爱华网关键词：贝氏体相变；贝氏体组织；贝氏体钢
1、引言
上世纪20年代末，Robertson首次在钢中发现后来被命名为贝氏体的中温转变产物。后来研究人员又进一步发现了上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体、反常贝氏体、块状贝氏体、低碳低合金贝氏体、准贝氏体等组织形态，形成了比较完整的贝氏体相变理论。近几十年来，贝氏体理论的应用研究取得了重大进展，贝氏体钢的研究开发已经引起学术界和工程界的高度重视，贝氏体钢在工业生产中也得到广泛应用。
2、贝氏体钢的分类与特点
国内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。
2．1Mo-B系或Mo系贝氏体钢
20世纪50年代，英国人PBPickering等发明了Mo-B系空冷贝氏体钢。Mo和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。Mo-B系或Mo系贝氏体钢的出现受到世人的重视，但由于Mo原料价格昂贵，同时Mo-B钢起始转变温度较高，产品强韧性差，为降低此温度，还必须将Mo-B钢复合金化，从而提高了生产成本，因此其发展受到一定限制。
2．2Mn-B系贝氏体钢
清华大学方鸿生等[1]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；Mn与B结合，使高温转变孕育期明显长于中温转变，以此成功地用普通元素进行合金化，发现出Mn-B系空冷贝冷氏体钢。由于适量的Mn可导致其在中温下要界处富集，对相界迁移起拖曳作用，与B共同作用容易获得贝氏体；同时Mn显著降低贝氏体相变驱动力，使贝氏体相变温度降低，细化贝氏体尺寸，改善韧性和强度。它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Mn-B系列贝氏体钢。
2．3新型准贝氏体钢
康沫狂等[2]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。
在钢中加入一些合金元素，可以推迟TTT曲线铁素体和珠光体的开始析出线，而对贝氏体的开始析出线影响不大，从而可以在很大的冷速范围内获得贝氏体组织。新型准贝氏体钢即是通过合理的合金化，保证在很大的冷速范围内可获得准上贝氏体、准下贝氏体或者是它们的混合组织，形成了一般强度、高强度和超高强度系列准贝氏体钢。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，其力学性能超过了当前的典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢。
2．4其它类型贝氏体钢
2．4．1超细组织空冷贝氏体钢
本风照等[3]根据贝氏体相变原理，通过成分的合理控制和优化的冷却制度，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，使奥氏体晶粒尺寸显著减小，显微组织明显细化，碳化物弥散分布，开发了多元微合金化、加入少量或微量Mo、形成隐晶或细针状贝氏体的高品质贝氏体或高级贝氏体钢。该贝氏体钢以Mn、Si作为主要合金元素并添加微量元素组成，得到的显微组织为贝氏体、马氏体、碳化物和残留奥氏体；经回火处理后，消除了组织中部分残余应力，组织明显细化。
2．4．2奥氏体-贝氏体复相钢
该钢在合金设计上充分考虑了碳在钢中的强化作用和硅在贝氏体转变过程中强烈抑制碳化物析出的作用，同时加入Mn、Cr等防止石墨化并提高淬透性。该钢需要经过等温淬火，其显微组织特征为：钢中的碳全部固溶于贝氏体铁素体和奥氏体中，不析出碳化物；基体组织贝氏体铁素体是含碳硅等元素的过饱和固溶体，其亚结构为高密度位错；富碳奥氏体稳定性高，以薄膜状均匀分布于贝氏体铁素体板条之间，与贝氏体铁素体交替均匀排列。因而该类钢具有良好的强韧性[4]。
2．4．3Si-Mn-Mo系贝氏体钢
该钢添加合金包括Mn、Mo等。组织特征为：经过低温回火在板条马氏体中和贝氏体铁素体间都析出了弥散分布的ε-碳化物，产生第二相弥散强化作用。同时，未分解的残留奥氏体由于热稳定化和机械稳定化具有很高稳定性，这样组织中固溶强化、弥散强化、亚结构强化和相变强化等得到充分发挥，使钢获得超高强度。而回火时残余应力的释放、回火马氏体的形成以及一定量稳定残留奥氏体的存在，又使钢的塑韧性得到显著改善[5]。
3、贝氏体钢在工业生产中的应用
由于贝氏本钢具有良好的综合力学性能，而且其成本相对较低，因此贝氏体钢在实际生产中得到了广泛的应用。
3．1贝氏体非调质钢
提高非调质钢韧性的途径，一是在传统的铁素体-珠光体基体上，改变其化学成分和组织状态；另外是改变基体组织。其中，开发以贝氏体为基体组织，具有良好强韧性的低碳含V、B以及较高Mn的微合金化非调质钢即是一个主要途径。由于低碳贝氏体非调质钢既具有高的强度，又具有良好的韧性，特别是在低温状态下仍具有较高的韧性，因而可用于制作汽车前梁等。
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主为及少量铁素体和珠光体的显微组织，其抗拉强度达到800-1000MPa，室温冲击韧度为50J/cm2，而-40℃仍高到40J/cm2[6]；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可获得贝氏体组织，锻后冷却速度越快，强度越高，而塑韧性基本稳定；冷却速度越慢，可获得更好的低温性能，适合于要求强度高、韧性好的汽车行走系部件；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[7]。
3．2超高强度贝氏体钢
大量的工程应用实践表明，贝氏体及贝氏体复相组织具有优良的综合力学性能，在开发超高强度贝氏体钢方面的研究主要是获得贝氏体及贝氏体复相组织的基础上通过晶粒细化以及弥散强化等措施获得高强度。Si-Mn-Mo系贝氏体钢在890℃奥氏体化空冷后进行不同温度的回火处理，得到了σb≥1800MPa的超高强度钢；康沫狂等在准贝氏体钢的研究中采用低温回火热处理，可以获得σb≥1600MPa以上的超高强度，可用于制作V级钢筋、弹簧等超--高强度构件。
FGCaballello等在设计高强度贝氏体钢的研究中，设计了Fe-0.2C-Si3Mn和Fe0.4C-2Si-4Ni两种在恰好[8]。研究发现，Fe-0.2C-2Si-3Mn贝氏体钢表现出良好的断裂韧度（KIc=160MPa·m1/2），强度可以达到1375-1440MPa，而增加碳含量，即Fe-0.4C-2Si-4Ni成分的贝氏体钢强度右达1500-1840MPa，其断裂韧度稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢[9]。这两种钢均需回火处理。
3．3贝氏体钢在塑料模具行业的应用
精密塑料模具对尺寸精度和表面粗糙度要求较高。上海交通大学和华中科技大学开发了不经热处理，锻轧后即可达到30-38HRC的非调质易切削塑料模具钢。该钢在锻轧后进行空冷获得贝氏体-铁素体的复相组织，具有良好的强韧性，其性能为σb＞1000MPa，αk＞36J/cm2；宝钢研制的微合金化塑模钢在性能上可以与进口塑模钢P20相媲美而其价格仅为进口同类产品的50%[7]；清华大学研制了新型中碳硅锰硼系易切削塑料模具钢，它用硅、锰和硼进行合金化，工艺简单，空冷即可获得具有良好强韧性的贝氏体/马氏体复相组织[10]。目前已实现工业化生产。
3．4耐磨钢
清华大学在Mn-B系列贝氏体耐磨钢的开发与应用方面做了大量的工作。用普通元素锰和微量硼进行合金化，通过控制空冷条件自硬获得的贝氏体钢球，具有整体硬度高同时具有高韧性和低破碎率等优良性能。截齿用钢不仅免去淬火处理，而且截齿柄十强韧性高，刀头硬度≥50HRC，不易磨损；中低碳（0.3%C）SiMnCr钢离心铸管，其组织以贝氏体为主，并复合有回火马氏体及少量残余奥氏体，具有致密程度高、组织细化等优点，在硬度高到45HRC时，还有具较优良的韧性，αk≥40J/cm2。该离心铸管现场使用效果良好，其使用寿命较原用材料16Mn提高两倍。
3．5贝氏体钢板材
管线钢的需求促进了高强韧性、耐低温且易焊接的超低碳贝氏体（ULCB）钢的发展。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。
低碳微合金化控轧贝氏体钢的研制成功后，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的控轧贝氏体钢。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）＜-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ULCB-100型超低碳贝氏体中厚钢板[1]，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℃。但该类钢Ni、Mo含量较高，含碳量低于0.03%，因此需要进行炉外精炼工艺处理，同时还对TMCP工艺设备提出了较高要求。
目前，我国许多钢板生产厂尚不具备这些高强韧性钢生产所需的炉外精炼、控轧控冷及淬回火条件。清华大学利用廉价的普通元素对低碳贝氏体钢进行适当的组织与合金设计，在普通条件下生产出仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相钢。它以Mn、Cr作为主要合金元素，加入适量的Si以抑制碳化物的形成，增加残余奥氏体的稳定性，提高钢的回火抗力。在连续空冷过程中先形成一定量晶粒尺寸较小的仿晶界型铁素体作为韧化相，富碳过冷奥奥氏体转变成粒状贝氏体，进而得到高韧性的仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相组织[12]。经生产试验表明，该钢的强韧性能优良，抗拉强度为850MPa，屈服强度为540MPa，冲击韧度（-40℃）αk=34J/cm2，与同类钢相比，生产工艺简单，成本低廉。
4、贝氏体钢的发展前景展望
国内贝氏体钢的研究开发中，添加元素为一般合金元素，不存在冶炼、浇注、轧制等方面的困难，企业在不增加设备的情况下即可组织生产，只要具备空冷条件即可。因此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。在开发贝氏体钢方面，应加强以下两方面的研究工作：
（1）贝氏体钢产品品种的开发除对现有贝氏体钢的生产工艺进行完善与优化外，还应不断开发新的贝氏体钢品种，扩大贝氏体钢产品的应用范围。贝氏体钢在模具用钢、耐磨冲击钢、我程构件用钢等领域的开发研究将进一步深入，同时研究开发贝氏体钢在弹簧、建筑用高强度钢筋、齿轮、标准件等的使用。
（2）加强控轧贝氏体钢的研制从低合金高强度钢的发展趋势来看，开发研制控轧贝氏体钢是十分必要的[13]。原因在于：①具有铁素体珠光体组织的低碳低合金高强度钢，由于采用控制轧制和微合金化，在保证高韧性和优异的焊接性条件下，已将宽厚板的屈服强度提高到500-550MPa的水平。欲提高强度级别，则需要通过发展贝氏体组织的低合金高强度钢来解决。②控轧贝氏体钢勿需热处理工序，节能又节省合金资源，因此生产成本低，具有广泛的应用前景。③贝氏体钢的中厚板可以通过控轧控冷充分细化组织，大幅度提高强度和韧性。如果在控轧条件下再采用Nb、Ti、V等元素合金化，既可以进一步细化贝氏体组织，又能充分发挥Nb、Ti、V等元素的沉淀硬化作用，显著提高钢的综合性能。因此对我国钢铁企业的发展是很有利的。
参考文献
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[13孙福玉控轧贝氏体钢的发展[J] 材料科学进展，1998，（3）：18-21
（孙德勒吴春京 谢建新）
