Acta Metallurgica Sinica 2016 , 52 (10): 1326-1332 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00341

Orginal Article

低合金钢TMCP中相变热力学/动力学相关性探讨^*

刘峰, 王慷

西北工业大学凝固技术国家重点实验室, 西安 710072

DISCUSSIONS ON THE CORRELATION BETWEEN THERMODYNAMICS AND KINETICS DURING THE PHASE TRANSFORMATIONS IN THE TMCP OF LOW-ALLOY STEELS

LIU Feng, WANG Kang

State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China

通讯作者: Correspondent: LIU Feng, professor, Tel: (029) 88460374, E-mail: liufeng@nwpu.edu.cn

责任编辑: LIU FengWANG Kang

收稿日期: 2016-08-1

网络出版日期: 2016-10-27

基金资助: * 国家自然科学基金项目51431008和凝固技术国家重点实验室自主研究课题项目117-TZ-2015资助

作者简介:

作者简介: 刘峰, 男, 1974年生, 教授

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摘要

基于经典相变理论, 分析相变中关键热力学/动力学参量, 提出相变热力学/动力学相关性概念; 结合低合金钢控制轧制与控制冷却工艺(TMCP)涉及相变的实验研究, 总结热力学驱动力、动力学能垒与相变条件间关联; 进而探讨相变中热力学/动力学相关性; 最后对热力学/动力学相关性的潜在应用进行了展望.

关键词： 低合金钢 ; 相变 ; 热力学 ; 动力学 ; 相关性

Abstract

Thermo-mechanical control process (TMCP) plays a key role in the manufacturing of hot-rolled low-alloy steels, as well as the optimization of microstructures and properties. However, the various phase transformations involved in the TMCP of steels and its impact on the microstructures/properties are still not fully understood. In the present work, on the basis of classical theories of phase transformations and previous experimental results, the key parameters controlling the phase transformation processes are analyzed, from which the correlation between thermodynamics and kinetics of the phase transformations are proposed; then, this correlation in the phase transformations of low-alloy steels and its effect on the competing mechanisms of transformations are analyzed; based on well-established theories (i.e. the first-principles calculations and the double well potential in phase field methods), the energetics of the Bain path of Na and the fcc/bcc transformation of Fe are calculated to demonstrate the correlation between thermodynamics and kinetics. Eventually, the current work is summarized and the potential applications of the correlation between thermodynamics and kinetics of phase transformations are proposed.

Keywords： low-alloy steel ; phase transformation ; thermodynamics ; kinetics ; correlation

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刘峰, 王慷. 低合金钢TMCP中相变热力学/动力学相关性探讨^*[J]. , 2016, 52(10): 1326-1332 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00341

LIU Feng, WANG Kang. DISCUSSIONS ON THE CORRELATION BETWEEN THERMODYNAMICS AND KINETICS DURING THE PHASE TRANSFORMATIONS IN THE TMCP OF LOW-ALLOY STEELS[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(10): 1326-1332 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2016.00341

在钢铁材料中, 热轧结构钢占钢材总量的80%以上, 这也表明, 制备热轧钢材所必须的控制轧制与控制冷却工艺(thermo-mechanical control process, TMCP)占据极其重要的战略地位. TMCP旨在通过控制变形和控制冷却实现对相变的控制, 进而调控微结构, 优化钢材性能. 以高强度低合金钢为代表, 该过程涉及多个相变过程, 包括凝固、低温相(铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体)向奥氏体转变、再结晶(当前将再结晶作为一种特殊相变)、奥氏体向低温相转变、相析出等过程. 大量实验表明^[1,2], 这些相变过程的控制机制随热力学、动力学条件而异, 进而影响材料的最终组织和性能. 例如, 在凝固过程中, 随冷却速率增大, 凝固过程由溶质扩散控制转变为热扩散控制^[3]; 在奥氏体向铁素体转变过程中, 随冷却速率增大或等温温度降低, 转变过程由长程扩散控制转变为界面控制^[4]; 在奥氏体向贝氏体转变过程中, 随冷却速率增大或等温温度降低, 转变机制也随之变化, 最终组织由上贝氏体转变为下贝氏体^[5]; 在奥氏体向马氏体转变中, 随冷却速率增大或等温温度降低, 最终马氏体组织的板条也随之减小^[6]. 上述复杂相变为钢铁材料组织调控带来很大自由度, 可通过控制转变条件得到不同组织以满足不同工程应用.

相变决定组织, 而组织决定性能, 所以相变过程的理论描述是材料科学的核心课题之一. 相变过程属于非平衡体系演化, 其理论描述可大致分为热力学和动力学两方面. 相变热力学描述体系状态, 主要针对自由能、焓值等热力学参量的变化, 旨在研究平衡系统各宏观性质之间的相互关系, 揭示变化过程的方向和限度^[7,8]; 而相变动力学针对体系状态参量随时间的演化, 依赖转变路径而主要探讨动力学能垒、体系特征参量(新相晶核数量、尺寸、相分数等)的演化问题^[7,9]. 低合金钢TMCP中各种相变机制间竞争受热力学(温度区间、变形量等)、动力学条件(冷却速率、应变速率等)共同控制, 且相变热力学与动力学并非完全独立, 而是相互关联^[10]. 因此, 探索TMCP涉及相变的热力学与动力学关联, 进而与相变机制和微观组织建立关联, 具有重大理论和应用价值.

目前, 国内外尚未开展相变过程中热力学/动力学间关联的研究. 本文首先基于经典形核、生长理论, 分析相变过程中控制相变机制及组织的关键因素, 提出热力学/动力学相关性概念; 进而以低合金钢中相变为范例, 针对TMCP涉及的多种结构型相变(不包括磁性转变), 分析热力学和动力学在相变中的体现, 总结热力学参量与动力学参量间的关联; 然后, 选取两类同低合金钢TMCP紧密相关的典型相变, 基于第一原理计算和相场法中界面能量函数, 分析热力学/动力学相关性及其与相变条件之间的关联; 最后, 总结全文并对热力学/动力学相关性的潜在应用进行展望.

1 热力学/动力学相关性概念

在经典相变理论中, 涉及晶格重组的一级相变过程可分为形核和长大过程^[11]. 从能量变化角度考虑, 前者使体系能量升高, 需要体系的微观起伏克服能垒来实现, 过程在原子尺度发生^[11,12]; 后者使体系能量下降, 趋于稳定, 受原子在界面两侧的跃迁控制, 过程可在原子尺度、介观甚至宏观尺度发生. 经典形核理论主要讨论形核率与体系条件的关系^[11,12], 给定温度T(t)下, 单位体积内的形核率 $\begin{matrix} I (T (t)) \end{matrix}$ 为^[11,12]:

$\begin{matrix} I (T (t)) = Cωexp (- \frac{Δ G^{*} (T (t)) + Δ G_{a}}{kT (t)}) \end{matrix}$ (1)

式中, t为时间, k为Boltzmamm常数, C为潜在形核点的数密度(对于均质形核, C为常数; 对于异质形核, C随相变条件变化), $\begin{matrix} ω \end{matrix}$ 为原子振动的特征频率, $\begin{matrix} Δ G^{*} (T (t)) \end{matrix}$ 为临界形核功, $\begin{matrix} Δ G_{a} \end{matrix}$ 为原子在界面处跃迁的激活能. 在相变过程中, 潜在形核点的数密度主要由母相初始状态(缺陷、杂质分布等)^[11,12]决定, 其数值和原子振动频率数量级随相变条件的变化均不明显. 在经典形核理论中, 不同相变条件下, 整体激活能项(即 $\begin{matrix} Δ G^{*} (T (t)) + Δ G_{a} \end{matrix}$ )受温度、原子局域环境影响显著, 因此形核过程主要控制参数为临界形核功与原子在界面处跃迁的激活能之和.

经典生长理论主要指Wilson-Frankel方程^[13]以及Turnbull等^[14]对该理论的拓展, 主要研究界面迁移速率与温度、界面成分等参量的关系, 界面迁移速率 $\begin{matrix} v (T (t)) \end{matrix}$ 为^[10,15]:

$\begin{matrix} v (T (t)) = v_{0} \exp (- \frac{Q_{G}}{RT (t)}) (1 - \exp (\frac{ΔG}{RT (t)})) \end{matrix}$ (2)

式中, $\begin{matrix} v_{0} \end{matrix}$ 为界面迁移速率的上限(在碰撞控制生长中, $\begin{matrix} v_{0} \end{matrix}$ 为该材料中声速; 扩散控制生长中, $\begin{matrix} v_{0} \end{matrix}$ 为原子在母相中的扩散速率^[14,15]), $\begin{matrix} Q_{G} \end{matrix}$ 为界面附近原子从母相到新相跃迁的能垒(即生长的动力学能垒, 受相变机制和界面处原子跃迁影响), $\begin{matrix} R \end{matrix}$ 为理想气体常数, $\begin{matrix} ΔG \end{matrix}$ 为界面附近新相与母相的自由能差(即热力学驱动力). 在式(2)中, 体系温度T(t)受体系的外界条件控制, 在给定转变条件时 $\begin{matrix} v_{0} \end{matrix}$ 为常数, 因此界面迁移速率主要受 $\begin{matrix} ΔG \end{matrix}$ 和 $\begin{matrix} Q_{G} \end{matrix}$ 控制.

上述分析表明, 控制相变过程的主要参数为新相与母相的自由能差和转变能垒: 前者的正负决定两相的稳定性关系以及相变能否发生(即相变方向), 其数值即为相变的热力学驱动力(简记为 $\begin{matrix} ΔG \end{matrix}$ ); 后者源于化学反应速率理论(亦称过渡态原理)^[16], 为激活态与初始状态能量的差值(为正), 其数值大小决定相变速率, 体现为相变能垒(简记为 $\begin{matrix} Q \end{matrix}$ ). 在式(1)和(2)中, 形核率与能垒关系、生长速率与驱动力和能垒均为指数关系, 因此驱动力、能垒较小的变化均可引起形核率和生长速率明显改变.

当式(1)和(2)被用来处理简单相变(相变机制单一)时, 一般只关注条件改变导致形核率和生长速率改变, 而没有关注驱动力和能垒间关联, 而在复杂相变中, 譬如, 在存在多种相变机制相互竞争的奥氏体向低温相转变中, 驱动力和能垒间关联尤为明显. 例如, 在Fe-C合金的γ/α相变中, 随着冷速增大, γ相与α相的自由能差增大, 即相变的热力学驱动力增大; 同时, 相变控制机制由长程扩散控制逐渐转变为界面控制, 而前者需要界面前沿母相中的长程扩散, 后者只需界面附近若干原子层的短程扩散, 理论分析表明后者的能垒较小^[17]. 当冷却速率足够高时, 相变机制由扩散型相变(包括长程扩散控制和界面控制)转变为切变型相变(无扩散)^[2,18], 前者需要原子长距离扩散, 后者需整体做小距离的切变, 显然切变型相变的能垒更小. 上述相变机制随相变条件的变化表明, 随相变热力学驱动力的增加, 相变机制由能垒较大的机制转变为能垒较小的机制. 由此可见, 相变热力学与动力学息息相关, 相变中热力学驱动力与动力学能垒之间存在关联, 称为热力学/动力学相关性.

2 热力学/动力学相关性在低合金钢TMCP中体现

本节简要从低合金钢涉及的奥氏体向低温相转变(无变形)、变形作用下相变及晶粒细化3方面总结相变热力学/动力学相关性的体现.

2.1 奥氏体向低温相的转变

不同冷速下奥氏体转变为铁素体、贝氏体或马氏体是低合金钢在连续冷却中发生的最基本相变. Zhao等^[19]研究发现, 当低碳微合金钢冷却过程中冷速介于1~30 ℃/s时, 会出现两类中温转变组织, 分别是600~500 ℃范围内生成的粒状贝氏体或针状铁素体组织(扩散、切变混合型相变产物^[20])和500~400 ℃范围内生成的板条状贝氏体铁素体组织(切变型相变产物^[5]). 类似地, Liu等^[4]在Fe-0.01C (原子分数, %)合金奥氏体化后的冷却过程中发现, 随冷速增大, γ-α相变开始温度降低, 且相变机制逐渐由长程扩散控制向界面控制转变; 当冷速足够大时, 只发生界面控制的块体转变. 低碳Mo-Cu-Nb-B钢进行奥氏体化处理后, 在670~480 ℃间不同温度保温发现, 随等温温度降低, 扩散控制生长的准多边形铁素体逐渐转变为扩散、切变混合控制的针状铁素体, 并最终形成切变型板条贝氏体铁素体^[21]. 在低温卷取型热轧双相钢的生产工艺中, 只有在(α+γ)两相区保温后对体系施加快冷, 才可避开扩散、切变混合型贝氏体转变, 使奥氏体发生纯切变控制的马氏体转变^[22]. 可见, 冷却速率和温度区间对奥氏体向低温相转变的热力学和动力学均产生影响, 随热力学驱动力提高, 相变类型由动力学能垒较大的扩散型相变向能垒较小的切变型相变转变^[23]. 当前, 对Fe-0.2C-1Mn-1Si (质量分数)低合金钢在1050 ℃等温5 min, 之后分别以80, 120和150 ℃/s冷却到室温时, 经透射电镜分析, 初生马氏体板条的宽度明显减小(图1). 进一步研究表明^[24], 随初始奥氏体晶粒尺寸减小, Fe-0.2C-1Mn-1Si 低合金钢连续冷却过程的马氏体相变开始温度降低, 计算表明相变热力学驱动力随之增大, 而马氏体在奥氏体晶界处形核及自催化形核的激活能随之减小. 上述结果表明, 奥氏体向低温相转变呈现出热力学驱动力提高(下降)和动力学能垒下降(提高)的规律.

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图1 Fe-0.2C-1Mn-1Si 低合金钢经1050 ℃等温5 min之后以不同冷速冷却到室温时的马氏体组织

Fig.1 The martensitic microstructure of the continuously cooled Fe-0.2C-1Mn-1Si low-alloy steel after isothermal holding at 1050 ℃ for 5 min, then cooled to room-temperature with the cooling rates of 80 ℃/s (a), 120 ℃/s (b) and 150 ℃/s (c)

2.2 变形作用下的相变过程

低合金钢的TMCP过程必然存在轧制, 且在不同温度范围内可能存在多道次变形, 因此变形条件下的相变过程被广泛研究, 诸多实验中也体现出相变的热力学/动力学相关性. Zhao等^[25]在研究热变形对Fe-0.045C-1.94Mn-0.35Si合金后续冷却过程的影响时发现, 合金在850 ℃热变形后的冷却中, 相比未施加变形合金, 针状铁素体的形成温度区间由400~600 ℃扩大为450~700 ℃; 同样, Smith和Siebert^[26]将Fe-0.1C-(0.24~0.66)Mo合金在830 ℃分别施加12%, 25%和50%的变形量后以一定冷速进行冷却, 发现马氏体转变开始温度随变形量增大而升高, 在50%变形量下马氏体相变开始温度升高了30~50 ℃. 此外, 王昭东等^[27]将低碳微合金钢Fe-0.1C-1.6Mn-0.313Si在800 ℃分别施加0%, 20%及65%的变形量后, 研究固定冷速下的贝氏体转变, 发现随变形量增加, 扩散型相变的能垒逐渐降低, 切变型产物(板条状贝氏体、马氏体)逐渐被扩散、切变混合型产物(针状铁素体和粒状贝氏体)所取代. 以上案例可见, 变形引起的储存能改变初始奥氏体热力学状态, 增加奥氏体向低温相转变的驱动力, 有利于能垒较小的相变机制发生; 同时, 变形会引起奥氏体中缺陷增多, 降低扩散激活能, 进而利于扩散型相变发生. 实际变形条件下相变的复杂组织正是上述2种效应间博弈的结果.

2.3 涉及形变和相变的晶粒细化过程

形变诱导铁素体相变(deformation induced ferrite transformation, DIFT)、形变热处理及微合金化是钢铁材料中最常见的3种晶粒细化手段. DIFT中, 热力学驱动力随储存应变能提高而增加, 致使形核率大幅提升; 而晶粒长大则由于大量晶核消耗几何空间、第二相钉扎和位错塞积而很难进行^[28]. 例如, Matsumura和Yada^[29]发现, 通过1073 K多道次变形, 普通C-Mn钢的铁素体晶粒尺寸可细化到1~3 μm, 并且通过高温原位X射线衍射分析获得了形变诱导相变细化晶粒的直接证据^[30]. 形变热处理依靠形变提供热力学驱动力, 使材料再结晶或奥氏体化时形核率升高, 淬火则抑制长大而实现组织细化^[28]. 余伟等^[31]对N80级石油套管钢的研究发现, 高温变形处理后的冷却条件会对组织有显著影响, 钢管经1100 ℃下45%的变形后, 快冷至400 ℃, 随后再奥氏体化、淬火, 可使组织晶粒度提高2.5~3级. 微合金化技术则借助碳、氮化物在固态成形过程中的析出钉扎晶界, 阻碍再结晶进程, 使晶粒细化^[28]. Wang等^[32]研究发现, 添加Nb, Nb/V和Nb/Mo等微合金元素能够获得高强度的TRIP钢, 其原理为热轧过程中形成小尺寸的氮、碳化物, 钉扎晶界, 阻碍再结晶进程, 使晶粒细化. 为促使晶粒细化, 上述TMCP调控手段虽在技术层面上有所不同, 在体系演化过程加入外界干预(DIFT晶粒之间的硬碰撞、淬火、第二相钉扎等), 打断体系向平衡态的自然演化过程(即晶粒充分长大), 使新相晶粒不能充分长大, 但是其理论核心均可描述为: 通过技术手段使得调控过程中热力学驱动力提高(提高形核率)与动力学能垒增大(抑制长大)同步发生, 这实际体现出热力学驱动力提高和动力学能垒下降的无法协同.

3 热力学/动力学相关性在相变理论中的体现

如前所述, 目前鲜有在热力学/动力学相关性方面的研究. 此外, 钢铁体系结构相变同时受到磁性转变的影响, 理论计算难度较大. 在此, 基于第一原理计算和相场法中双阱势函数这2种广泛应用的研究方法, 分别对简单金属Na体系的Bain转变过程及纯Fe的fcc/bcc相变过程的热力学/动力学相关性进行计算及探讨. 虽然上述过程在低合金钢TMCP过程中不存在, 但Bain转变被广泛应用于晶格稳定性和fcc/bcc马氏体转变研究, 与低合金钢中马氏体相变密切相关, 而Fe的fcc/bcc相变更是合金中铁素体组织形成的基础, 研究上述过程的热力学/动力学相关性对于低合金钢TMCP中相变研究有引导作用.

Bain转变通过沿体心四方(bct)晶格的c轴和a轴均匀变形, 使bct晶格的 $\begin{matrix} \frac{c}{a} \end{matrix}$ 从 $\begin{matrix} \sqrt{2} \end{matrix}$ (即fcc)转变为 $\begin{matrix} 1 \end{matrix}$ (即bcc), 实现fcc与bcc之间的转变^[11]. 当前选择金属Na是因为Na的bcc和fcc相均为能量极小值状态^[33], 因此可通过微动弹性带(nudged elastic band, NEB)算法计算最小能量路径^[34]; 与之相比, 在0 K时, fcc晶格Fe的铁磁态处于能量极大值点, 为分析带来困难^[35]. 因此, 当前对Na的Bain转变进行计算, 并以此分析该转变过程热力学/动力学相关性. 进行第一原理计算时采用2个原子的bct晶胞, 使用Vienna ab initial Simulation Package (VASP)程序包^[36], 布里渊区(Brillouin zone)积分采用Monkhorst-Paxton方法^[37]进行(22×22×22)的倒易空间网格划分, 交互关联势采用Perdew, Burke及Ernzerhof (PBE)的广义梯度近似^[38]. 对平衡态体积计算, 首先对bcc和bct $\begin{matrix} (\frac{c}{a} = \sqrt{2}) \end{matrix}$ 的晶格进行全自由度弛豫, 之后采用climbing-image NEB算法^[34], 固定晶格形状计算Bain转变路径; 改变fcc和bcc晶格的体积时, Bain路径计算采用固定晶格形状及体积的算法. 结果如图2所示, 平衡体积下bcc晶格Na处于亚稳态, 而fcc晶格的Na处于稳定态, 在Bain转变的最小能量路径中存在一个能量极大值点, 即过渡态. 由此得到的驱动力与能垒变化关系见图2, 可以看到, 随体积增大(即外压减小), Na的Bain转变的驱动力增大, 同时能垒减小.

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图2 金属Na的Bain转变过程中能量变化受体积影响

Fig.2 The effect of volume on the energetics of Bain path of Na (c—the lattice constant along the c-axis of the bct cell, a—the lattice constant along the a-axis of the bct cell, V—the volume of Na in the calculation, V₀—the equilibrium volme)
(a) the minimum energy path of Bain path under various volumes
(b) the variations of thermodynamic driving force and kinetic barrier of the Bain path with changing volume

相场法被广泛应用于金属材料的相变中, 其核心之一是界面处能量随序参量变化的函数关系, 其中应用广泛的形式之一是双阱势函数^[39]. 由文献[40,41]可知, 序参量可用于分析转变过程中能量的极小、极大值点, 近似反应初、末态和过渡态能量, 从而分析转变的驱动力、能垒. 采用焓值和温度, 界面处能量可表达为温度T和序参量η的函数^[42]:

$\begin{matrix} f (η, T) = g (η) + L ∙ \frac{(T - T_{0})}{T_{0}} ∙ H (η) \end{matrix}$ (3)

式中, L为转变焓变, T₀为转变温度, 且 $\begin{matrix} g (η) = η^{2} {(η - 1)}^{2} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} H (η) = - 2 η^{3} + 3 η^{2} \end{matrix}$ . 对于Fe的fcc/bcc转变的反应焓变1102 J/mol^[43]和转变温度1185 K^[43], 计算得到界面处能量变化趋势如图3所示, 其中过渡态和末态分别用红色和蓝色标出. 基于此分析转变的驱动力和能垒随温度变化(图3), 可见随转变温度的降低, fcc向bcc转变的驱动力增大, 而能垒减小.

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图3 基于相场法双阱势函数分析纯Fe的fcc/bcc转变的界面能量变化

Fig.3 The change of free energy profile with temperature during the fcc/bcc transformation of Fe estimated using the double-well potential in phase filed method
(a) the change of free energy with order parameter
(b) the variations of thermodynamic driving force and kinetic barrier with changing temperature

以上计算表明, 在金属Na的Bain转变过程及纯Fe的fcc/bcc相变中, 随相变条件的变化, 相变的热力学驱动力增大(减小)与动力学能垒的减小(增大)协同变化, 与无变形及变形条件下奥氏体向低温相转变的实验规律相同. 虽然低合金钢的TMCP过程中不存在上述转变, 但Bain转变是马氏体相变最基本的晶体学模型, 纯Fe的fcc/bcc相变亦与低合金钢中奥氏体/铁素体转变机制类似, 因而上述计算所得规律亦适用于低合金钢中的相变. 低合金钢中相变的热力学/动力学相关性计算将在后续工作中进行.

4 相变热力学/动力学相关性的潜在应用

以上分析表明, 热力学驱动力和动力学能垒在相变过程中存在关联, 而在给定合金和转变条件时, 相变的热力学驱动力、动力学能垒和相变组织间也存在关联. 热力学驱动力和动力学能垒间的博弈决定了相变宏观-微观体系的发展, 由此引发热力学/动力学相关性问题, 即如何搭建热力学与动力学、宏观和微观之间可以互通的桥梁, 并利用该相关性设计低合金钢TMCP调控工艺. 目前, 低合金钢TMCP涉及相变的热力学/动力学相关性理论研究正在进行. 关于其潜在应用, 图4中给出利用相变热力学/动力学相关性做为桥梁, 将相变热力学、动力学条件与相变组织及性能计算相联系, 进而实现TMCP调控中加工条件-相变理论-组织性能一体化和定量化研究框架. 在应用中, 针对给定合金, 可计算相变过程的有效驱动力和能垒, 结合少量实验分析, 得到不同转变条件下热力学驱动力、动力学能垒及相变组织特征之间对应关系, 即相变的热力学/动力学相关性; 在给定转变条件下, 利用该关系可得到转变机制及组织特征, 结合相变模型计算得到组织特征参数, 即实现终态组织的预测; 反之, 若已确定目标性能及目标组织, 可结合相变的热力学/动力学相关性及相变模型计算获得目标组织所需的最佳热力学/动力学条件, 并转化为相应的调控工艺参量, 实现面向目标组织的调控工艺过程设计及工艺参量优化. 上述思路可能改变以往TMCP调控中试错法(trial and error)的传统模式, 使得新一代TMCP的工艺设计更有针对性, 从而大幅缩短设计周期以降低成本.

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图4 TMCP调控中加工条件-相变理论-组织性能一体化和定量化研究的逻辑关系图

Fig.4 The logical loop integrating the processing conditions, phase transformation theories and microstructure/properties for quantitative designing of the TMCP route (TMCP—thermo-mechanical control process)

5 总结

本文从经典形核、生长理论出发, 分析相变过程中关键的热力学/动力学参量, 提出热力学/动力学相关性, 进而结合钢铁材料TMCP过程中涉及相变的实验研究, 分析相关性在相变中的体现. 理论结合TMCP实验分析表明, 相变过程受热力学驱动力和动力学能垒共同控制; 与Na的Bain转变及Fe的fcc/bcc中趋势一致, 随相变热力学驱动力提高, 相变的动力学能垒均减小. 由于热力学/动力学相关性通过相变驱动力、能垒将相变条件与组织特征联系起来, 形成TMCP调控中加工条件-相变理论-组织性能间的逻辑闭环, 因而必将为TMCP加工过程中相变的组织预测和工艺设计带来新理念.

The authors have declared that no competing interests exist.

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低合金钢TMCP中相变热力学/动力学相关性探讨*

DISCUSSIONS ON THE CORRELATION BETWEEN THERMODYNAMICS AND KINETICS DURING THE PHASE TRANSFORMATIONS IN THE TMCP OF LOW-ALLOY STEELS

1 热力学/动力学相关性概念

2 热力学/动力学相关性在低合金钢TMCP中体现

2.1 奥氏体向低温相的转变

2.2 变形作用下的相变过程

2.3 涉及形变和相变的晶粒细化过程

3 热力学/动力学相关性在相变理论中的体现

4 相变热力学/动力学相关性的潜在应用

5 总结

低合金钢TMCP中相变热力学/动力学相关性探讨^*