第五章贝氏体相变

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1、n 中温转变：550MS n 下贝氏体-良好的综合力学性能。n 等温淬火组织；贝氏体钢连续冷却。第五章 贝氏体相变图5-1 共析碳钢 C 曲线Mf高温中 温低温美国冶金学家Edgar C. Bain(Sept. 14, 1891 - Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation贝氏体 - Bainite5.1 贝氏体相变特点、组织形态和力学性能5.1.1 贝氏体相变的特点（1）贝氏体转变温度范围在A1以下，MS以上，有一转变的上限温度BS点和下限温度Bf 点，碳钢的BS点约为550。图5-1 共析碳钢 C 曲线Mf高 温中 温低 温珠光体转变转变

2、贝贝氏体转变转变马马氏体转转 变变 转变转变 温度范围围Ar1 550550 Ms 350 ，-Fe(C) + Fe3C 350 ，-Fe(C) + FexC单单相组织组织 -Fe(C)合金元素扩扩散不扩扩散不扩扩散表 5-1 珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较贝氏体转变产物为相与碳化物的两相混合物，为非层片状组织。相（即贝氏体铁素体BF）形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。（2）贝氏体转变产物通过形核与长大进行，等温转变动力学图是C形。（3）转变动力学图5-3 合金钢 C曲线图5-2 共析碳钢 C曲线示意图（4）转变的不完全性转变结束时总有一部分未转变的A，继续冷却AM，形成B+M+

3、AR组织。转变形成低碳相和高碳相，故有碳原子的扩散，但铁和合金元素原子不扩散。（5） 扩散性（6）晶体学特征贝氏体形成时，有表面浮凸，位向关系和惯习面接近于马氏体。n 在靠近BS的温度处形成，由平行板条铁素体束及板条间未转变的富碳奥氏体组成。5.1.2 贝氏体的组织形态（1）无碳化物贝氏体（1）无碳化物贝氏体n BF核在A晶界上形成后，向晶内一侧成束长大。板条比较宽，板条 间距离也较大，且两者均随形成温 度的下降而变小。板条间为富碳的 A，在随后冷却时转变为M或保留 至室温成为AR 。图5-4 无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶界BFAA图5-5 无碳化物贝氏体组织， 1000（30CrMnSiA

4、钢，450等温20s）（1）无碳化物贝氏体n BF与奥氏体的位向关系为K-S关系，惯习面为111A 。n 在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢, 大约在350550 区间。（2）上贝氏体（2）上贝氏体n 其形态在光镜下为羽毛状。组织为一束平行的自A晶界长入晶内的BF板条。BF板条与M板条相近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。（2）上贝氏体n BF板条内亚结构为位错。与A的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。碳化物惯习面为227 A，与A有确定的位向关系。图5-6 (a)上贝氏体组织示意图(b)T8钢中的上贝氏体组织(a )(b)n 在贝氏体相变的低温转变区 形成，大约在35

5、0以下。（3）下贝氏体（3）下贝氏体n 贝氏体铁素体呈透镜片状，形态与片状马氏体很相似。但 下贝氏体铁素体中的亚结构为 位错，不存在孪晶。片内存在 排列整齐的细小碳化物。（3）下贝氏体n BF与A的位向关系为为K-S关系，惯习面为110A。碳化物与BF间有确定的位向关系。图5-7 (a)下贝氏体组织示意图(b)GCr15钢的下贝氏体组织(a)(b )5.1.3 贝氏体的力学性能（一）贝氏体的强度n 贝氏体的强度随形成温度的降低而提高。 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。n 影响贝氏体强度的因素 n 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗 粒数量较多，且分布均匀，故下 贝氏体的

6、强度高于上贝氏体。n 贝氏体形成温度越低，碳化物颗 粒越小、越多，强度越高。 碳化物的弥散强化 固溶强化和位错强化随贝氏体形成温度的降低， BF的碳过饱和度及位错密度均增加，导致强度增加。（二）贝氏体的韧性n 在350以上，组织中大部分为上贝氏体时，冲击韧性大大下降。上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的原因：（1）上贝氏体由彼此平行的BF板条构成，好似一个晶粒；而下贝氏体的BF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。（2）上贝氏体碳化物分布在BF板条间。n 总之，随着贝氏体形成温度的降低，强度逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，使下贝氏体具有优良的综合力学性能。n 贝氏体相变

7、的驱动力也是化学自由能差。n 铁素体的Gibbs自由能随着碳过饱和度的增加而增加。5.2 贝氏体相变的热力学条件、相变机理5.2.1 贝氏体相变的热力学条件MsBs图5-8 奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系 n 由于碳在BF中的不断脱溶，增加 了新相与母相间的自由能差（G） 。n 另外，BF中碳的脱溶还使其比容 降低，从而减少作为相变阻力的比 容应变能，这些都会促进BF的进一 步长大。 贝氏体转变的领先相是铁素体，在 转变温度下，奥氏体中存在浓度起 伏，BF核在贫碳区形成。较高温度 时，BF在奥氏体晶界形核；较低温 度时（下贝氏体），BF大多在奥氏 体晶粒内形核。5.2.2 贝氏体相变的机理（

8、一）贝氏体相变机理概述 BF以共格切变方式长大，但长大速度缓慢，这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控制。（一）贝氏体相变机理概述图5-9 贝氏体铁素体按马氏体切变机制形成的说明t1c1Acmc2t2T0A1A3贫碳区 形成的BF为碳的过饱和固溶体，形成温度越低，过饱和度 越大。在BF形成的同时，将发生碳的脱溶，析出碳化物。（一）贝氏体相变机理概述n 高温范围转变，组织为BF+富碳A。BF在奥氏体晶界形核，初形成的BF 过饱和度很小，以共格切变方式向晶 粒内一侧长大，形成相互平行的BF 板条束。（二）无碳化物贝氏体的形成机理图5-4 无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶界BFAA图5-10 无碳化物

9、贝氏体形成机理示意图（二）无碳化物贝氏体的形成机理与此同时，由于转变温度较高 ，在BF中的碳原子可以越过 BF/A相界面向A中扩散，直至达到平衡浓度。通过相界面进入A的碳能很快向 远离界面处扩散，不至于在界面 附近产生积聚，所以富碳A的碳 含量不会超过Acm线的延长线， 从而不会从A中析出碳化物。（二）无碳化物贝氏体的形成机理（二）无碳化物贝氏体的形成机理在随后的冷却过程中，富碳 奥氏体可以转变为马氏体， 也可以保持到室温而成为富 碳的残余奥氏体。n中温范围转变，在350550，组织 为BF + Fe3C，形态为羽毛状。 BF在奥氏体晶界形核，以共格切变 方式向晶粒内一侧长大，形成相互 平行的

10、BF板条束。（三）上贝氏体的形成机理图5-6 (a)上贝氏体组织示意图(b)T8钢中的上贝氏体组织(a )(b)图5-11 上贝氏体的形成机理示意图Fe3C与此同时，碳原子越过BF/A相 界面向A中扩散。由于转变温度降低，进入相界 面附近A中的碳原子已不能向远处扩散，尤其是铁素体板条 间奥氏体中的碳原子，在这些 地方将产生碳的堆积。随着BF的长大，铁素体板条间奥 氏体中的碳含量显著升高，当超过 Acm线的延长线时，将从奥氏体中 析出不连续的碳化物（Fe3C）， 从而形成羽毛状上贝氏体。n 可见，上贝氏体的转变速度受碳 在奥氏体中的扩散所控制。n 低温范围转变， 350。BF大多在奥氏体晶粒内通

11、过共格切变方式形成，形态为透镜 片状。（四）下贝氏体的形成机理图5-7 (a)下贝氏体组织示意图(b)GCr15钢的下贝氏体组织(a)(b )图5-12 下贝氏体的形成机理示意图（四）下贝氏体的形成机理与此同时，由于温度低，BF中碳的过饱和度很大。同时，碳 原子已不能越过BF/A相界面扩 散到奥氏体中去，所以就在BF内部析出细小的碳化物。随着BF中碳化物的析出，自由能 进一步降低，以及比容降低所导 致的应变能下降，将使已形成的 BF片进一步长大。同时，在其侧 面成一定角度也将形成新的下贝 氏体铁素体片。n 可见，下贝氏体的转变速度受碳 在铁素体中的扩散所控制。 综上所述，不同形态贝氏体中的铁素

12、体都是通过切变机制形成的。只是因为形成温度不同，使铁素体中碳的脱溶以及碳化物的形成方式不同，从而导致贝氏体的组织形态不同。n 与珠光体转变不同，贝氏体等温转变不能进行到终了。5.3 贝氏体相变的动力学影响因素、魏氏组织5.3.1 贝氏体等温相变动力学5.3.1 贝氏体等温相变动力学n 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。图5-3 合金钢 C曲线图5-2 共析碳钢 C曲线示意图n 奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，转 变速度下降。5.3.2 影响贝氏体相变动力学的因素（一）碳含量及合金元素的影响（一）碳

13、含量及合金元素的影响n 除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时 也使贝氏体转变的温度范围下降， 从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。n 奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期越长 ，贝氏体转变速度下降。（二）奥氏体晶粒大小的影响（三）应力和塑性变形的影响n 拉应力加快贝氏体转变。n 在较高温度的形变使贝氏体转变速度减慢；而在较低温度的形 变却使转变速度加快。（四）冷却时在不同温度下停留的影响图5-13 冷却时不同温度停留的三种情况 曲线1：在珠光体相变与贝氏体相变之间的 过冷奥氏体稳定区停留 ，会加速随后的贝氏体 转变速度。（四）冷却时在不同温度下停留的影响 曲线1： 原因：在等温停留时从奥氏体中析出了 碳化物，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 贝氏体转变加速。 曲线2：在贝氏体形成温度的高温区停留，形成部分上贝氏体，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体发生了稳定化。 曲线3：先冷至低温，形成少量马氏体或下贝氏体，然后再升至较高温度，则先形成的少量马氏体和下贝氏体将加速随后的贝氏体转变速度。