贝氏体和马氏体相变及应用的研究

系统总结了清华大学相变及复相新材料研究组近年来在贝氏体相变领域关键性的最新研究成果，包括三维巨型及纳米台阶存在的客观性和普遍性、台阶阶面的可动性、贝氏体片条的内部超精细结构、贝氏体浮突的特征及本质、贝氏体碳化物的来源及形成模型、马氏体浮突的扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）及原子力显微镜（ＡＦＭ）研究；进一步论述贝氏体相变的激发形核－台阶长大（ＳＮＬＧ）机制，并用ＳＮＬＧ机制解释了贝氏体的多层次复杂亚结构；同时，还论述了空冷贝氏体／马氏体复相钢的工业应用。

贝氏体和马氏体浮突的扫描隧道显微镜研究

本文首次用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）研究了Ｆｅ－Ｃ－Ｃｒ钢中贝氏体和马氏体浮突的形态，利用ＳＴＭ所独具的优异的纵向分辨率，发现贝氏体浮突实际上是贝氏体的亚片条、亚单元及超亚单元造成的表面浮突所组成的浮突群，完全不符合马氏体浮突的不变平面应变特征，说明了贝氏体相变不可能按切变机制进行．

再评马氏体相变的切变学说

从表面浮凸现象、切变模型、切变能量、切变阻力、相变驱动力等多角度综合分析了马氏体的切变机制的缺陷,指出：表面浮凸是试样表面的过冷奥氏体转变的一种普遍现象,马氏体表面浮凸与珠光体、贝氏体的浮凸比较,没有特殊之处,马氏体相变切变机制缺乏实验依据.所有的马氏体切变模型均不能与实际完全符合,以位向关系来设计切变模型缺乏实验基础.钢中马氏体相变的驱动力约为（1.18-1.714）×10^3J.mol-1.按照各种切变模型进行切变需要极大的切变能量,在（208-320）×10^3J.mol-1之间,为相变驱动力所不及.按照切变机制完成马氏体相变,其阻力太大,约2.335×10^3J.mol-1,因此相变驱动力难以克服相变阻力完成切变过程.这种切变机制得不到符合实际晶格参数的马氏体晶体和亚结构.需要研究马氏体相变的新机制.

Cu－Zn－Al合金中马氏体和贝氏体浮突的原子力显微镜研究

首次采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的马氏体浮突和贝氏体浮突进行了定量观测。在此基础上，将ＡＦＭ的测量结果与马氏体相变表象理论（ＰＴＭＣ）进行了对比，发现马氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论相符合，而贝氏体浮突角与ＰＴＭＣ理论不符合，说明贝氏体相变机制与马氏体不同，不可能是切变机制；

过冷奥氏体转变产物的表面浮凸

研究相变产物的浮凸现象具有理论意义,一直受到重视。近年来,应用原子力显微镜、扫描隧道显微镜、扫描电镜等先进设备,不仅精确观测了马氏体、贝氏体表面浮凸,还发现珠光体表面浮凸。本文综合阐述了过冷奥氏体转变为一系列相变产物的表面浮凸现象。发现珠光体(P)贝氏体(B)、马氏体(M)的表面浮凸均为帐篷型(∧)或N型,浮凸高度一般为数十nm,有平直的坡面,马氏体浮凸也不独具N型特征。各浮雕花样均对应于其各自的组织形貌。浮凸成因复杂,也是一种热处理畸变。过冷奥氏体的相变均为一级相变,即均有体积变化,转变为珠光体、贝氏体、马氏体时,均发生体积膨胀(比容增大)。表面浮凸是过冷奥氏体在试样表面上转变的表现,新相在试样表面形成与其在内部产生所处环境不同,相变阻力不等,新相膨胀在垂直于试样表面的外向上自由度较大,铁素体、渗碳体、贝氏体铁素体、马氏体等新相均向外鼓起。因此,表面浮凸的的根源是各相比容差,相变时试样表面不均匀体积膨胀所致。表面浮凸是过冷奥氏体在试样表面上发生相变时的普遍现象,不为某一相变所独有。

固态相变研究的新发现

开展相变研究具有理论意义和工程应用价值。采用SEM、TEM、STM、XRD、LSCM等设备研究观察了钢铁材料中的固态相变,发现许多新的试验现象,如珠光体表面浮凸、钢中马氏体层错亚结构、低碳马氏体中的孪晶、位向关系偏差、新观察到的形核地点等。

扫描隧道显微镜研究Cu－Zn－Al合金中贝氏体及其浮突

用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）在大气中研究了Ｃｕ－２７．２Ｚｎ－４．７Ａｌ合金中贝氏体的精细结构及浮突形态。在浮突和腐蚀后的组织上都发现，Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中的贝氏体确是由亚片条和亚单元所组成，进而为贝氏体相变机制的深入研究提供了重要实验基础。在此基础上给出了Ｃｕ－Ｚｎ－Ａｌ合金中贝氏体的结构模型。