贝氏体铁素体的亚结构探究

贝氏体组织中的亚结构包括贝氏体铁素体的亚片条、亚单元、较高的位错密度、精细孪晶等。

1.贝氏体中的亚单元

大量试验表明，条片状的贝氏体铁素体由亚片条组成，亚片条由更小的亚单元组成。亚单元有方形、多边形等形貌，尺度在10～200nm范围内。亚单元通常在已经形成的铁素体端部附近形核，通过纵向伸长与增厚的方式长大。亚单元长大受阻时再激发形核，在铁素体板条顶部的侧面（上贝氏体）或铁素体针的顶端（下贝氏体）形成新的亚单元核心。亚单元重复形核长大，构成了贝氏体铁素体的形核长大过程。

Fe-0.5％C-3.3％Mn钢的上贝氏体铁素体内部存在着复杂的亚结构，在扫描隧道显微分析时，发现亚片条由亚单元组成，亚单元之间还有残留奥氏体膜，如图6-11所示。测定亚单元的宽度约为0.5μm，亚片条的长度为10～50μm^[9]。

图6-11 Fe-0.5％C-3.3％Mn钢的贝氏体铁素体中的亚单元（STM）

一般认为，下贝氏体片条也由亚单元组成。对Fe-1.0％C-4.0％Cr-2.0％Si钢的下贝氏体的观察表明，下贝氏体条片由亚片条组成，亚片条由亚单元组成，如图6-12所示。采用扫描隧道显微镜分析发现，在下贝氏体铁素体内部存在亚单元，亚单元由若干个超细亚单元组成。超细亚单元宽为20～30nm，长度为0.2～0.3μm。

图6-12 Fe-1.0％C-4.0％Cr-2.0％Si钢的下贝氏体组织

a）金相照片 b）SEM照片

图6-13所示为60Si2CrV钢下贝氏体片和内部的亚单元形貌。由图中可见，贝氏体铁素体片条由细小的近似于平行四边形的块状的铁素体亚单元组成。

随着温度降低，铁素体亚单元和亚片条的尺寸减小，铁素体片内部亚单元的数量增加，亚单元的宽度随着温度的降低而减小，亚单元的长宽比和铁素体片中亚单元的数量随着温度的降低而增大。随着转变温度的降低位错密度增加，如图6-14所示。

图6-13 60Si2CrV钢下贝氏体片和内部的亚单元（SEM）

2.贝氏体铁素体中的位错和孪晶(www.xing528.com)

以往有的资料中曾说贝氏体中没有孪晶，有的学者认为贝氏体中不可能存在孪晶。近年来的研究表明，贝氏体铁素体中有较高密度的位错，在某些高碳高合金钢中有精细孪晶。试验发现^[12]，在某些钢中，贝氏体铁素体片条由5～30nm的细小孪晶组成，或贝氏体铁素体亚片条就是细小的孪晶，如图6-15所示。

试验表明，在贝氏体铁素体内部有较高密度的位错。贝氏体中的位错密度虽然不如马氏体中那样高，但也有较高密度的位错亚结构。图6-16a所示为35Cr2Mo钢下贝氏体中的缠结位错，图6-16b为高密度的位错网络。测定表明，在650℃形成的贝氏体铁素体中的位错密度约为4×10¹⁰cm^－2。随着相变温度的降低，贝氏体铁素体中的位错密度增加，如在400℃、360℃、300℃等温形成的贝氏体中，位错密度分别为4.1×10¹⁰cm^－2、4.7×10¹⁰cm^－2、6.3×10¹⁰cm^－2。铁素体中的位错密度随着相变温度的降低而升高，如图6-17所示。

图6-14 亚结构与转变温度的关系^[11]

a）亚结构参数与转变温度的关系 b）亚单元宽度与转变温度的关系

图6-15 下贝氏体片中的孪晶（TEM）

图6-16 贝氏体中的位错亚结构TEM

a）35Cr2Mo钢下贝氏体片中的缠结位错 b）超低碳贝氏体中的位错网络^[7]

20世纪80年代，研究发现某些钢中的贝氏体存在中脊^[14，15]。在电镜下观察时，将试样倾转一定角度，发现中脊是一条有一定宽度的平直的空间薄片，中脊两侧为贝氏体铁素体（F），中脊平直，由孪晶亚结构组成。

图6-17 铁素体的位错密度与温度的关系^[13]