Acta Mater.：相變誘導塑性（TRIP）鋼中同時形成貝氏體和鐵素體的相場模擬

【引言】

相變誘導塑性（TRIP）鋼主要是由鐵素體、貝氏體、馬氏體和大量殘余奧氏體（0.10-0.20）組成的復雜組織，其微觀組織中存在的殘留奧氏體顯著提高了材料的強度和伸長率。

TRIP效應是指在變形過程中由應變引起的殘余奧氏體向馬氏體的轉變。鋼中由于添加了Si或Al，碳化物沉淀在貝氏體轉變階段期間被推遲，從而形成不含碳化物的貝氏體。所以在形成貝氏體期間，剩余的奧氏體為富碳相，在室溫下可以保持高穩定性。

TRIP鋼可采用許多半經驗相變模型模擬，這些模型主要是基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）方法，此外，在TRIP鋼中也可以應用貝氏體形成的分析模型。這些半經驗的方法是用來描述鐵素體和貝氏體轉變整體動力學的有利工具，然而，它們并沒有考慮到微觀復雜結構的形態方面。為了結合鐵素體和貝氏體的形態特征，可以使用現在廣泛用于奧氏體分解的中尺度方法，包括：相場模擬（PFM），蒙特卡羅（MC）方法和細胞自動機（CA），PFM是一個強大的建模工具，因為它不需要明確地跟蹤界面，常用于模擬具有復雜形態特征的微觀結構演變。

【成果簡介】

近日，不列顛哥倫比亞大學的Morteza Toloui (通訊作者)在Acta Materialia.上發表了題為“Phase ?eld modeling of the simultaneous formation of bainite and ferrite in TRIP steel”的文章，他們的研究表明，在相變誘導塑性（TRIP）鋼中的貝氏體轉變期間，添加的Si或Al可以延遲滲碳體沉淀，相變產物通常被稱為無碳化物貝氏體。

研究人員提出了一種校準多相場模型參數的方法，即模擬TRIP鋼中奧氏體分解為鐵素體和貝氏體，在奧氏體晶界處引入鐵素體形核中心，用合適的界面遷移率，解釋實驗中鐵素體的形成的動力學機制；貝氏體成核是在合適的界面位置（即奧氏體晶界，奧氏體-鐵素體界面），或在很高的過冷度下的奧氏體晶粒內發生。為了簡化，考慮了無碳化物貝氏體的形成，提出了適合奧氏體-貝氏體界面遷移的各向異性方法，這是模型的基準，可以通過連續冷卻變化的實驗數據進行驗證。

【圖文導讀】

圖1 I型形核后的貝氏體的生長示意圖

a）I型形核后的貝氏體的滑輪生長方式示意圖；

b）I型形核后的貝氏體的多面增長的3維示意圖。

圖2 各向異性參數對在PAGB貝氏體形核時形態的影響

(a) kst =0.08, kkin =0.01；

(b) kst =0.01, kkin =0.01；

(c) kst =0.01, kkin =0.04；

(d) kst =0.04, kkin =0.04；

(e) kst =0.3, kkin =0.04；

(f) kst =0.08, kkin =0.3；

(g) kst =0.3, kkin =0.3。

紅色，藍色和黃色分別表示奧氏體，界面和貝氏體。

圖3 連續冷卻轉化動力學的實驗與MPFM模擬對比

圖4 實驗與預測的微觀結構對比

a，b）情況1，加熱溫度為1223K，冷卻速率1 K/s

c，d）情況6，加熱溫度為1373K，冷卻速率5 K/s

紅色，黃色和白色區域分別代表奧氏體（即最終顯微組織中的馬氏體），鐵素體和貝氏體。

圖b和d是通過將4個相同的模擬微結構拼接在一起而得到的，圖b中的正方形區中代表仿真區域。

圖5 計算與實驗中的TRIP鋼的轉化產物比例對比

【小結】

此研究開發了一種集成的擴散奧氏體分解相場模型，能夠同時描述鐵素體和貝氏體的轉變。現有的模型和分析不考慮馬氏體相變，因為其是一種位移轉換。在該模型中，可以使用取向角度來處理奧氏體/鐵素體和奧氏體/貝氏體的晶體學取向關系。通過許多子模型的整合，可清晰地描述基礎微觀結構，并且每個子模型都含有基準冷卻測試數據。

此模型已被應用于高硅含量阻礙碳化物析出的Mo TRIP鋼，從而形成無碳化物的貝氏體。模擬的可靠性已經用在不同基準情況的CCT情況得到了驗證。

總體而言，該模型合理地描述了鐵素體和貝氏體擴散的形成，雖然沒有明確考慮應變效應，但模型的預測結果與實驗的動力學數據和形態觀察結果一致。而綜合模型是在校準給定的鋼種后，將第一階段場模型應用在競爭性擴散奧氏體分解成鐵素體和上貝氏體之中，再根據轉變動力學以及轉化產物的組分與復雜形態，描述了同時形成鐵素體和貝氏體的過程。

目前的模型只考慮貝氏體的一種變體，即上貝氏體，有關下貝氏體的研究還需要更多的晶體取向的數據，尤其是奧氏體-貝氏體相變特征的不同取向變體，并且此模型還可以考慮貝氏體轉變的應變效應和位移的影響。

文獻鏈接：Phase ?eld modeling of the simultaneous formation of bainite and ferrite in TRIP steel（Acta Materialia.,2017,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.047）

本文由材料人編輯部新人組歐儀編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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