素体片 图2(a)一次锯齿，(b)二次鳃齿 4,几乎全部长在奥氏体晶内的天然状的等轴晶体。 5.晶粒内部的Widmanstatten片（或针）。 6,块状铁素体组织。 根据Dub的分类本文对20A钢采用两种奥氏体化温度(920°C和1200°C),并用不同 的冷却速度和等温分解)，来获得各种不同形态的铁素体，从对这些形态的观察中得知： 只有在某一冷却速度范围内或在某一等温分解时间内，才能得到片状的铁素体，即魏氏组 织。除此而外，当快速冷却（水淬）与等温时间很短时，或缓慢冷却与等温分解时间过长时，均 不能获得魏氏组织，而只能得到沿晶界的铁素体网或块状铁素体或退化了的魏氏铁素体。 本文根据铁素体片的形貌，分析和讨论了它形成的热力学条件和动力学机制。关于这 个方面的问题请参阅文献〔3)、〔4)、〔5)。 149
北 京 桐 铁 学 院 学 报 年第 翔 亚共析钢中魏氏组织形态的研究 金 属 物理 教研 室 职任 涛 屠 欢 肖纪 美 摘 要 本文用各种不 同的 加热温度和不 同的 冷却方式 ， 对深 冲弹钢 中出现的各种铁 素体形态 进行了 光学金相 和 电子金 相的观察 ， 经过 分析表明 ， 在含碳量一定的低 碳钢 中 ， 铁素体的 形态和 冷却方式 ， 冷却速度有关 ， 并且 这些形态大都符合 色 所作的 分类 。 本文根据铁素体片的 形态讨论了 它的形核和长大 的机构学 。 一 、 前 刁， 巨 〔〕〔幻曾对铁素体晶体在长大过 程 中的各种形态作过 如下的 分类 沿原始奥 氏体晶界上 形核并 优先长大的晶界析 出物 或 者沿晶界析 出的 网 状 铁 素 体 。 由晶界向晶内生长的魏 氏铁素体片 或针 ， 即 欲 。 又可分 为 一 次 魏 氏铁素体片和二次铁素体片 。 如图 所示 。 。 二 峨 锯齿 又 称锯齿 形铁 素体 ， 又可 分 为一次锯齿和二次锯齿 如图 所示 。 山么八甲 圈 一 次铁素体 片 ， 二 次铁 素体 片 图 侧匕务一 才 。 业 。 一 次 据 齿 助 二 次据 齿 几乎全部长在奥 氏体 晶 内的天然 状 的等轴晶体 。 晶拉 内部 的 且 片 或 针 。 。 块状铁素体组织 。 根 据 吞的 分 类本文对 钢采 用两 种奥 氏体化温 度 和 “ ， 并用不 同 的 冷却速度和 等温分解 ， 夹获得各 种不 同形态 的铁 素体 ， 从对 这些形态 的观察中得 知 只有在 某一 冷却速度范 围 内或在某一等温分解 时间 内 ， 才能得到 片状 的铁素 体 ， 即 魏 氏 组 织 。 除此而外 ， 当快速冷却 水淬与等温 时间很 短 时 ， 或 缓慢冷却与等温分解 时间过 长时 ， 均 不能 获得 魏 氏组织 ， 而只能得 到沿晶界 的铁素体网或块状铁素体或退化 了的魏 氏铁素体 。 本文根据铁素体片的形貌 ， 分析和 讨论了 它形成 的热力学条件和动力学机制 ， 关于这 个方面的 问题请参阅 文献〔〕 、 〔〕 、 〔〕 。 ＤＯＩ：１０．１３３７４／ｊ．ｉｓｓｎ１００１－０５３ｘ．１９８３．０１．０１１
二、实验过程 试验用20A钢的化学成分示于表1。 表1 20A钢的化学成分 化 学 电 分 C Mn Si 9 Al 含 (%) 0.20 0,42 0.08 0.021 0.007 0.056 关于热处理规范如图1所示 (1)9.20℃30 (1)520C30 (2)1200G30 (1)92CC30' (2)1200℃30 (2)1200℃30' 720℃Lt 620℃ 水 水诊 () (b) (e) 图3热处理规范 为了保证试样有严格的不同冷却速度，将试样制成为10×10×3mm的薄片，热处理 是在通有显气保护的管式炉中进行，等温分解在铅浴炉中进行。试样经处理后，磨去1mm 的脱碳层，用硝酸酒精浸蚀后进行观祭，电镜照片是二次碳膜复型。 三、实验结果与讨论 1,连续冷却时的铁素体形态 照片1和2分别为920°C和1200°C连续冷却时的铁素体析出形态。水淬时，由于冷却 速度较大，铁素体沿原奥氏体晶界有少量析出，并呈网状分布（照片1(a),2(a))。 a (b) 服片1 141
试验用 钢的 化学成分 示于表 表 实 验 过 程 钢 的 化 学 成 分 量 人 。 。 。 ‘ 。 。 口 月 “ 学 成 ” 。 业 少 关于热 处 理 规 范 如 图 所 示 ” ， ℃ ℃ 水 冷 图 热 处 理 规 范 为了保 证试样有严格 的不 同冷却速度 ， 将试 样制成 为 的 薄片 ， 热处 理 是在通有氢气保护 的管式 炉 中进行 ， 等温分解在铅浴 炉 中进行 。 试样经处理后 ， 磨去 的 脱碳层 ， 用硝 酸酒精浸蚀 后进 行观察 ， 电镜 照 片是二次碳膜复型 。 三 、 实验结果与讨论 连续冷却时 的铁紊体形态 照 片 和 分 别 为 和 连续 冷却时 的铁素体析 出形态 。 水淬 时 ， 由于冷却 速度较大 ， 铁 素体沿 原 奥氏体 晶界有少 量析 出 ， 并呈 网 状分布 照 片 ， 。
(d) 照片】连续冷却时铁素体的形态 a,920°C30水谇，b.920C30'风冷. c,920°C30'空冷，d.920C30'炉冷， }200× 当冷却速度降低时，大最铁素体沿晶界向晶内成针状分布，即所说的魏氏组织（照片 1.(b)(c),2.(b)(©)，冷却速度缓慢时，则为块状铁素体。从风冷和空冷的形态的比较 中看出，风冷时的魏氏铁素体片更加发达和典型，而空冷的魏氏铁素体片已有少部分呈现 出退化的形态。1200°C下风冷和空冷产生的魏氏组织比920°C的更加密集和粗大，由冲击 (a (b) (c 瓢片2。连续冷却时铁素体的形态， a,1200°C30'水谇， c,1200°C30'空冷， b.1200C30/风抢)200× d,1200°C30'炉冷， 142
照 片 连 续 冷 却倒 铁 素体 的形 态 仙 、尹‘ ‘ 水 淬 “ ‘ 空 冷 。 “ 产 风 冷 。 。 产 炉 冷 。 当冷却速度 降低 时 ， 大 量铁 素体沿 晶界 向晶 内成 针状分 布 ， 即所 说 的魏 氏组织 照 片 · ， · ， 冷却速度 缓慢 时 ， 则 为块状铁素体 。 从 风冷和 空冷的形 态 的 比 较 中看 出 ， 风 冷时 的魏 氏铁素体片更加发达和 典型 ， 而空 冷的魏 氏铁素体 片已有少部分 呈现 出退化的 形态 。 。。 。 下风 冷和空冷产生的魏氏组织比。 ’ 的更加密集 和粗大 ， 由冲击 照 片 。 连 续 冷 却 时铁 素 体 的形 态 。 荞 勺‘ 甘 、 、 … 。 ， 水 淬 。 ， 空 冷 ， 。 ， ， 产 风 冷 炉 冷 飞
性能上知〔6)，920°C的魏氏组织比1200°C的冲击韧性要高。这就说明由粗大奥氏体晶粒 中形成的魏氏组织，其性能是不好的（指韧塑性）。 而当奥氏体晶粒不大时，魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素体的高。其脆化趋势也 呈块状铁素体的比魏氏组织的大〔6)。 照片3是连续冷却（风冷）时魏氏铁素体片的电子金相形貌，由照片中可观察到碳化 物在冷却时主要在珠光体区折出，而在铁素体片上也分布有少量的碳化物颗粒。 由连续冷却时铁素体的析出形态来分析，块状铁素体的组织，其珠光体的区域比较集 中，而形成魏氏组织带来的珠光体区则比较分散（照片2(b)()。因此，从形态上可以说 明为什么魏氏组织的冲击性能反而比块状铁素体的冲击性能好的现象。 2.等温分解时的铁素体形态 我们知道，当亚共析钢在从奥氏体区的冷却过程中，铁素体优先在奥氏体晶界上形 核，因为可以导出在晶界的形核功低于晶内(3)。同时晶界又为碳原子的扩护散提供了有利 途径，因此，无论是快速冷却或是缓慢冷却，铁素体总是在晶界处优先形核。Smith()曾 提出，新的铁素体核与奥氏体之间有一个共格或半共格的界面。同时我们又知道，铁素体 和奥氏体之间的取向关系遵从Kurdjumov-Sachsi关系，即， (111)./(110)a(习惯面) 〔110).//c111)a 由于共格或半共格面的界面能较低，在过冷度导致的化学自由能的推动下，可从这种形 貌快速推进。但是，α相中碳又必须扩散到相中去，才能松驰畸变能，而这种铁素体片 前沿的曲率半径小，有利于碳的扩散，因此边缘部分的长大速度远高于侧面的长大速度。 故形成如图4所示的片状。至于铁素体片向晶界两侧中的哪一侧长大，则决定于碳浓度的 品 界 铁素体片 服片31200°C30风 冷时快素体片的电子 横习面 边缘 金相形态 图4片状铁素体长大示意图 高低，例如照片5(b)中H处的碳浓度高为富碳区，而K处为贪碳区，故铁素体片沿晶界向 两侧的K处长大。 从照片4中尚可看出，于620°C等温分解的魏氏组织比720°C等温分解的要发达， 620°C5"时已有魏氏组织出现，而720°C5"时铁素体仅沿晶界有少量析出（照片4(a)(b) (c)(d))。在620°C等温时间过长时，魏氏组织即开始退化，半分钟时，720°C等温的全部 143
性能上知 〔〕 ， 的魏 氏组织比。 。 的冲击韧性要高 。 这就说明由粗大奥氏体 晶 粒 中形成的 魏 氏组织 ， 其性能是不好的 指韧塑性 。 而 当奥 氏体晶粒不大 时 ， 魏氏组织的冲击性能反而 比块状铁素休的高 。 其脆化趋 势也 呈 块状铁素体的 比魏 氏组织的大〔的 。 照 片 是连续 冷却 风 冷 时魏 氏铁素体片的 电子金相形貌 ， 由照 片 中可观察到碳化 物在 冷却时主要在珠光体区析 出 ， 而在铁素体片上也分布有少量的 碳化物颗粒 。 由连续冷却时铁素体的 析出形态来 分析 ， 块状铁素体的组织 ， 其珠光体的区域比较集 中 ， 而形成魏氏组织带来 的珠光体区 则 比较分散 照 片 。 因此 ， 从形态上可以说 明 为什么魏 氏组织 的 冲击性能反而比块状铁素 体的 冲击性能 好的现象 。 。 等温分解时的铁素体形态 我们知道 ， 当亚 共析钢在从奥 氏体区的 冷却过程 中 ， 铁素体优先在奥氏体 晶 界 上 形 核 ， 因为可 以 导 出在 晶界的 形核功低于 晶 内〔〕 。 同时晶界又 为碳原子的扩散提供 了 有 利 途 径 ， 因此 ， 无论是快速 冷却或 是缓慢冷却 ， 铁素体总是在晶界处优先形核 。 〔〕曾 提 出 ， 新的铁素体核与奥氏体之间 有一个共格或 半共格的界面 。 同时我 们又 知道 ， 铁素体 和奥氏体之间的取向关系遵从 一 关系 ， 即 习惯 面 〔〕 〔〕 由于共格或 半共格面的界 面能较低 ， 在过冷度导致 的 化学 自由能的 推动下 ， 可从 这种形 貌快速推进 。 但是 ， 相中碳又必须扩散到相 中去 ， 才能松驰畸 变能 ， 而这种铁素 体 片 前沿的 曲率 半径 小 ， 有利于碳的扩散 ， 因此边缘部分 的长大速度远高于侧面的 长 大速度 。 故形成如图 所 示的 片状 。 至于铁素体片向晶界两侧 中的哪一 侧 长大 ， 则决定于碳浓度的 雄渗之 飞沁 派 粉 亡 要雌于筋 沪 气 奈 续 奋补荞减 铁素体片 价攀升斗碗备偏 姗 典 照 片 ， 风 冷 时 铁素 体片 的 电子 寸贯习 面 边 缘 醉执砂雏 金 相 形 态 图 片状 铁素 休 长大 示 意 图 奢漪黔 高低 ， 例 如照 片 中处 的碳浓度高为富碳区 ， 而处 为贪碳区 ， 故铁素体片沿 晶界向 两侧的处长大 。 从照 片 中尚可看 出 ， 于 等温分解 的魏 氏组织比 等温分 解 的 要 发 达 ， “ “ 时 已有魏 氏组织 出现 ， 而 “ 时铁 素体 仅沿 晶界有少 量析 出 照片 。 在 “ 等温 时间过长 时 ， 魏 氏组织 即开 始退 化 ， 半分钟时 ， 等温的全部
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