第八章-贝氏体转变

第八章贝氏体转变聊城大学材料学院8.1贝氏体的组织和性能（一）、无碳化物贝氏体1、形成温度范围在B转变的最高温度范围内形成。2、组织形态是一种单相组织，由大致平行的F板条组成，F板条自A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F板条之间为富碳的A。F板条较宽、间距较大，随转变温度下降，F板条变窄、间距缩小。富碳的A在随后的冷却过程中可能转变为P、B、M或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。3、晶体学特征及亚结构惯习面为{111}，位向关系为K—S关系；F内有一定数量的位错。（二）上贝氏体1、组成上贝氏体由F和碳化物（主要为Fe3C）组成的二相非层片状混合物。2、形成温度范围在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在350~550℃范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。3、组织形态上贝氏体是一种两相组织，是由α相和渗碳体组成的，成束的大致平行的α相板条自A晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大，渗碳体（有时还有残余A）分布于α相板条之间，整体看呈羽毛状。影响组织形态的因素C%：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的α相板条更多、更薄，Cem的形态由粒状、链球状而成为短杆状，Cem数量增多，不但分布于α相之间，而且可能分布于各α相内部。形成温度：随形成温度的降低，α相变薄，渗碳体更小，且更密集。4、晶体学特征及亚结构F的惯习面为{111}A，位向关系接近于K—S关系亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。（三）下贝氏体1、组成由F和碳化物（为ε-FexC）组成的二相非层片状混合物。2、形成温度范围一般在350℃~Ms之间的低温区。3、组织形态也是一种两相组织，由α相与碳化物组成。α相的立体形态呈片状（或透镜片状），在光学显微镜下呈针状，与片状M相似。形核部位大多在A晶界上，也有相当数量位于A晶内，碳化物为Cem或ε-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55°~60°角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在F片内部。钢的化学成份、A晶粒度和均匀化程度对下贝氏体的组织形态影响较小。4、亚结构下贝氏体亚结构为位错无孪晶，α相中碳的含量是过饱和的，随转变温度降低，过饱和程度增大。（四）粒状贝氏体1、形成温度形成于上贝氏体转变区上限温度范围内。在一定的冷速范围内连续冷却得到的，组织为(F+A)的二相混合物。2、组织特征大块状或针状F基体内分布一些颗粒状小岛，小岛为富碳的A。富碳的A小岛在随后的冷却过程中有三种可能：（1）、部分或全部分解为F和碳化物；（2）、部分转变为M；（3）、全部保留为Ar。（五）反常贝氏体在过共析钢中可以见到，形成温度在350℃稍上，F夹在两片Cem中间的组织形态。（六）柱状贝氏体一般在高碳碳素钢或高碳中合金钢中当温度处于下贝氏体形成温度范围时出现，F呈放射状，碳化物分布在F内部，形成时不产生表面浮凸。（七）BⅠ、BⅡ、BⅢ日本的大森在研究低碳低合金高强时发现，在某些钢中的贝氏体可以明显地分为三类，分别把这三类B称为第一类、第二类和第三类贝氏体，并用BⅠ、BⅡ、BⅢ分别表示。BⅠ约在600~500℃之间形成，无碳化物析出；BⅡ约在500~450℃之间形成，碳化物在F之间析出；BⅢ约在450℃~Ms之间形成，碳化物分布在F内部。（八）、贝氏体的力学性能一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。贝氏体的强度（硬度）影响贝氏体强度的因素有：1、贝氏体铁素体条或片的粗细形成温度越低，F晶粒的越小，F条(片)越细，晶界越多，贝氏体强度越高。2、弥散碳化物质点下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。3、溶质元素的固溶强化作用形成温度越低，碳原子不易通过界面扩散，F的含碳量越大，过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高。4、位错亚结构密度形成温度越低，位错密度高，强度高。综上所述，贝氏体的强度随形成温度降低而增强。贝氏体的韧性可以看出下贝氏体的韧性优于上贝氏体。从整体上看随贝氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加。上贝氏体的冲击韧性低于下贝氏体的原因有：(1)、上贝氏体中的渗碳体呈不连续的短杆状分布在铁素体条之间，铁素体和渗碳体分布有明显的方向性，这种形态使铁素体条间成为脆性通道；(2)、上贝氏体由彼此平行的铁素体条构成，好似一个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此位向差很大，能看作一个晶粒的部位尺寸很小，所以上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。8.2贝氏体转变的基本特征（一）贝氏体转变温度范围贝氏体转变也有一个上限Bs点，也有一个下限温度Bf点，Bf与Ms无关。（二）贝氏体转变产物也是由α相与碳化物组成的机械混合物，但与珠光体不同，不是层片状组织，且组织形态与转变温度密切相关，其中包括α相的形态、大小以及碳化物的类型及分布等均随转变温度而异。（三）贝氏体转变动力学贝氏体转变也是一个形核长大过程，可以等温形成，也可以连续冷却形成，等温形成需要孕育期，等温形成图也呈C字形。（四）贝氏体转变的不完全性贝氏体转变一般不能进行到底，通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大，即转变具有自制性，在等温时有可能出现二次珠光体转变。（五）贝氏体转变的扩散性贝氏体转变过程中存在有原子的扩散，但只有碳原子的扩散，而Fe及合金元素的原子均不发生扩散。（六）贝氏体转变晶体学特征贝氏体中F形成时也能产生表面浮凸，这说明F在形成时同样与母相的宏观切变有关，母相与新相之间维持第二共格关系。（七）贝氏体中F的碳含量贝氏体中F的碳含量也是过饱和的，且随转变温度的降低过饱和程度增大。（一）、贝氏体等温转变动力学贝氏体等温形成图与P转变相同，B的等温动力学曲线也具有S形，但B等温转变不能进行到底。等温温度愈高，愈接近Bs点，等温转变量愈少。8.3贝氏体转变动力学贝氏体等温转变动力学图贝氏体等温转变动力学图也呈C形。转变在BS温度以下才能实行，转变速度先增后减。合金碳钢等温转变动力学图碳钢等温转变动力学图共析碳钢等温转变动力学示意图40CrMnSiMoVA钢等温转变动力学图（二）贝氏体转变时碳的扩散1、奥氏体中碳的扩散B转变是在碳原子还能扩散的中温范围内发生的，为了在A中形成低碳的F，C必将在A中偏聚。当A的碳含量超过其溶解度时（ES及其处长线），碳将以碳化物的形式自A中析出，而使A的C%降低。在B转变过程中A的C%有可能升高，也有可能降低，具体情况取决于A的成份及转变温度而定。等温转变量（曲线1）及奥氏体点阵常数（曲线2）与等温时间的关系2、贝氏体中铁素体内碳的扩散F形成初期C含量是过饱和的，而B转变温度范围较M转变高，故B中F在形成后必然要发生分解，以碳化物的形式由B中的F内析出过饱和的碳，从而使F的C%下降。（三）影响贝氏体转变动力学的因素1、碳含量规律：随A中碳含量的增加，B转变速度下降。2、合金元素凡是降低C扩散速度、阻碍F共格长大、阻碍碳化物形成的元素，都使B转变速度下降。因此，除Co、Al以外所有合金元素都降低B转变速度，使B转变的C曲线右移，但作用不如C显著，同时也使贝氏体转变温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。3、奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度A晶粒大小：随A晶粒增大，B转变孕期延长转变速度下降。A化温度：A化温度高，贝氏体转变速度先增后降。4、应力的影响拉应力使B转变速度增加，尤其对下B更显著。压应力的作用不清楚。5、塑性变形（1）在较高温度（1000~800℃）范围内对A进行塑性变形，将使A向B转变的孕育期增长，转变速度下降，转变的不完全程度增大。（2）在较低温度（350~300℃）范围内对A进行塑性变形将加速B的形成。6、冷却在不同温度下停留（1）在P与B转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随后的B转变。（2）在高温区先进行部份上B转变，将会使低温区下B的转变速度降低，孕育期处长，不完全程度增大。（3）先在低温区形成少量M或下B，将促进后续高温区的B形成，转变速度加快。8.4贝氏体转变热力学及转变机制（一）贝氏体转变热力学B转变是通过形核与长大过程进行的，转变时的领先相是通过形核与长大进行的；转变时的领先相是铁素体；转变过程中有碳原子的扩散，转变的驱动力同样是新旧两相之间的体积自由能之差。（二）贝氏体转变的切变机制1、切变机制柯俊最先发现贝氏体转变与马氏体转变一样，在形成贝氏体铁素体时也能在抛光表面引起浮凸，以后又得出形成魏氏铁素体时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即贝氏体铁素体，贝氏体铁素体与马氏体一样，也是通过切变机制形成的，由于贝氏体转变时碳原子尚能扩散，这就导致贝氏体转变与马氏体转变的不同以及贝氏体组织的多样性。（三）贝氏体转变的台阶机制Aaronson等人强调贝氏体是非层状共析反应产物，亦即贝氏体转变是一种特殊的共析反应。他们认为，贝氏体转变与珠光体转变或马氏体转变不同，是通过台阶机制长大的。内容珠光体转变贝氏体转变马氏体转变温度范围高温中温低温转变上限温度A1BSMS领先相渗碳体或铁素体铁素体形核部位奥氏体晶界上贝氏体在晶界下贝氏体大多在晶内转变时点阵切变无？有碳原子的扩散有有基本上无铁及合金元素原子的扩散有无无等温转变完全性完全视转变温度定不完全转变产物α+Fe3Cα+Fe3C(ε)α′珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征8.5等温淬火等温淬火是将加热至奥氏体状态的工件淬入温度稍高于Ms点的盐溶中等温，保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，然后取出在空气中冷却的淬火方法。特点：保证有较高的硬度的同时还有很高的韧性，同时淬火后变形量显著减少。用于要求有较高强韧性的工模具和弹簧等零件。本章小结•1.在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间，过冷奥氏体将按另一种转变机制转变即贝氏体转变。由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。•2.由于转变温度的不同，贝氏体有以下几种形态：上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体等。•3.一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。•4.贝氏体的转变产物。•5.贝氏体具有高温转变的扩散性，低温转变的不完全性。动力学特性类似于珠光体，转变机制至今还有争议。