贝氏体转变的特点

湖北汽车工业学院1第五章、贝氏体转变湖北汽车工业学院25.1贝氏体的组织形态和亚结构钢经奥氏体化后过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区时，将发生贝氏体相变，亦称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为铁素体基体加渗碳体的非层状组织。贝氏体相变兼有切变共格型相变和扩散型相变的特征。湖北汽车工业学院31.上贝氏体
在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢,大约在350~550℃区间。典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形。在电镜下观察时可看到上贝氏体组织为一束大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混合物，在条状铁素体中有位错缠结存在。湖北汽车工业学院4上贝氏体组织金相图湖北汽车工业学院5钢中典型上贝氏体组织示意图湖北汽车工业学院6较高温度形成的上贝氏体，其中渗碳体一般分布在铁素体条之间；光镜下光镜下光镜下光镜下电镜下电镜下电镜下电镜下湖北汽车工业学院7一般情况下，随钢中碳含量增加，上贝氏体中的铁素体条增多并变薄，条间渗碳体的数量增多，其形态也由粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。随相变温度下降，上贝氏体中的铁素体条变薄，渗碳体细化且弥散度增大。上贝氏体中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮突。湖北汽车工业学院82.下贝氏体在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体。对于中、高碳钢，下贝氏体大约在350℃～Ms之间形成。在电镜下观察可以看出，在下贝氏体铁素体片中分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以55～60o的角度与铁素体针长轴相交，下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体片的内部。湖北汽车工业学院9钢中典型下贝氏体组织示意图湖北汽车工业学院10下贝氏体组织金相图湖北汽车工业学院11较低温度形成的下贝氏体，其碳化物既可以是渗碳体，也可以是ε-碳化物，主要分布在铁素体条内部。下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶粒内部形核。光镜下光镜下光镜下光镜下电镜下电镜下电镜下电镜下湖北汽车工业学院12下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮突，下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝氏体铁素体的亚结构与板条马氏体和上贝氏体铁素体相似，也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在。下贝氏体中铁素体与θ-碳化物及ε-碳化物之间均存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从过饱和铁素体中析出的。湖北汽车工业学院133.其他各类贝氏体①无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体一般形成于低碳钢中，是在贝氏体相变区最高温度范围内形成的。无碳化物贝氏体由大致平行的单相条状铁素体所组成，所以也称为铁素体贝氏体或无碳贝氏体。条状铁素体之间有一定的距离，条间一般为由富碳奥氏体转变而成的马氏体，有时是富碳奥氏体的分解产物或者全部是未转变的残余奥氏体。湖北汽车工业学院14无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶界BFAA无碳化物贝氏体组织，×1000（30CrMnSiA钢，450℃等温20s））））湖北汽车工业学院15②粒状贝氏体低、中碳合金钢以一定速度连续冷却或在上贝氏体相变区高温范围内等温时可形成粒状贝氏体。粒状贝氏体在刚刚形成时，是由块状铁素体和粒状(岛状)富碳奥氏体所组成的。富碳奥氏体可以分布在铁素体晶粒内部，也可在铁素体晶界上。铁素体的碳含量很低，接近平衡浓度，而富碳奥氏体区的碳含量则很高。。。。两者的合金元素含量与钢的平均含量相同。湖北汽车工业学院16富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：部分或全部分解为铁素体+碳化物的混合物；部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪晶马氏体，故岛状物是由γ+α′所组成；或者全部保留下来，成为残余奥氏体。湖北汽车工业学院175.2贝氏体转变的特点和晶体学1.贝氏体转变的特点（1）贝氏体相变也是一种形核和长大过程，可在一定温度范围内等温形成，或在某一冷却速度范围内连续冷却转变。其领先相一般为铁素体（反常贝氏体除外）。贝氏体等温形成时，需要一定的孕育期，其等温转变动力学曲线也呈“C”字形湖北汽车工业学院18贝氏体相变也有一个上限温度Bs点和下限温度Bf点，奥氏体必须过冷到Bs点以下才能发生贝氏体相变。贝氏体相变也不能进行完全，总有残余奥氏体存在。等温温度愈靠近Bs点，贝氏体量就愈少。（3）贝氏体相变的产物贝氏体是α+碳化物的机械混合物，但不是层片状组织，且碳化物的分布状态随形成温度不同而异。（2）贝氏体相变的温度范围湖北汽车工业学院19（4）贝氏体相变的扩散性贝氏体相变是由一个单相（γ）转变为两个相（α相和碳化物）的过程，所以相变过程中必须有碳原子的扩散。贝氏体相变时只有碳原子的扩散，而合金元素包括铁原子都不发生扩散，至少不发生较长距离的扩散。碳原子的扩散对贝氏体相变起控制作用，上贝氏体的相变速度取决于碳在γ-Fe中的扩散，下贝氏体的相变速度取决于碳在α-Fe中的扩散。湖北汽车工业学院202.贝氏体相变的晶体学α-Fe是按切变共格方式长大，在平滑试样表面上产生浮突。贝氏体中铁素体具有一定的惯习面，并与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关系。上贝氏体的惯习面为{111}γ，下贝氏体的惯习面一般为{225}γ。贝氏体中铁素体与奥氏体之间存在K-S位向关系。贝氏体中渗碳体与奥氏体以及贝氏体中渗碳体与铁素体之间亦存在一定的晶体学位向关系。湖北汽车工业学院21不扩散不扩散扩散合金元素单相组织α-Fe(C)两相组织350℃，α-Fe(C)+Fe3C350℃，α-Fe(C)+FexC两相组织α-Fe+Fe3C组成相有有无共格性铁素体渗碳体领先相无扩散碳可扩散，铁不能扩散铁与碳可扩散扩散性Ms550℃~MsAr1~550℃转变温度范围马氏体转变贝氏体转变珠光体转变珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较湖北汽车工业学院225.3贝氏体转变过程及其热力学分析1.贝氏体转变过程贝氏体的转变包含铁素体的成长和碳化物的析出两个过程。①转变的两个基本过程②奥氏体中碳的再分配恩琴提出了贫富碳理论假说：在贝氏体相变发生之前奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配，形成了贫碳区和富碳区。湖北汽车工业学院23③贝氏体中铁素体的形成及其碳含量Fe-Fe3C平衡状态图湖北汽车工业学院24当冷却至Ms点以上T1温度（b点）等温时，在孕育期内由于碳原子的扩散重新分配，在奥氏体内形成富碳区和贫碳区，其Ms点亦随之发生变化。当贫碳区的碳浓度减小到C1以下时，其Ms点就升高到T1以上温度，贫碳区（c点）在T1温度下就能转变为马氏体（过饱和α相）。它在热力学上是不稳定的，在随后的等温过程中发生回火转变，分解成为α相和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。湖北汽车工业学院252.贝氏体转变的热力学分析MsBs奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系湖北汽车工业学院26pEsBGGGGGΔ+Δ+Δ+Δ-=Δ→γ贝氏体相变热力学表达式也可写为：但贝氏体转变时发生碳的再分配使得贝氏体中铁素体的碳含量减低，则使其自由能降低，增大了新、母相自由能的差值。同时贝氏体和奥氏体之间比容差缩小，从而使得弹性应变能ΔGE和塑性应变能ΔGp减小。所以，Bs高于Ms，钢中加入稳定奥氏体的合金元素将Bs点使降低。湖北汽车工业学院275.4贝氏体转变的动力学
贝氏体等温转变动力学图也呈C形，也有一鼻子。转变在BS点温度以下才能进行，随转变温度降低，转变速度先增后减。有些钢中，贝氏体等温转变动力学图与珠光体等温转变动力学图部分重叠，整个过冷奥氏体等温转变图只呈现一个“鼻尖”。此时，过冷奥氏体具有混合转变的特征。产物可能为珠光体和贝氏体的混合物。1.贝氏体等温转变动力学图湖北汽车工业学院28某合金钢等温转变动力学示意图(贝氏体和珠光体的转变曲线轮廓合为一条C曲线)湖北汽车工业学院29某合金钢等温转变动力学示意图(珠光体转变与贝氏体转变已分离)湖北汽车工业学院302.贝氏体相变时碳的扩散贝氏体相变是在碳原子还能进行扩散的中温区发生的，贝氏体相变主要受碳的扩散所控制。上、下贝氏体相变分别受碳在奥氏体中和铁素体中的扩散速度所控制。上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于其前沿奥氏体中碳的扩散速度；下贝氏体相变的速度，则主要决定于铁素体内碳化物沉淀的速度。湖北汽车工业学院313.影响贝氏体转变动力学的因素1）化学成分的影响随钢中碳含量的增加，贝氏体相变速度减慢，等温转变C曲线右移，而且“鼻尖”温度下移。这是因为碳含量增高，形成贝氏体时需要扩散的碳的数量增加。钢的常用合金元素中，除了Co和Al加速贝氏体相变速度以外，其他合金元素如Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、W、Si、V以及少量B都延缓贝氏体的形成，同时也使贝氏体相变温度范围下降，湖北汽车工业学院32其中以Mn、Cr、Ni的影响最为显著。钢中同时加入多种合金元素，其相互影响比较复杂。2）奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响由于奥氏体晶界是贝氏体的优先形核部位，所以一般来说，随奥氏体晶粒增大，贝氏体相变孕育期增加，形成一定数量贝氏体所需的时间增加，相变速度减慢。湖北汽车工业学院333）应力和塑性变形的影响拉应力使贝氏体相变加速。随应力增加，贝氏体相变速度提高。当应力超过其屈服强度时，贝氏体相变速度的提高尤为显著。在高温区（1000～800℃）对奥氏体进行塑性变形，将使贝氏体相变孕育期延长，相变速度减慢，相变不完全程度增加。湖北汽车工业学院34在中温区（600～300℃）对奥氏体进行塑性变形，则贝氏体相变孕育期缩短，相变速度加快。塑性变形时可能产生两种相反的作用：一方面，塑性变形使奥氏体的晶体缺陷密度增高，有利于碳的扩散，故使贝氏体相变加速；另一方面，奥氏体的塑性变形会产生多边化亚结构，破坏晶粒取向的连续性，对铁素体的共格长大不利，故使贝氏体相变减慢。湖北汽车工业学院354）奥氏体冷却时在不同温度停留的影响（1）在珠光体--贝氏体相变之间的过冷奥氏体稳定区停留（曲线1）时会加速随后的贝氏体相变速度。实验发现在过冷奥氏体稳定区停留后有碳化物析出，故认为，由于碳化物析出降低了奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性，所以使贝氏体相变加速。湖北汽车工业学院36过冷奥氏体在不同温度停留的工艺规程湖北汽车工业学院37（2）在贝氏体形成温度范围的高温区停留，形成部分上贝氏体后再冷却至贝氏体相变的低温区（曲线2）时，将使下贝氏体相变的孕育期延长，降低其转变速度，减少最终贝氏体转变量。（3）在Ms点稍下温度或在贝氏体形成温度范围的低温区停留，先形成少量的马氏体或下贝氏体后再升高至较高温度（曲线3）时，使随后的贝氏体相变加速。湖北汽车工业学院385.5贝氏体的机械性能1.贝氏体的强度
贝氏体的强度随形成温度的降低而提高。影响贝氏体强度的因素：①贝氏体铁素体细化强化形成温度越低，贝氏体铁素体越细，强度越高。②碳化物的弥散强化贝氏体形成温度越低，碳化物颗粒越小、越多，强度越高。湖北汽车工业学院39③溶质元素固溶强化④位错密度贝氏体铁素体的过饱和度主要受形成温度的影响，形成温度越低，碳的过饱和度就越大，其强度和硬度增高，但韧性和塑性降低较少。贝氏体铁素体的亚结构主要是缠结位错。随相变温度降低，位错密度增大，强度和韧性增高。随贝氏体铁素体的亚结构尺寸减小，强度和韧性也增高。湖北汽车工业学院402.贝氏体的韧性在低碳钢中，上贝氏体的冲击韧性比下贝氏体要低，并且贝氏体组织从上贝氏体过渡到下贝氏体时脆性转折温度突然下降，其原因可能是：上贝氏体由彼此平行的板条束构成，好似一个晶粒；而下贝氏体的板条片彼此位向差很大，即上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。湖北汽车工业学院41在上贝氏体中存在粗大碳化物颗粒或断续条状碳化物，也可能存在高碳马氏体（由未转变奥氏体在冷却过程中形成），所以容易形成大于临界尺寸的裂纹。在下贝氏体组织中，较小的碳化物颗粒不易形成裂纹。当等温淬火温度较低，获得下贝氏体组织时，可保持较高的冲击韧性，优于淬火回火处理；