Acta Mater.：相变诱导塑性（TRIP）钢中同时形成贝氏体和铁素体的相场模拟

【引言】

相变诱导塑性（TRIP）钢主要是由铁素体、贝氏体、马氏体和大量残余奥氏体（0.10-0.20）组成的复杂组织，其微观组织中存在的残留奥氏体显著提高了材料的强度和伸长率。

TRIP效应是指在变形过程中由应变引起的残余奥氏体向马氏体的转变。钢中由于添加了Si或Al，碳化物沉淀在贝氏体转变阶段期间被推迟，从而形成不含碳化物的贝氏体。所以在形成贝氏体期间，剩余的奥氏体为富碳相，在室温下可以保持高稳定性。

TRIP钢可采用许多半经验相变模型模拟，这些模型主要是基于Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）方法，此外，在TRIP钢中也可以应用贝氏体形成的分析模型。这些半经验的方法是用来描述铁素体和贝氏体转变整体动力学的有利工具，然而，它们并没有考虑到微观复杂结构的形态方面。为了结合铁素体和贝氏体的形态特征，可以使用现在广泛用于奥氏体分解的中尺度方法，包括：相场模拟（PFM），蒙特卡罗（MC）方法和细胞自动机（CA），PFM是一个强大的建模工具，因为它不需要明确地跟踪界面，常用于模拟具有复杂形态特征的微观结构演变。

【成果简介】

近日，不列颠哥伦比亚大学的Morteza Toloui (通讯作者)在Acta Materialia.上发表了题为“Phase field modeling of the simultaneous formation of bainite and ferrite in TRIP steel”的文章，他们的研究表明，在相变诱导塑性（TRIP）钢中的贝氏体转变期间，添加的Si或Al可以延迟渗碳体沉淀，相变产物通常被称为无碳化物贝氏体。

研究人员提出了一种校准多相场模型参数的方法，即模拟TRIP钢中奥氏体分解为铁素体和贝氏体，在奥氏体晶界处引入铁素体形核中心，用合适的界面迁移率，解释实验中铁素体的形成的动力学机制；贝氏体成核是在合适的界面位置（即奥氏体晶界，奥氏体-铁素体界面），或在很高的过冷度下的奥氏体晶粒内发生。为了简化，考虑了无碳化物贝氏体的形成，提出了适合奥氏体-贝氏体界面迁移的各向异性方法，这是模型的基准，可以通过连续冷却变化的实验数据进行验证。

【图文导读】

图1 I型形核后的贝氏体的生长示意图

a）I型形核后的贝氏体的滑轮生长方式示意图；

b）I型形核后的贝氏体的多面增长的3维示意图。

图2 各向异性参数对在PAGB贝氏体形核时形态的影响

(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。

红色，蓝色和黄色分别表示奥氏体，界面和贝氏体。

图3 连续冷却转化动力学的实验与MPFM模拟对比

图4 实验与预测的微观结构对比

a，b）情况1，加热温度为1223K，冷却速率1 K/s

c，d）情况6，加热温度为1373K，冷却速率5 K/s

红色，黄色和白色区域分别代表奥氏体（即最终显微组织中的马氏体），铁素体和贝氏体。

图b和d是通过将4个相同的模拟微结构拼接在一起而得到的，图b中的正方形区中代表仿真区域。

图5 计算与实验中的TRIP钢的转化产物比例对比

【小结】

此研究开发了一种集成的扩散奥氏体分解相场模型，能够同时描述铁素体和贝氏体的转变。现有的模型和分析不考虑马氏体相变，因为其是一种位移转换。在该模型中，可以使用取向角度来处理奥氏体/铁素体和奥氏体/贝氏体的晶体学取向关系。通过许多子模型的整合，可清晰地描述基础微观结构，并且每个子模型都含有基准冷却测试数据。

此模型已被应用于高硅含量阻碍碳化物析出的Mo TRIP钢，从而形成无碳化物的贝氏体。模拟的可靠性已经用在不同基准情况的CCT情况得到了验证。

总体而言，该模型合理地描述了铁素体和贝氏体扩散的形成，虽然没有明确考虑应变效应，但模型的预测结果与实验的动力学数据和形态观察结果一致。而综合模型是在校准给定的钢种后，将第一阶段场模型应用在竞争性扩散奥氏体分解成铁素体和上贝氏体之中，再根据转变动力学以及转化产物的组分与复杂形态，描述了同时形成铁素体和贝氏体的过程。

目前的模型只考虑贝氏体的一种变体，即上贝氏体，有关下贝氏体的研究还需要更多的晶体取向的数据，尤其是奥氏体-贝氏体相变特征的不同取向变体，并且此模型还可以考虑贝氏体转变的应变效应和位移的影响。

文献链接：Phase field modeling of the simultaneous formation of bainite and ferrite in TRIP steel（Acta Materialia.,2017,DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.047）

本文由材料人编辑部新人组欧仪编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷!