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1、材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用贝氏体相变材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用贝氏体相变1 贝氏体相变的基本特征和组织形态2 贝氏体相变机制3 贝氏体相变动力学及其影响因素4 钢中贝氏体的机械性能材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用10.4.1贝氏
2、体相变的基本特征和组织形态1贝氏体相变的基本特征1）贝氏体相变的温度范围贝氏体相变也有一个上限温度Bs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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用2）贝氏体相变的产物贝氏体是+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。较高温度形成的上贝氏体，其碳化物是渗碳体，一般分布在铁素体条之间；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-碳化物，主要分布在铁素体条内部。在低、中碳钢中，当贝氏体形成温度较高时，也可能形
3、成不含碳化物的无碳化物贝氏体。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用3）贝氏体相变动力学贝氏体相变也是一种形核和长大过程。与珠光体相变一样，贝氏体可以在一定温度范围内等温形成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变。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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用4）贝氏体相变的扩散性贝氏体相变是由一个单相（）转变为两个相（相和碳化物）的过程，所以相变过程中必须有碳原子的扩散。对未转变的奥氏体和已经形成的碳化物进行成分测定发现，贝氏体相变时奥氏体的碳含量确实发生了变化，但合金元素的分布并没有改变。材料
4、科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用这表明，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-Fe中的扩散，下贝氏体的相变速度取决于碳在-Fe中的扩散。所以，影响碳原子扩散的所有因素都会影响到贝氏体的相变速度。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用5）贝氏体相变的晶体学特征-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，下贝氏体的惯习面一般为225。贝氏体中
5、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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用2钢中贝氏体的组织形态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。1）上贝氏体在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体。对于中、高碳钢来说，上贝氏体大约在350550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、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用T8钢的上贝氏体组织在电镜下观察时可看
6、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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用钢中典型上贝氏体组织示意图上贝氏体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；材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用条状铁素体多在奥氏体的晶界形核，自晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内长大。条状铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很小，束与束之间则有较大的位向差。条状铁素体的碳含量接近平衡浓度，而条间碳化物均为渗碳体型碳化物。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用一般情
7、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。当碳含量达到共析浓度时，渗碳体不仅分布在铁素体条之间，而且也在铁素体条内沉淀，这种组织称为共析钢上贝氏体。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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用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。在含有Si或Al的钢中，由于
8、Si和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用2）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350Ms之间形成。典型的下贝氏体组织在光镜下呈暗黑色针状或片状，而且各个片之间都有一定的交角，其立体形态为透镜状，与试样磨面相交而呈片状或针状。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用GCr15钢的下贝氏体组织材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用下贝氏体既
9、可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶粒内部形核。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5560o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。钢中典型下贝氏体组织示意图材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用下贝氏体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-碳化物，主要分布在铁素体条内部。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用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。上贝氏体的表面浮突大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部伸展；下贝氏体的表面浮突往
10、往相交呈“”形，而且还有一些较小的浮突在先形成的较大浮突的两侧形成。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用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奥氏体之间的位向关系为K-S关系。下贝氏体中铁素体的惯习面比较复杂，有人测得为111，也有人测得为254及569。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用下贝氏体中的碳化物也可是渗碳体。温度较低时，初期形成-碳化物，随时间延长，-碳化物转变为-碳化物。下贝氏体中铁素体与
11、-碳化物及-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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用粒状贝氏体低、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，也可以分布在铁素体晶界上。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用粒状贝氏体组织的基体是由条状铁素体合并而成的，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。铁素体与富碳奥氏体区的合金元素含量与钢的平均含量相同。这表明在粒状
12、贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：1、部分或全部分解为铁素体+碳化物的混合物；2、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+所组成；3、或者全部保留下来，成为残余奥氏体。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用4）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
13、变的残余奥氏体。无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮突，其铁素体中也有一定数量的位错。 无碳化物贝氏体与奥氏体之间的位向关系为KS关系，惯习面为111。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用低碳低合金钢中的B、B、B在某些低碳低合金高强度钢中的贝氏体可明显地分为三类：B、B和B，它们的铁素体均为条状，但碳化物的形态和分布不同。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用B在600500等温形成，没有碳化物存在，相当于无碳化物贝氏体；B在500450等温形成，碳化物主要以杆状或断续条状分布在条状铁素体之间，相当于上贝氏体；B在450Ms点等温形成，碳化物呈粒状均匀分布于整
14、个条状铁素体组织内部，类似于下贝氏体。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用在连续冷却时，也可形成这三类贝氏体。冷却速度较慢时，形成B冷却速度居中时，形成B冷却速度较快时，形成BB组织具有较好的综合机械性能，特别是钢中获得B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。材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用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。2 贝氏体相变机制材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用1恩金贝氏体相变假说该假说认为，在贝氏体相变发生之前奥氏体中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。（）0.23%C钢奥氏体化后在250等温形成下贝氏体，其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是低碳马氏体；材料科学与工程学院 固 态 相 变 原 理 与 应 用（）中碳钢在300等温形成下贝氏体，随贝氏体转变量增加，剩余中的碳浓度升高。说明在相变过程中碳
