贝氏体转变

第八章贝氏体转变具有马氏体相变的材料在Ms温度以上往往存在贝氏体相变，除钢外，很多有色合金，如Cu基合金，Ag-Cd合金、Ti基合金、Ni-Cr等，以及一些陶瓷材料中都具有贝氏体相变。早在1929年，Robertson发现钢中不同于珠光体和马氏体的非层状(棒状、片状)显微组织，1930年Davenport和Bain称这类组织为针状屈氏体，以后为给予Bain以荣誉，称此为贝氏体Bainite，用B表示。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。由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于铁原子也能扩散的珠光体转变以及碳原子也基本上不能扩散的马氏体转变。目录一、贝氏体基本概念二、贝氏体转变的基本特征三、贝氏体的组织形态和晶体学四、贝氏体转变的相变和切变机制五、贝氏体相变动力学及其影响因素六、贝氏体的力学性能一.关于贝氏体的基本概念1.什么是贝氏体：贝氏体是由F和Fe3C组成的非层片状组织。常用符号B表示贝氏体。2.贝氏体有哪些类粒状贝氏体、无碳贝氏体、反常贝氏体、柱状贝氏体★也把贝氏体描述成是条状（或片状）铁素体和碳化物（有时还有残余奥氏体）组成的非层片状组织。上贝氏体下贝氏体3.贝氏体转变温度范围是介于珠光体和马氏体转变之间，故又称为中温转变。贝氏体转变温度范围B上B下550~350℃350℃~Ms●上贝氏体：由于其中碳化物分布在铁素体片层间，脆性大，易引起脆断，因此，基本无实用价值。●下贝氏体：铁素体片细小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体，以提高材料的强韧性。4.贝氏体的性能与其形态特点5.生产中获得贝氏体的方法贝氏体等温淬火、贝氏体连续淬火等温淬火连续淬火贝氏体连续转变曲线6.贝氏体淬火①将A化的钢件以一定的冷却方式过冷到中温区，使其相变而得到组织的热处理过程称为B淬火。②B淬火也是一种提高金属材料机械性能的热处理方法（马氏体淬火一样）可获得综合力学性能。1、贝氏体转变温度范围贝氏体转变也有一个上限Bs点，一个下限温度Bf点二、贝氏体转变的基本特征2、贝氏体转变产物由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。3、贝氏体转变动力学贝氏体转变也是一个形核长大过程，可等温形成，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。4、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。5、贝氏体转变的扩散性贝氏体转变过程中存在原子的扩散现象，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。6、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，母相与新相之间维持第二共格关系。但所产生的表面浮凸与马氏体形成所产生的表面浮凸不同，马氏体是N形的，贝氏体为V形的。三、贝氏体的组织形态和晶体学1、上贝氏体对于中、高碳钢来说，上贝氏体大约在350-550℃的温度区间形成。典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状。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。贝氏体组织形态随钢的化学成分以及形成温度不同而异，其主要形态为上贝氏体和下贝氏体两种，还有一些其他形态的贝氏体。T8钢的上贝氏体组织钢中典型上贝氏体组织示意图典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状、针状，少数呈椭圆形或矩形。较高温度形成的上贝氏体在电镜下观察时，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。C%：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的α相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状而成为短杆状，渗碳体数量增多，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，渗碳体细化且弥散度增大。影响上贝氏体组织形态的因素：上贝氏体晶体学特征及亚结构：上贝氏体中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮突。上贝氏体中铁素体的惯习面为{111}，与奥氏体之间的位向关系为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}，与奥氏体之间也存在一定的位向关系。因此一般认为碳化物是从奥氏体中直接析出的。亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。值得指出的是，在含有Si或Al的钢中，由于Si和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，因此很少沉淀或基本上不沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏体的上贝氏体组织。2、下贝氏体形成温度范围对于中、高碳钢，下贝氏体大约在350℃-Ms之间形成，当碳含量很低时，其形成温度可能高于350℃。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。碳化物为渗碳体或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。组织形态钢中典型下贝氏体组织示意图GCr15钢的下贝氏体组织较低温度下形成的下贝氏体下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮突，但其形状与上贝氏体组织不同：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F相与A之间的位向关系为K-S关系，惯习面不确定，可能是{110}A、{254}A及{569}A中的一种。晶体学特征及亚结构1）形成温度范围一般形成于低碳钢中，在B转变的最高温度范围内形成。2）组织形态由大致平行的F板条组成，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}A，位向关系为K-S关系；F内有一定数量的位错。3、无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体4、BⅠ、BⅡ、BⅢ日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，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。在连续冷却时，也可形成这三类贝氏体：冷却速度较慢时，形成BⅠ；冷却速度居中时，形成BⅡ；冷却速度较快时，形成BⅢ。BⅢ组织具有较好的综合机械性能，特别是钢中获得BⅢ加板条马氏体组织时，强度和韧性都高，是一种有工程应用价值的组织形态。5、粒状贝氏体（B粒）1.形成温度：大致在上贝氏体转变温区的上半部。2.形态特征：较粗大的F块内有一些孤立的“小岛”，形态多样，呈粒状或长条状，很不规则“小岛”的组成物，原先是富碳的A区，转变后可能是：①F＋Fe3C、②M＋A′、③富碳的A。3.浮凸：也可以在抛光表面引起针状浮凸。B上B下粒状贝氏体转变温度范围粒状贝氏体1000×粒状贝氏体扫描电镜形貌2500×研究认为，粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错，但其密度不大。大多数结构钢，不管是连续冷却还是等温冷却，只要冷却过程控制在一定温度范围内，都可以形成粒状贝氏体。B的形成和形态见下示意图中碳钢的贝氏体形成过程示意图(a)B无(b)典型的B上(c)在F条内析出碳化物的B上(d)典型的B下四、贝氏体相变机制一般认为贝氏体相变过程是马氏体相变加碳原子的扩散。但为什么在Ms点以上会有马氏体型相变发生？这是贝氏体相变机制必须首先要说明的问题。对于贝氏体相变机制已经进行了大量的研究工作，但至今问题仍未得到完全解决。这里将主要介绍恩金贝氏体相变假说和柯俊贝氏体相变假说。①0.23％C钢的奥氏体化后250℃等温形成贝氏体，侧得下贝氏体中铁素体的碳浓度为0.15％，远远超过该温度下铁素体的饱和碳浓度。认为这种铁素体实质上就是低碳马氏体；恩金在研究中发现：②中碳钢（0.5％C-3.5Cr％）在300℃等温形成下贝氏体，随贝氏体转变量增加，剩余奥氏体中碳浓度升高。说明贝氏体相变中碳原子不断地由α相通过α/γ界面向γ相中扩散，导致剩余奥氏体中的碳浓度升高；③电解分离贝氏体中的碳化物，测得碳化物中合金元素含量与钢的原始浓度相同。认为在贝氏体相变过程中铁及合金元素原子不发生扩散。恩金认为贝氏体相变应属于马氏体相变性质，由于随后回火析出碳化物而形成贝氏体，提出了贫富碳理论假说。该假说认为，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。在贫碳区发生马氏体相变而形成低碳马氏体，然后马氏体迅速回火形成过饱和铁素体和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。1、恩金贝氏体相变假说在富碳区中首先析出渗碳体，使其碳浓度下降成为贫碳区，然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体，尔后又通过回火成为铁素体加渗碳体的两相机械混合物（贝氏体），而在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的。马氏体相变开始点Ms随碳浓度增加而下降。当C浓度的奥氏体（a点）冷却至Ms点以下时将发生马氏体相变。但是，当冷却至Ms点以上的T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。在Ms点以上温度等温，过冷奥氏体中的贫碳区发生马氏体相变的原因可解释如下。当贫碳区的碳浓度减小到C1以下时，其Ms点升高到T1以上温度，因此，贫碳区（c点）在T1温度下能够通过马氏体相变转变为马氏体。此时的马氏体为过饱和相，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，马氏体分解成为相和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。Fe-Fe3C平衡状态图等温温度愈高，相的过饱和度就愈小，贫碳区的Ms点就愈高。贝氏体相变温度范围的上限Bs点就是无碳奥氏体的Ms点。恩金假说能够解释贝氏体的形成、Bs点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随等温温度变化而变化等现象，但没有解释贝氏体的形态变化和组织结构等问题。马氏体相变时自由能的变化：ΔG=－VΔGV+Sσ+E从上式来看，M相变可以发生的条件是ΔG0，但由于M相变的热滞较大，所以M相变只能在Ms以下的温度才能发生。如果在转变过程中，能使ΔGv升高（即绝对值增大）使E（弹性应变能）降低，可以使ΔG降低，从而使M形的相变可以在Ms以上发生。2、柯俊贝氏体相变假说（热力学）在B转变过程中，伴随着碳原子的扩散，从而降低了B中的F的碳含量，使F的自由能降低，引起ΔGv升高，同时B与A之间的比溶差较小，使体积变化产生的应变能减小。形成温度高，长大速度慢，A强度低，使A塑变和共格界面移动克服的阻力减小，这些都引起ΔG减小，使B转变可以在Ms以上的温度下进行，即Bs高于Ms。该假说认为：贝氏体相变时，相的不断长大和碳从相中的不断脱溶这两个过程是同时发生的，相长大时与奥氏体保持第二类共格关系。不过贝氏体的长大速度远比同类共格切变型的马氏体的长大速度低，这是因为贝氏体的长大速度受碳原子的扩散脱溶所控制。贝氏体相变为有扩散（碳原子）、有共格的相变。贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能差。碳从相中的脱溶可以有两种方式：①碳通过相界面从相扩散到相中；②碳在相内脱溶沉淀为碳化物。柯俊贝氏体相变假说能够解释：①在Ms点以上温度相可以通过马氏体型相变机制形成；②按马氏体型相变机制形成的贝氏体的长大速度远低于马氏体的长大速度；③在不同温度下形成的贝氏体有着截然不同的组织形态。贝氏体转变包括贝氏体铁素体的形成以及碳化物的析出。长期以来，围绕着这两个问题进行着争论。在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争。五、贝氏体转变