搜索
耿林哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学基础（材料相变原理）第5章贝氏体转变贝氏体转变是介于珠光体和马氏体转变之间的一种转变，又称为中温转变。其转变既具有珠光体转变特征有具有马氏体转变特征。在贝氏体转变温度条件下，碳原子可以扩散，但铁原子不能扩散，因此铁原子从面心立方到体心立方的晶格改组还必须依靠无扩散的共格切变来完成，这一点与马氏体转变类似。由于碳原子能够扩散，在铁原子切变的同时，碳原子扩散并产生碳化物析出，降低奥氏体中碳含量，这一点类似与珠光体转变。由于碳化物析出，降低了基体碳含量，使切变可以在较高温度进行，得到的铁素体有一定碳原子过饱和，但比马氏体低得多。第5章贝氏体转变从以上分析看出，中温转变产物贝氏体是由含碳量过饱和的铁素体和碳化物组成的机械混合物。它既不同于单相马氏体，又不同于平衡双相珠光体。从组织形貌上划分，贝氏体主要分为上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体等。其中下贝氏体具有优良的综合机械性能，得到广泛应用。贝氏体的强度和韧性都比较好，并且有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性。获得贝氏体采用的等温淬火可以防止或减小钢件淬火开裂和变形。第5章贝氏体转变(1)贝氏体转变需要一定的孕育期，可以等温形成，也可以连续冷却转变。(2)贝氏体转变是形核长大过程；铁素体按共格切变方式长大，产生表面浮凸；碳原子可以扩散，铁素体长大速度受碳扩散控制，速度较慢。(3)贝氏体转变有上限温度（Bs）和下限温度（Bf）。(4)较高温度形成的贝氏体中碳化物分布在铁素体条之间，较低温度形成的贝氏体中碳化物主要分布在铁素体条内部；随形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。(5)上贝氏体转变速度取决于碳在奥氏体中的扩散速度；下贝氏体转变速度取决于碳在铁素体中的扩散速度。(6)上贝氏体中铁素体的惯习面是(111)γ；下贝氏体铁素体的惯习面是(225)γ；贝氏体中铁素体与奥氏体之间存在K-S位向关系。5.1贝氏体转变的基本特征第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态一、上贝氏体上贝氏体形成于贝氏体转变区较高温度范围，中、高碳钢大约在350-550℃形成。上贝氏体为成束分布、平行排列的条状铁素体和夹于其间的断续条状渗碳体的混合物。多在奥氏体晶界形核，自晶界的一侧或两侧向晶内长大，具有羽毛状特征。低倍金相照片高倍电镜照片上贝氏体显微组织第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态一、上贝氏体上贝氏体中铁素体的亚结构是位错，其密度比板条马氏体低2－3个数量级，随形成温度降低，位错密度增大。随碳含量增加，上贝氏体中铁素体条增多、变薄，渗碳体数量增多、变细。随转变温度降低，上贝氏体中铁素体条变薄，渗碳体细化。上贝氏体中铁素体条间还可能存在未转变的残余奥氏体。第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态二、下贝氏体下贝氏体形成于贝氏体转变区较低温度范围，中、高碳钢大约在350℃-Ms之间温度形成。下贝氏体是由过饱和片状铁素体和其内部沉淀的渗碳体组成的机械混合物。铁素体片空间呈双凸透镜状，截面为针状或竹叶状，片间呈一定角度，可在奥氏体晶界形核，也可在奥氏体晶内形核。下贝氏体金相组织下贝氏体的铁素体中碳化物细小、弥散、呈粒状或条状，沿着与铁素体长轴成一定角度平行排列。下贝氏体铁素体的亚结构为位错，密度比上贝氏体高。下贝氏体中铁素体过饱和碳含量高于上贝氏体。第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态三、粒状贝氏体粒状贝氏体是低碳或中碳合金钢在上贝氏体转变区上限温度范围内形成的一种贝氏体组织。粒状贝氏体组织特征是：在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立小岛，小岛形态呈粒状或长条状。这些小岛在贝氏体刚刚形成时是富碳奥氏体，冷却时可分解为珠光体、马氏体或保留为富碳奥氏体。粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错。第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态四、无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体一般产生于低碳钢或硅、铝含量较高的钢中。无碳化物贝氏体是由大致平行的条状铁素体和条间富碳奥氏体或其转变产物组成的。无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮凸，铁素体中亚结构时位错。五、柱状贝氏体柱状贝氏体一般产生于高碳钢中，形成温度为下贝氏体形成温度。柱状贝氏体中铁素体呈放射状，碳化物分布在铁素体内部。六、反常贝氏体第5章贝氏体转变5.2贝氏体的组织形态七、BⅠ、BⅡ、BⅢBⅢ既不属于上贝氏体，也不属于下贝氏体，它具有较高的综合机械性，BⅢ加板条马氏体组织具有高强度和高韧性，有很大的工程应用价值。铁素体碳化物形成温度冷却速度BⅠ平行条状无碳化物600-500℃较慢BⅡ平行条状以杆状或断续条状分布在铁素体条间500-450℃中等BⅢ平行条状以粒状分布在铁素体条内450℃-Ms较快第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程一、贝氏体转变的热力学条件贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切变过程，兼具珠光体和马氏体转变特征。和其它相变一样，贝氏体转变的热力学条件也是驱动力和阻力分析。贝氏体转变的驱动力是体系的自由能差，阻力包括界面能和界面弹性应变能。贝氏体转变需要共格切变，因此弹性应变能阻力非常大，按照马氏体转变热力学分析，只有在Ms点以下相变驱动力才能克服阻力发生相变。贝氏体转变是在Ms点以上进行的，热力学条件是如何满足的呢？第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程一、贝氏体转变的热力学条件一方面，在贝氏体相变时，碳在奥氏体中发生预先扩散，重新分布。由于碳的扩散，降低了形成贝氏体中铁素体的碳含量，使铁素体的自由能降低，增大了新旧两相的自由能差，提高了相变驱动力。另一方面，碳原子从奥氏体中析出，使奥氏体中出现贫碳区，降低了切变阻力，使切变可以在较高温度发生。贝氏体转变也有温度区间，上限温度为Bs，下限温度为Bf，两个温度都随碳含量的提高而降低。第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程二、贝氏体的形成过程贝氏体转变是一个形核长大的过程，形核需要有一定的孕育期。在孕育期内碳原子在奥氏体中重新分布，形成贫碳区，并成为铁素体的形核部位，达到临界晶核尺寸后，将不断长大。由于转变温度较低，铁原子不能扩散，铁素体按共格切变方式长大，形成铁素体条或片。铁素体晶核长大过程中，过饱和的碳从铁素体向奥氏体中扩散，并于铁素体条间或铁素体内部沉淀析出碳化物，因此贝氏体长大速度受碳的扩散控制。按共格切变方式长大的铁素体和富碳奥氏体或碳化物的混合组织，称为贝氏体。贝氏体转变包括铁素体的成长与碳化物的析出两个基本过程，它们决定了贝氏体中两个基本相的特征。第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程二、贝氏体的形成过程低碳钢贝氏体转变温度较高时，在奥氏体晶界形成铁素体晶核。铁素体切变共格长大的同时，碳向奥氏体中扩散，铁素体中的碳也逐步脱溶至奥氏体中，形成了几乎不含碳的条状铁素体。富碳奥氏体在随后冷却过程中，有可能发生分解或转变为马氏体，也有可能形成残余奥氏体。无碳化物贝氏体第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程二、贝氏体的形成过程在上贝氏体形成温度范围内，首先在奥氏体晶界或附近贫碳区形成铁素体晶核，并成排地向奥氏体晶粒内长大。条状铁素体前沿碳原子不断向两侧扩散，铁素体中多余的碳向两侧相界面扩散。由于碳在铁素体中的扩散速度大于在奥氏体中的扩散速度，碳在铁素体两侧的奥氏体中富集，到一定程度时，在铁素体条间沉淀出渗碳体。上贝氏体上贝氏体形成过程示意图第5章贝氏体转变5.3贝氏体的热力学及转变过程二、贝氏体的形成过程高碳钢在贝氏体转变温度较低时，首先从奥氏体中析出渗碳体。针状渗碳体长大，使周围奥氏体碳含量降低，形成铁素体和渗碳体。反常贝氏体铁素体融合模型。如果铁素体内部没有岛状奥氏体，则成为无碳化物贝氏体。如果在碳化物条间有碳化物析出，则成为上贝氏体。粒状贝氏体第5章贝氏体转变5.4贝氏体动力学及其影响因素一、贝氏体转变的动力学特点具有孕育期，开始阶段转变速度较低，然后迅速增大，随后逐渐减小，趋于恒定。等温形成动力学具有扩散型相变特征提高奥氏体化温度和钢的合金化程度，使转变不完全性增大。提高等温转变温度，使转变不完全性增大。继续等温，残余奥氏体可能转变为珠光体或一直保持不变。后续降温，残余奥氏体可能转变为马氏体或一直保持不变。转变的不完全性－存在残余奥氏体第5章贝氏体转变5.4贝氏体动力学及其影响因素一、贝氏体转变的动力学特点上贝氏体的转变速度取决于碳在奥氏体中的扩散速度。下贝氏体的转变速度取决于碳在铁素体中的扩散速度。贝氏体的转变速度控制因素贝氏体等温转变图具有“C”曲线特征。贝氏体等温转变图与珠光体等温转变图和马氏体转变区域可能有不同程度的重叠。导致出现贝氏体和珠光体混合组织和贝氏体与回火马氏体混合组织。二、贝氏体等温转变图5-24第5章贝氏体转变5.4贝氏体动力学及其影响因素三、影响贝氏体转变动力学的因素碳含量提高，贝氏体转变速度减小，C曲线向右下方向移动。除钴和铝外，其它合金元素都使贝氏体的转变速度降低。碳、锰、镍等稳定奥氏体元素降低T0，减小相变动力，降低转变速度。铬、钼、钒等强碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的扩散速度，可能在奥氏体中与碳形成“原子气团”，增大切变阻力，降低转变速度。铝元素不形成碳化物，又降低奥氏体稳定性，提高转变速度。钴元素不形成碳化物，又提高碳的扩散速度，提高转变速度。化学成分的影响：第5章贝氏体转变5.4贝氏体动力学及其影响因素三、影响贝氏体转变动力学的因素奥氏体晶粒越大，形核区域越少，孕育期越大，转变速度越低。奥氏体晶粒大小的影响：奥氏体化温度提高（时间延长），碳化物溶解趋于完全，奥氏体成分均匀性增大，奥氏体晶粒长大，都使贝氏体转变速度降低。奥氏体化温度的影响：随转变温度降低，一方面相变驱动力增大，使转变速度提高；另一方面，碳原子扩散能力下降，使转变速度下降。所以，转变速度与转变温度的关系有极大值特征。C曲线。贝氏体转变温度的影响：第5章贝氏体转变5.4贝氏体动力学及其影响因素三、影响贝氏体转变动力学的因素在Bs点以上温度停留，部分碳化物析出，降低奥氏体中碳和合金元素含量，提高随后发生的贝氏体转变速度。在贝氏体转变区域的高温停留，可能发生部分贝氏体转变，奥氏体发生热稳定化，使后续在较低温度下发生的贝氏体转变速度降低。在较低温度停留，可能发生部分贝氏体转变或马氏体转变，奥氏体中产生点阵畸变，促进贝氏体形核，可加速后续在较高温度的贝氏体转变。奥氏体冷却时在不同温度停留或部分发生相变的影响：拉应力使贝氏体转变速度加快。奥氏体高温变形使贝氏体转变速度降低，低温变形加速贝氏体转变速度。应力及塑性变形的影响：第5章贝氏体转变5.5贝氏体的机械性能一、影响贝氏体机械性能的因素铁素体的形状：条状或针状比块状具有较高的硬度和强度。随转变温度降低，铁素体由块状向条状或针状转变。铁素体尺寸：原奥氏体晶粒越小，以及转变温度越低，铁素体尺寸越小，贝氏体的硬度和强度越高。铁素体晶粒（亚晶粒）尺寸越小，贝氏体强度越高，且韧性也提高。铁素体中碳的过饱和度：转变温度越低，铁素体中碳的过饱和度越大，贝氏体的硬度和强度越高，但韧性和塑性降低。铁素体的亚结构：转变温度越低，铁素体中的位错密度越高，贝氏体的强度和硬度越高。铁素体的影响：第5章贝氏体转变5.5贝氏体的机械性能二、非贝氏体组织对贝氏体混合组织机械性能的影响残余奥氏体量较少且均匀分布时，混合组织的强度降低较少，但塑性和韧性提高；当残余奥氏体含量较高时，强度明显降低。贝氏体转变温度越低，残余奥氏体量越少。残余奥氏体的影响：板条马氏体存在，使混合组织强度提高，韧性不变。片状马氏体存在，使混合组织强度提高，韧性下降。回火板条马氏体存在，对混合组织性能影响不大。回火片状马氏体存在，使混合组织的韧性降低。马氏体的影响：第5章贝氏体转变5.5贝氏体的机械性能二、非贝氏体组织对贝氏体混合组织机械性能的影响珠光体的存在，使混合组织的强度降低。出现索氏体或屈氏体，对混合组织的性能影响不大。珠光体的影响：由于冷却速度较慢，在要求获得下贝氏体组织时，可能有部分针状铁素体或上贝氏体形成，使混合组织的强度和韧性降低。针状铁素体和上贝氏体的影响：第5章贝氏体转变5.5贝氏体的机