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1、第七章贝氏体转变1为纪念美国著名冶 金学家Bain，中温转变被命名为贝氏 体转变，转变所得 产物则被称为贝氏 体。英文Bainite，用B 表示27.1 贝氏体转变的基本特征 B转变有一个温度范围 B转变产物是由相与碳化物组成的非层片状机 械混合物 B转变也是一个形核和长大过程 B转变过程中只有碳原子的扩散 B转变也能产生表面浮凸：M是N形，B为V形 B中铁素体具有一定的惯习面，并与母相A之间保持一定的晶体学位向关系（分歧重大）3 B转变的不完全性：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随转变温度升高，转变的不完全程度增大：温度越 高，A与B之间的自由能差减小，从而使得转
2、变的驱 动力减小；温度越高，越有利于碳原子的扩散而形 成柯氏气团，从而增强未转变A的热稳定性。B转变的不完全：一方面，B总是优先在A中贫碳区 形成，随着B转变量的增加，碳不断向A中扩散而使 得未转变A中的碳浓度越来越高，从而增加A的化学 稳定性而使B转变难于进行；另一方面，贝氏体的比 容比A大，产生一定的机械稳定化作用，也不利于B转变的继续进行。4内 容 P转变B转变M转变温度范围 高温中温低温转变上限温度 A1BSMS领先相K或F铁素体形核部位A晶界B上在晶界 B下大多在晶内转变时点阵切变无有有碳原子的扩散有有基本上无铁及合金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+Fe
3、3C+Fe3C()珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征57.2 贝氏体的组织形态和亚结构由于BF和碳化物的形态与分布情况多变，使B显 微组织呈现为多种形态。据此，通常将B分为：下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝 氏 体上贝氏体、下贝氏体最常见，粒状贝氏体次之，其余的较为少见。6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。 无碳化物贝氏体 形成温度范围在B转变的最高温度范围内形成。 组织形态7 晶体学特征及亚结构无碳贝氏体形成时也具有
4、浮凸效应，其铁素体的 惯习面为111，位向关系为KS关系；亚结构：铁素体内有一定数量的位错。在F板条之间的富碳 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。8在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳 钢约在350550范围内形成，所以上贝氏体也 称高温贝氏体。 上贝氏体 形成温度范围上贝氏体是一种两相 组织，是由条状相与粒状和条状碳化物 组成的非层片状机械 混合物。 组织形态9成束的大致平行的相板条，自A晶粒晶界的一侧 或两侧向A晶粒内部长大，粒状或条状渗碳体(有时 还有残余A)分布于相板条之间，整体呈羽毛状。10F的惯习面为111，位向关
5、系接近于KS关系;亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。碳含量：随碳含量的增加，B上中的相板条更多 、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状转变为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于相之间， 而且可能分布于各相内部。形成温度：随形成温度的降低，相变薄，渗碳 体更小，且更密集。 影响B上组织形态的因素 晶体学特征及亚结构11与上贝氏体一样，下贝氏 体也是一种两相组织，由 相与碳化物组成。 下贝氏体 形成温度范围一般在350Ms之间的低温区。 组织形态12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 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-碳化物，
6、碳化物呈细片状或颗粒 状，排列成行，约以5560角度与B下的长轴相交 ，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B下的组织 形态影响较小。13B下中相的惯习面比较复杂，有人测得为110，有人测得 为254及569；B下中相与A之间的位向关系 为KS关系；亚结构：为位错，无孪晶；B下形成时也会产生表面浮凸现象，但形状与B上不同。B上 中浮凸大致平行，而B下中往往 相交呈“”形。 晶体学特征及亚结构14其组织是由F和 富碳的A组成。 形成温度范围稍高于B上的形成温度 组织形态 粒状贝氏体主要存在于低、中碳合金钢中，以一定的速度连续 冷却获得，如正火、热轧后的空冷、焊缝的热影响
7、区等，后来的研究发现等温也可以形成。15F呈块状(由F针片组成)；富碳的A呈条状，在F基体上 呈不连续分布。F的C%很低，接近平衡状态 ，而A的C%却很高。富碳A在随后的冷却过程中 可能发生三种不同的转变：l 部分或全部分解为F和碳化物；l 可能部分转变为孪晶片状M，形 成“MA”组织；l 可能全部保留下来成为残余A。16可存在于过共析钢中形成温度在350稍上呈现F夹在两片渗碳体 中间的组织形态 反常贝氏体17一般存在于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 柱状贝氏体F呈放射状，碳化物分布在F内部；形成时不产生表面浮凸。18日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，在某
8、 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B 、B、B分别表示。 低碳低合金钢中的B、B、BB约在600500之间形成，无碳化物析出；19B约在500450之间形成，碳化物在F之间析出；B约在450Ms之间形成，碳化物分布在F内部。20 贝氏体转变过程 贝氏体转变的两个基本过程7.3 贝氏体转变过程及其热力学分析B上、B下均是由铁素体和碳化物组成的复相组织， 因此，贝氏体转变应当包 含铁素体的成长和碳化物 的析出这两个基本过程； 铁素体是领先相。下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体 粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝 氏 体两个基本过程决定了B中两个基本
9、组成相的形态、 分布和尺寸，进而决定整个B的组织形态和性能。21 奥氏体中碳的再分配贝氏体铁素体碳化物过冷奥氏体贝氏体必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区 ，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相22A点阵常数的变化对应着碳含量的变化， 碳含量增大， 奥氏体的点阵 常数增大。说明等温处理 过程中贝氏体 转变时发生了 碳的再分配。等温时B 转变量与 持续时间 的关系等温时残A 的点阵常数 与持续时间 的关系23铁素体碳化物贝氏体过冷A必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相 B中F的形成及其碳含量如何形成贝氏体中的铁素体？长期以来有着种种见解24柯
10、俊等人最早提出的BF是按切变方式形成的理论持切变机理观点的人认为，BF中的C含量是过饱和 的，其含量与转变温度有关，在某一温度下形成的 BF中的碳含量，应相当于以该温度为MS点的奥氏体 的含碳量。奥氏体中贫碳区析出了碳化物保温过程贝氏体中的铁素体切变方式25若以亚共析钢为例：当C0成分的A被过冷到 低于BS点的 t 温度时， 它已处于Acm延长线的 下侧，这意味着碳在A中处于过饱和状态。从热力学条件看，碳应具有从A中析出的倾向，因此A 中必将发生碳的再分配，从而形成贫碳区和富碳区。当贫碳区的碳含量降低到MS线以左时，于是便发生马 氏体转变，从而形成BF。26 碳化物相的成分和类型当钢中Si较高
11、时，由于Si强烈延缓渗碳体的沉淀，因而在 B下中很难形成渗碳体，而基本是-碳化物。在其它钢的B下 中碳化物为渗碳体与-碳化物的混合物，或全为渗碳体；一般地，形成温度越低、持续时间越短，出现-碳化物的可 能性越大。碳化物中合金元素的含量钢中合金元素的平均含量。碳化物相渗碳体-碳化物上贝氏体钢的成分 形成温度 持续时间下贝氏体27B转变的驱动力同样是新旧两相之间的自由能之差 贝氏体转变的热力学分析 贝氏体转变的驱动力因而B转变不需要M转变那样大的过冷度B转变时A中碳发生了 再分配，使F中碳含量 降低导致F的自由能降 低，从而GV增大B与A的之间的比容差， 小于M与A之间的比容差 ，因此减小28 B
12、S点及其与钢成分的关系Bs点就是A和B之间的自由能差达到相变所需要的最 小驱动力值时的温度。高于Bs点则贝氏体转变不能进行。上式适用于下列成分的钢：C=0.10.55%, Cr3.5%, Mn=0.21.7%, Mo1.0%, Ni5%。钢中碳和合金元素对BS点的影响，可用下面的经验公式表示：钢中加入A稳定化元素，将使Bs点降低。297.4 贝氏体转变机理铁素体碳化物贝氏体低碳相高碳相说明B相变过程中伴随有碳原子的扩散B形成时在 光滑试样表面产生浮凸BF与母相A之间保持第二 类共格关系并具有一定的晶体学位向关系说明BF的形成是M相变30因此，一般认为B相变是M相变加碳原子的扩散。但为什么在MS
13、点以上会有M相变发生，这是B转变机制必须首先回答的问题。目前存在两种假说：恩 金B相变假说和柯俊B相变假说。 恩金B相变假说恩金认为B相变属于M相变性质，由于在随后等温过 程中析出碳化物而形成B，于是提出了贫富碳理论 假说。该假说认为，在B发生之前，A中已经发生了C原子 的扩散与再分布，形成了富碳A区和贫碳A区。 31在相变过程中铁和合金元素的原子都不发生扩散贫碳A区富碳A区Ms点等 温 过 程 中贫碳A达到Ms点 温度则转变为MM再分解为低C 的F和碳化物所 组成的B碳化物贫碳A区转变为M分解为B32 柯俊B相变假说恩金假说没有解释：B的形态变化和组织结构等问题恩金假说能够解释贝氏体的形成B
14、S点的意义BF的C%随温度变化而变化根据相变理论，形成马氏体时系统自由能的变化为根据热力学条件，马氏体相变只有G为负值，即在MS点以下时才能进行。33那么，在MS点以上温度，以M相变机制进行转变的B 相变是如何满足热力学条件的呢？柯俊认为，在MS点以上温度时，若相变的进行能够 使Gv值增大、使V值减小，从而使G达到负值， 则M相变也可以发生。B转变时A中碳发生了再分配， 使F中碳含量降低导致F的自由 能降低，从而GV增大B与A的之间的比容差小于M与 A之间的比容差，因此减小此外，形成温度高、长大速度慢、A强度低，都使A 塑变和共格界面移动所需要克服的阻力减小。34贝氏体转变包括BF的形成以及碳
15、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。 贝氏体转变的机制柯俊最先发现：B转变与M转变一样，在形成BF时也 能在抛光表面引起浮凸，以后又发现魏氏铁素体形 成时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即BF，BF与M一样，也是通 过切变机制形成的。 贝氏体转变的切变机制35但由于B转变时碳原子尚能扩散，这就导致B转变与M转变的不同、以及B组织的多样性。36在BF形成后，BF中过饱和碳可以通过界面很快进入A 中而使BF的碳含量降低到平衡浓度。通过界面进入A 中的碳也能很快地向A纵深扩散，如果A的含碳量并 不高，不会因为BF的形成而析出碳化物，因此得
16、到 的是BF及富碳A，即无碳化物B，也包括魏氏F。 高温范围的转变（无碳化物贝氏体）原A晶界BF富碳A由于温度高，初形成的 F中碳的过饱和度很小 ，且碳在F和A中的扩散 能力均很强。37通过界面由BF扩散进入A中的碳原子已不可能向A中 纵深扩散，尤其是两相邻F条之间的A中的碳更不可 能向外扩散。故界面附近的A，尤其是两F条之间的A 中的碳将随BF的长大而显著升高，当超过A溶解度极 限时，将自A中析出碳化物而形成羽毛状的B上。 中温范围的转变（上贝氏体）在350550的中温范围转 变时，转变初期与高温范围 的转变基本一样，但此时的 温度已比较低，碳在A中的 扩散已变得困难。38C在BF中的过饱和度很大，又不能通过界面进入A， 只能以碳化物形式在BF内部析出。随着碳含量降低 ，BF的自由能将下降以及比容缩小所导致
