贝氏体钢.docx

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贝氏体钢

贝氏体钢的研究现状与发展前景

现在随着科技的发展，社会对对各种材料的需求在举荐的增多，对材料的性能的要求越来越严格，越来越宽广。

然而，钢材是材料的一项大户，所以钢的发展对于才材料发展至关重要，推动整个材料界的发展。

钢铁在热处理过程中的转变主要有三类：

1.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；2.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；3.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。

其中钢中的贝氏体相变是发生在共析钢分解和马氏体相变温度范围之间的中温转变。

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、5860293、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。

然而在实际的生产和生活中低碳钢的需求量是很大的，所以低碳贝氏体钢的研究有很大前景。

工程机械制造、架设桥梁、造船、车辆制造、航空等领域广泛地使用着各种规格的钢板。

由于服役条件及焊接工艺的限制，这类用途的钢板不仅要求材料具有足够的强度和塑性，而且还要求具备一定的低温韧性和优良的焊接性能，以适应野外作业和制造工艺的要求。

坚持科学的发展观，从资源和成本核算考虑，用户普遍要求使用高性能、低成本的金属材料。

低碳贝氏体钢正是为满足这一需求而研发的，已广泛应用于桥梁、建筑、车辆、水轮机壳体、舰船、飞机构件及其它紧固件、轴类件等方面，超高强度的低碳贝氏体钢还将满足这些构件的减重要求。

低碳贝氏体钢是以钼钢或钼硼钢为基础，同时加入锰、铬、镍以及其他微合金化元素（铌、钛、钒），从而开发出一系列低碳贝氏体钢种。

这类钢的含碳量多数控制在0.16%以下，最多不应超过0.120%。

由于低碳贝氏体组织钢比相同含碳量的铁素体-珠光体钢具有更高的强度，因此，低碳贝氏体钢种的研发将成为发展屈服强度为450～800MPa级别钢种的主要途径。

低碳贝氏体钢中主要添加的合金元素及其作用如下：

（1）碳元素是强间隙固溶强化元素，可提高强度，但不能依靠其提高强度。

尽量降低含碳量，即保持一定的韧性，也为了获得良好的焊接性。

（2）钼元素能够使钢在空冷条件下获得贝氏体组织。

钼元素使钢的奥氏体等温转变曲线中的铁素体析出出现明显右移，但并不明显推移贝氏体转变，所以过冷奥氏体得以直接向贝氏体转变，而在此前没有或者只有部分先共析铁素体析出，这样也就不再发生珠光体转变。

（3）利用微量硼元素，使钢的淬透性明显增加。

钼硼复合作用使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步右移，使贝氏体转变开始线明显突出。

为了在空冷条件下得到全部低碳贝氏体组织，钼硼复合作用十分有效。

（4）硅元素是固溶强化元素，使贝氏体转变发生在更低的温度，并使贝氏体转变C曲线右移。

（5）加入其它能够增大钢过冷能力的元素，如锰、铬、镍等，以进一步增大钢的淬透性，促使贝氏体转变发生在更低的温度，目的是获得下贝氏体组织，增加其强度。

（6）加入强碳化物形成元素，即微合金化，以保证进一步细化晶粒。

同时，微合金化也可以产生沉淀强化效果。

奥氏体化的钢过冷到Bs（约550℃）至Ms温度范围等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变。

它是介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间的一种中间转变。

在贝氏体转变区域没有铁原子的扩散，而是依靠切变进行奥氏体向铁素体的点阵重构，并通过碳原子的扩散进行碳化物的沉淀析出。

一般贝氏体转变会形成3种贝氏体组织:

上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体。

上贝氏体的形成温度较高，呈羽毛状，性能较差;下贝氏体的形成温度低，其中铁素体片较细，且是位错亚结构，碳化物的弥散度也大，呈针状，性能优良;粒状贝氏体的形成温度最高，是由块状铁素体和岛状的富碳奥氏体所组成，性能优良。

低碳贝氏体钢国际研究现状

国外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量的研究，设计了不同成分的钢种和生产工艺，形成了不同系列的贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢的发展及其应用。

20世纪50年代，英国人P.B.Pickering等发明了Mo2B系空冷贝氏体钢。

Mo与B的结合可以使钢在相当宽的连续冷却速度范围内获得贝氏体组织。

由于生产成本较高，因此该钢种的发展受到一定限制。

日本东京钢公司研制了低碳含V贝氏体非调质钢，该钢锻后空冷得到以贝氏体为主及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到800～1000MPa，室温冲击韧性为50J/cm2，而-40℃冲击韧性仍高达40J/cm2。

日本新日铁公司在贝氏体非调质钢的研究开发中多添加微合金化元素，这类钢在很宽的冷却速度范围内都可获得贝氏体组织，并可获得更好的低温性能，适合于强度高、韧性好的汽车行走系部件。

F.G.Caballelo等在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe20.2C22Si23Mn和Fe20.4C22Si24Ni两种钢成分。

研究发现，Fe20.2C22Si23Mn贝氏体钢表现出良好的断裂韧性，强度可以达到1375～1440MPa;而增加碳含量，即Fe20.4C22Si24Ni成分的贝氏体钢强度可达1500～1840MPa，其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢。

这两种钢均需回火处理。

美国联邦铁路管理局与Tuskegee大学联合开发的低碳贝氏体钢轨钢，其极限强度、屈服强度、延伸率分别为1500MPa、1100MPa和13%，比相同条件下的珠光体钢性能要高，且具有良好的断裂韧性（KIc=150MPa·m1/2），其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性的115倍。

低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到工程界的注意，逐步得以推广应用。

在此基础上发展了超低碳的控轧控冷贝氏体钢（ULCB钢，含碳量小于0.05%）。

McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化的ULCB钢，经热机械控制（TMCP）处理后，屈服强度达到700MPa，且具有良好的低温韧性和焊接性能。

日本钢铁公司研制了X70和X80超低碳控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500MPa，脆性转变温度（FATT）小于-80℃，它既可以作为低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢。

DeArDo等开发出ULCB2100型超低碳贝氏体中厚钢板（含碳量低于0.03%），通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化的综合作用。

该钢种以80%累积变形量进行精轧并随后空冷，其屈服强度可高达700MPa，且FATT可提高到-50℃。

巴西学者通过模拟高强低合金贝氏体钢的控轧控冷工艺过程，研究了控轧控冷工艺参数对其微观组织和力学性能的影响，发现轧制后冷却速率与终轧温度是主要的控制工艺参数。

波兰学者研究了在热轧、淬火及回火加工条件下超低碳贝氏体钢的微观组织与力学性能，研究表明，可以获得屈服强度大于650MPa、低温冲击性能为200J（213K）的应用于造船、海上石油钻采平台、压力容器及高性能结构部件的超低碳贝氏体钢板。

近代工业发展对热轧非调质钢板的性能要求越来越高，除了具有高强度外，还要具有良好的韧性、焊接性能及低的冷脆性。

目前世界上许多国家都利用（超）低碳的控轧控冷贝氏体钢生产高寒地区使用的输油、输气管道用钢板、低碳含铌的低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等。

国内研究现状

国内高强度钢的发展大约比国外落后数十年，目前我国鞍钢、武钢、舞钢、济钢和宝钢等企业均生产过低碳贝氏体钢板。

总体上讲，国内钢铁企业基本上是跟踪国外的技术，采用与国外类似的合金化体系，技术上主要采用微合金化和控轧控冷技术。

清华大学方鸿生等在研究中发现，Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显的上、下C曲线分离，发明了Mn2B系空冷贝氏体钢。

他突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、W的传统设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn2B系列贝氏体钢。

西北工业大学康沫狂等通过多年的研究提出了由贝氏体铁素体（即低碳马氏体）和残余奥氏体组成的准（非典型或无碳化物）贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢。

与一般结构钢相比，新型准贝氏体钢具有更好的强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。

山东工业大学李风照等根据贝氏体相变原理，通过合理控制成分和优化冷却制度，并运用细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，采用微合金变质处理，开发了隐晶或细针状贝氏体的高品质贝氏体或高级贝氏体钢。

我国低碳贝氏体钢的控轧控冷研究和应用相对较晚，在20世纪80年代初才开始这方面的工作。

武钢1999年开始试制板厚12～30mm、抗拉强度达到590MPa、685MPa级别的低（超低）碳贝氏体结构板，产品采用铁水预脱硫、RH真空处理工艺降低C含量，增添Mo2B2V2Nb等合金元素，且需热处理。

济钢研制开发了一种新型的贝氏体高强钢（C2Si2Mn2Cr系），其特点是钢中不加入昂贵的Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉的合金成本代价就能使钢板TMCP处理后空冷自硬，从而节约大量热处理费用，降低了生产成本和生产难度。

攀枝花钢铁公司与清华大学、二汽合作开发的贝氏体微合金非调质钢12Mn2VB代替45调质钢制造汽车前轴，效果良好。

宝钢研究了Mn2Mo2Nb2B系超低碳贝氏体钢的钢坯加热、控制轧制、控制冷却、时效处理诸因素与钢力学性能的关系，生产了620MPa、690MPa、780MPa等3个级别的钢板。

鞍钢采用控轧控冷工艺试制了HQ590DB超低碳贝氏体钢板。

其终轧温度为800～850℃，控制终冷温度为590～630℃，获得铁素体和板条状贝氏体组织，钢板抗拉强度达650～690MPa，屈服强度达490～590MPa，延伸率为20%，并具有良好的成形性能。

采用奥氏体再结晶、未再结晶、奥氏体与铁素体两相区三段控轧工艺并配合相应的压下率，舞钢试制成功了低碳贝氏体钢WDB620、DB690及WH70。

实践证明，采用合金化与控轧控冷工艺技术是生产强度高、韧性好、可焊性优良且成本低的贝氏体钢板的最好办法。

国内对低碳贝氏体钢的研发大部分停留在试验研究阶段，只有个别厂家成功生产出性能优良、成本低廉的低碳贝氏体钢板。

低碳贝氏体钢的发展前景

一、市场需求前景

高强度低碳贝氏体钢被国际上公认为21世纪钢种，国外在20世纪80年代才开始进行研制。

与普通低合金钢相比，该钢种由于碳含量下降，在保证高强度的条件下，仍能保持很高的韧性，并在恶劣环境下能满足焊接性能，其应用范围广泛，可用于石油管线、舰船、大型结构件及海洋设施等方面。

近些年，在机械、汽车等行业，非调质钢替代传统的调质钢已经获得了广泛的应用。

制造大型贮罐及运输船都采用非调质处理钢和微合金化中厚板钢。

汽车工业发达的日本，其非调质钢发展最为活跃，川崎制铁开发出具有耐大气腐蚀性的非调质低碳贝氏体型中厚钢板。

空冷贝氏体钢属于非调质钢中的一类。

在生产中可将热加工成型工序与热淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了能源，简化了工艺，提高了生产效率，而且可以避免由于淬火引起的变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷。

空冷贝氏体钢具有良好的综合力学性能，不仅提高了产品的质量，而且延长了产品的使用寿命，应用前景非常广阔。

耐磨钢球是广泛用于矿山、冶金、电力、建材和化工等行业的重要易耗件，国内年耗量高达100万吨，国际市场容量在500万吨。

目前使用的各种材料不仅成本高，而且由于硬度高、韧性差而使破碎率高。

低碳贝氏体耐磨钢球从表面到心部都具有高硬度、高韧性、低破碎率，且工艺简单，低成本，生产效率高。

低碳贝氏体钢还可应用于制作塑料模具、模块、贝氏体钢弹簧、建筑用高强度钢筋、铁路道岔、油田用抽油杆和作为工程结构及标准件用钢等。

总之，低碳贝氏体钢种的研制与开发越来越引起材料界和工业行业的极大兴趣。

目前国内各特殊钢厂都相继研制开发出一系列低碳贝氏体钢。

低碳贝氏体钢的应用也正在不断深入国内各工业行业，所产生的经济效益也日益得到人们的认可。

二、低碳贝氏体钢的研发方向

低碳贝氏体钢以其性能价格比方面具有的明显优势，在我国的应用前景将十分广阔。

贝氏体系列钢的研究目前仍处于贝氏体相变机理研究与贝氏体钢的开发与推广应用阶段。

低碳贝氏体钢产品品种的开发除对现有低碳贝氏体钢的生产工艺进行完善与优化外，还应不断开发新的低碳贝氏体钢品种，扩大贝氏体钢产品的应用范围。

低碳贝氏体钢在模具用钢、耐磨耐冲击钢、工程构件用钢等领域的开发研究将进一步深入，同时研究开发低碳贝氏体钢在弹簧、建筑用高强度钢筋、齿轮、标准件等方面的使用。

加强控轧控冷低碳贝氏体钢的研制从低碳贝氏体钢的发展趋势来看，开发研制控轧控冷贝氏体钢是十分必要的。

低碳贝氏体钢中厚板通过控轧控冷不仅可以充分细化组织，大幅度提高钢的综合性能，而且控轧控冷贝氏体钢勿需热处理工序，节能又节省合金资源，因此生产成本明显降低，从而具有广阔的应用前景。

现在有越来越多的人开始研究和发展贝氏体了。

贝氏体已经得到人们充分的关注，有很多人开始做贝氏体钢的研究，比如：

中高碳合金钢下贝氏体组织具有较高的强度和韧性；轴承钢采用等温淬火得到下贝氏体组织改善了钢的性能；具有高强度、高韧性、优良焊接性的超低碳贝氏体钢。

随着人们的逐渐研究和探索，我想越来越多的新贝氏体钢将会投入生产和使用！

左晓波

079024318

材料074班