1 绪言学者们在上世纪4 0年代已关注应力对钢中相变的影响,如1 94 5年Cottrell【1】在做合金钢的力学性质实验时,注意并发现到应力促发贝氏体相变,并引述了早期的工作,如Hall(1 92 9) ,Aborn和Bain(1 930 )以及Nishiyama(1 936 )等工作,认为高合金钢中奥氏体在室温下变形、加速γ→α相变已为熟知的事实。1 94 8年Guarnieri和Kanter【2】研究了合金钢大铸件中的内应力加速残余奥氏体的贝 氏体相变。Howard和Cohen【3】同年报导了马氏体的形成促使奥氏体→贝氏体相变。194 9年,Jepson和Thompson【4】较系统地揭示了共析钢在外加应力(尤其是拉应力)下加速奥氏体等温分解,认为应力有利于铁素体的形核。上世纪5 0年代以来,学者们对钢在应力下的相变进行了较多的研究。柯俊等【5,6】发现,钢试样表面易促使贝氏体相变,表明释放本身内部的压力,有利于膨胀型相变。上世纪6 0年代兴起的形变热处理涉及应力对相变的影响。当前研究应力作用对相变的影响,除在理论上能进一步揭示相变机制外,在实用上还基于以下的考虑:(1 )了解材料在应力作用下发生结构和性能改变的可能性及其情况,包括晶粒细化,如钢的控制轧制及超级钢(新一代钢)的生产;(2 )了解材料热处理中引入应力对组织(和性能)的影响,和(3)为塑性成形与热处理一体化工程提 供理论基础。此项一体化工程经倡议【7】,并初步探讨其理论基础【8】,值得进一步研究,促 进实施,以减少环境污染,节约人力、时间、能源和原材料,为材料工业(尤其是钢铁工业)的持 续发展作出贡献。目前关注的薄膜材料和纳米材料的结构和相变,也都与应力作用有密切关系。本 文介绍钢在应力(水静压力及单向应力)作用下的铁素体、珠光体和贝氏体相变的动力学特征,应力对铁基合金及具热弹性马氏体相变的形状记忆合金(Cu-Al -Zn)Ms温度的影响,以及对铁基合金马氏体形态和晶体学的影响,并作讨论。应力下相变的理 论和建模将另文发表。应力作用对各类沉淀相变具有重要的影响,拟另作讨论;本文也不涉及应力 下的再结晶及相变时产生的相变塑性和内应力。2 应力作用下的铁素体和珠光体相变Hillard【9】于196 3年发表水静压对Fe -C平衡图的影响,如图1 ,显示压力阻碍γ→α膨胀型相变,促发γ中析出Fe3C的收缩型相变,降低共析温度并将共析点移向低碳。上世纪6 0、70年代很多工作【9～13】,显示钢的TTT图和CCT图因受压力而向右移,如图2 (Schmidtmann等1 977【13】)所示。由Clau sius -Clapeyron方程能大致解释压力对相变温度的影响【14】。将压力功作为膨胀型相变阻 力,使减弱相变驱动力就能对相变温度的变化作出较精确的计算。单轴(拉、压)应力促使钢中铁素体和珠光体相变【10～15】。Kehl和Bhattacharyya1 95 6年的工作【15】揭示:拉应力增大共析钢中珠光体的形核率,略为减小珠光体的片间距,和增加 亚共析钢中铁素体的形核率,并显示在亚共析钢中,在应力下,铁素体相变动力学几乎成线性增长,较珠光体迅速,如图3。拉图1 水静压力对Fe-C平衡图的影响Fig.1 EffectofhydrostaticpressureonFe -Cequilibriumphasediagram图2 压力对5 0Cr-4V钢( 880℃奥氏体化5min)CCT图的影响Fig .2 EffectofpressureonCCTdiagramof5 0Cr-4Vsteelaustenitizedat 880℃for 5min 图3 AISI 1 0B4 5钢(0 .4 8C - 0 .2 5Si- 0 .0 5Ni- 0 .0 5Cr- 0 .0 0 3B - 0 .0 1 5P - 0 .0 30Swt% )在1 2 5 3°F(6 78.3℃)时的等温相变曲线。(a)先共析铁素体,(b)珠光体(1psi=6 .894 8×1 0 3Pa) .Fig .3 ReactioncurvesofAISI 1 0B4 5steel(0 .4 8C -0 .2 5Si-0 .0 5Ni- 0 .0 5Cr- 0 .0 0 3B - 0 .0 1 5P - 0 .0 30Swt% )isothermallytransformedat 1 2 5 3 (6 87.3℃)(a)proeutectoidferrite(b)pearlite (1psi=6 .894 8×1 0 3 Pa)应力使共析钢珠光体相变和贝氏体相变的孕育期缩短,如图4。原作者都未分析其原因。在上世纪80年代之前,对相变动力学已有不少研究【16】,但直至1 985年Inoue等【17】,和1 987年Denis等【18】才建立应力下珠光体相变动力学模型。这两模型适用于小应力下珠光 体相变动力学,被广泛引用,但均未发表其推导过程,也都未涉及铁素体相变,其精度也属疑问。叶健松等【19】将0.38C -Cr -Mo钢在Glee ble35 0 0热模拟机作单轴压应力(0～4 0MPa)下铁素体和珠光体相变动力学实验,并将Johnson -Mehl -Avrami方程【2 0～2 3】扩展为应力下铁素体和珠光体等温相变的动力学模型:图4 0 .84C共析钢在1 5 0MPa(1 0ton/in2 )拉应力下和无应力下的TTT图(相变开始)。○外加应力,×正常相变。Fig .4 TTTdiagrams(transformationbegining)fortensilestressedandnormalquenchesina 0 .84Ceutectoidsteel○transformationunderstress,×normaltransformationf=1 -exp<-b(σ)tn>(1 )其中f为相变分数,b(σ) =b(0 ) (1 +AσB) ,σ为等效应力,t为时间,b(0 )及n为常数,b(σ)为应力σ下的b参量,参数n与无应力时几乎相同,n值因温度而改变。A和B由实验数据回归得到,对铁素体相变A =0 .0 36 ,B =1 .0 5 ;对珠光体相变A =0 .0 2 8,B=0 .5。按(1 )式计算结果与实验值很好符合【19】,如图5 ,6和7。参照Denis等【2 4】对共析碳钢所得应力下珠光体相变的动力学实验结果,并由该钢的TTT图,得6 6 3℃和6 73℃等温时的b(0 )分别为3.0 84×1 0 - 8和1 .1 4 7×1 0 - 8,n值分别为3.84和3.6 6 【2 5】;拟合Denis等的实验数据,得共析钢的A和B值分别为0 .0 2和1 .5 5 【19】。按(1 )式所得的计算结果,也与实验值较好吻合,见图8。证明(1 )式可表述为应力下铁素体和珠光体等温相变的动力学模型。0 .38C -Cr-Mo钢在应力下铁素体相变随应力增加呈线性加速,而珠光体相变呈指数exp(σ0 .5)变化,这是由于铁素体相变系纯膨胀型相变,而珠光体相变中渗碳体的析出,使基体收缩,系非纯膨胀型。 图5 0 .38C -Cr -Mo钢在压应力下铁素体相变开始温度。 Fig .5 Startingtemperaturesofferriteformationundercompressivestressesin 0 .38C -Cr -Mosteel△, ,○,□,representexperimentdata ,lines-calculatedresults 图6 0 .38C -Cr-Mo钢在压应力下珠光体相变的结束温度。Fig .6 Finishingtemperaturesofpearlitetransformationundercompressivestressesin 0 .38C -Cr-Mosteel△, ,○,□,representexperimentdata ,lines-calculatedresults 图7 0 .38C -Cr-Mo钢在不同等温温度(6 4 5 ,6 6 0 ,6 75和6 90℃)和不同压应力(0 ,1 5 ,30和4 5MPa)下铁素体体积分数的计算值和实测值。Fig .7 Comparisonofmetallographicmeasurementofvo lu-mefractionsofferritewithcalculatedresultsin0 .38C -Cr-Mosteelisothermallyformedatdifferenttemperatures (6 4 5 ,6 6 0 ,6 75and 6 90℃)andundervariouspressures(0 ,1 5 ,30and 4 6MPa)图8 共析碳钢在应力下、在6 6 3℃和6 73℃等温时,珠光体相变开始和结束时间的计算和测定结果(取自<2 4 >Fig .8 Measuredandcalculatedresultsofbeginningti meofpearlitetransformationvsappliedstressin aeuctectoidcarbonsteelatisothermaltemperature(a) 6 6 3℃and (b) 6 73℃(experimentaldatafromliterature <2 4 >) 上述小应力作用下拟合实验结果的动力学方程中,A和B的数值因不同钢种而异,在建模和模拟工作中需要参照已有资料,并需作相当量的实验。为便于工程工艺的设计,应
More abstracts about the 应力作用下的相变