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1、合金相与相变易丹青 教授材料科学与工程学院 钢铁中相变种类 珠光体转变 贝氏体转变第八讲 钢铁中的相变根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和性能的不同，可分为高温、中温及低温转变区，即珠光体型、贝氏体型和马氏体型转变。 珠光体型转变 高温转变区(A1 550)温度范围 贝氏体型转变 中温转变区(550230 )温度范围 马氏体型转变 低温转变区(230 -50 )之间。 1. 钢铁中的相变种类过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线），它反映了在连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律，是分析转变产物组织与性能的依据。 1. 钢铁中的相变种类2. 珠光体转变2.1 珠光体的组织形态2.2 珠光
2、体转变的特点2.3 珠光体组织的性能2. 珠光体转变转变产物是低碳的铁素体和高碳的渗碳体，铁、碳原子都进行扩散， 属 于典型的扩散形相变。 珠光体转变是钢中过冷奥氏体在过冷度不大的条件下发生的共析转变（共 析钢约在A1550之间发生），所以又称高温转变，其转变反应式为：2. 1 珠光体的组织形态片状珠光体粒状珠光体根据奥氏体化温度和奥氏体化程度不同，过冷奥氏体可形成片状珠光体 和粒状珠光体，前者渗碳体呈片状，后者渗碳体呈粒状。 片层珠光体是由片状铁素体和片状渗碳体交替排列组成，片层的厚度和完 整性取决于过冷度，片层间距（相叠铁素体和渗碳体厚度之和，用S0表示 ）， S0与过冷度T之间的关系如下
3、式：2.1.1 片状珠光体2. 1 珠光体的组织形态2. 1 珠光体的组织形态珠光体片层间距与试样冷却速度的关系, 冷却速度：(a）2.1 x10-4t/s ， （b）21 x10-4t/s ，（c）210 x10-4t/s ，（d）840 x10-4t/s) 2.1.1 片状珠光体根据珠光体转变产物片层间距的大小，可分为珠光体、索氏体和屈氏体三种。珠光体（A1-650） 片层间距大于0.25um索氏体（650-600） 片层间距0.10.25um屈氏体（600-550） 片层间距小于0.1um2.1.1 片状珠光体2. 1 珠光体的组织形态2.1.2 粒状珠光体粒状珠光体主要是粒状渗碳体分布
4、于铁素体基体中，一般通过特定的热处理手段（如球化退火或淬火后经中、高温回火）获得。渗碳体颗粒大小、形状与所采用 的热处理工艺有关。按渗碳体颗粒大小将粒状珠光体分为粒状珠光体、细粒状珠 光体、点状珠光体。球化退火显微组织粒状 Fe3C2. 1 珠光体的组织形态2.2 珠光体转变的特点2.2.1 珠光体形成热力学条件自由能-成分曲线相变过程的推动力是相变过程前后自由能的差，系 统“过冷却”为相转变提供所需的推动力。一般认为共析钢珠光体转变时领先相为渗碳体，若渗碳体在奥氏体晶界上形 成稳定的核心，渗碳体核必须与两个奥氏体中的一个维持一定的晶体学取向 关系以满足形核功最小的能量条件，即：（100）Fe
5、3C / （1-11）A（010）Fe3C / （110）A（001）Fe3C / （-112）A2.2.2 片状珠光体形成机制在渗碳体两侧形核长大的铁素体与渗碳体同样具有一定的晶体学取向关系，包括 Pitsch-Petch关系和Bagayatski关系：Pitsch-Petch关系Bagayatski关系(001)Fe3C / (5-2-1) 100Fe3C (23) 13-1 010Fe3C (23) 113 (001)Fe3C / (211) 100Fe3C / 0-11 010Fe3C / 1-1-12.2 珠光体转变的特点通过碳原子的扩散，渗碳体发生长大，使周围奥氏体碳原子浓度降低形
6、成贫 碳区，为铁素体形核提供有利条件，当碳原子浓度降低至铁素体平衡浓度时 ，就在渗碳体两侧形成铁素体，铁素体随渗碳体长大，在其外侧又出现奥氏 体富碳区，促使新的渗碳体形核长大，反复交替，形成片状珠光体。(1) 成片形核机制 2.2 珠光体转变的特点(2) 分枝形核机制 珠光体中的渗碳体以分枝形式长大。渗碳体形核后，在向前长大过程中，不断分枝，造成与其相邻的奥氏体贫碳，从而促使铁素体在渗碳体分枝之间不断地形成，最终形 成了渗碳体与铁素体片层相间的片状珠光体组织。这种珠光体形成的分枝机制可以解 释珠光体转变中的一些反常现象，如离异共析组织。珠光体分枝形成示意图及显微组织照片2.2 珠光体转变的特点
7、2.2.3 珠光体形成时碳的扩散珠光体转变在较高温度进行，整个过程受控于碳原子在奥氏体中的体积扩 散。2.2 珠光体转变的特点片状珠光体形成时碳的扩散示意图2.2.4 粒状珠光体形成机制钢加热时的奥氏体化程度是过冷奥氏体是否形成粒状珠光体的先决条件： 奥氏体化温度低，保温时间较短，加热转变未充分进行，此时奥氏体中有许多未溶的残留碳化物或许多微小的高浓度碳的富集区； 其次是转变为珠光体的等温温度高，等温时间足够长，或冷却速度极慢，这样可能使渗碳体成为颗粒（球）状，即获得粒状珠光体。 片状渗碳体在 A1 温度以下球化过程示意图2.2 珠光体转变的特点2.3 珠光体组织的性能 珠光体组织的机械性能主
8、要取决于片间距和珠光体团的直径，片间距S0和珠光体团直径越小，钢的强度和硬度越高； 珠光体团直径和S0减小，相界面增多，对位错运动的阻碍增大，塑性变形抗力增大，故强度、硬度升高。 粒状珠光体的机械性能主要取决于渗碳体颗粒的大小、形态与分布。一般来说，钢的成分一定时，渗碳体颗粒越细，相界面越多，钢的强度越高。共析钢的珠光体团直径a和片间距b对断裂强度的影响2.3 珠光体组织的性能共析钢珠光体团的直径(a)和最小片间距(b)对断面收缩率的影响2.3 珠光体组织的性能在成分相同的条件下，粒状珠光体比片状珠光体的硬度稍低，但塑性较好（铁素体连续分布）。共析钢片状(1)和粒状(2)珠光体的应力-应变曲线
9、2.3 珠光体组织的性能3. 贝氏体转变3.1 贝氏体的组织形态3.2 贝氏体转变过程3.3 贝氏体的性能3、贝氏体转变 上贝氏体在550350之间，转变产物呈羽毛状,铁素体形成许多密集而互相平行的扁片，其间断断续续分布着渗碳体颗粒。 下贝氏体在350Ms之间，转变产物呈黑色竹叶状。铁素体形成竹叶状，其内分布着极细小的渗碳体颗粒 。 除了上述两种常见的贝氏体外，还有无碳贝氏体、粒状贝氏体、柱状贝氏体及反贝氏体等。贝氏体转变是介于珠光体转变和马氏体转变之间的一种转变，转变温度范围在550-Ms点(230 )之间。贝氏体是由铁素体和碳化物组成的两相组织，根据转变温度和化学成分的不同，可分为：3.1
10、 贝氏体的组织形态(1)无碳化物贝氏体在靠近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。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 。BF与奥氏体的位向关系为K-S关系，惯习面为111A 。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钢，450等温20s）(2)上贝氏体3.1贝氏体的组织形态形态呈羽毛状，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
11、分布有不连续碳化物。BF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。上贝氏体组织示意图T8钢中的上贝氏体组织(3)下贝氏体3.1贝氏体的组织形态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。 BF与A的位向关系为K- S关系，惯习面为110A。碳化物与BF间有确定的位向关系。下贝氏体组织示意图GCr15钢的下贝氏体组织含碳量小于0.6的亚共析钢或含碳量大于1.2的过共析钢由高温以较快的速度冷却时，先共析铁素体或先共析渗碳体从奥氏体晶界上沿奥氏体的一定晶面向晶 内生长
12、，呈针片状析出，呈羽毛状或三角形，其间存在着珠光体的组织，我们称 为“魏氏组织”。一次魏氏组织铁素体 (d) , 二次魏氏组织铁素体( e)示意图3.1贝氏体的组织形态(4)魏氏组织铁素体魏氏体组织500渗碳体魏氏体组织5003.1贝氏体的组织形态(4)魏氏组织魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧 下降，是一种应该避免出现的组织。 魏氏体组织形成与钢中含碳量、奥氏体晶粒度及奥氏体冷却速度有关。奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏体组织，一般出现在过热钢中，如经锻造、热轧、焊 接的中低碳钢中空冷后易出现魏氏体组织。消除魏氏组织的方法：细化晶粒正火 、退火以及锻造
13、等，如程度严重还可采用二次正火。铁碳合金中先共析铁素体、先共析渗碳体的形态与转变温度合含碳量的关系。（M-析出块状组织，W形成魏氏组织，G沿奥氏体晶界析出网状组织）(4)魏氏组织3.1贝氏体的组织形态3.2贝氏体转变过程(1) 贝氏体转变的热力学特点n 贝氏体相变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。MsBs奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系 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）。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。3.2贝氏体转变过程(1) 贝氏体转变的热力学特点
14、贝氏体转变可有三种可能方式： 1. +Fe3C 2. +1, 1在随后的冷却过程中进一步转变。 3. (过饱和)，+ Fe3C。 其中，方式(1)机制转变的相变驱动力最大，这就表示(2)、(3)中的1和都是热力学不稳定的，最终要分解为平衡相和Fe3C。合金钢 C曲线示意图共析碳钢 C曲线示意图(2) 贝氏体转变的动力学特点贝氏体可以等温形成，也可能在连续冷却时形成，最终转变产物取决于钢的C曲线。3.2贝氏体转变过程3.2 贝氏体转变过程(3) 贝氏体转变机理贝氏体转变理论存在切变和扩散两大观点。（一） 切变机制 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
15、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。 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。 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。3.2 贝氏体转变过程贝氏体形成机理示意图（a-无碳化物贝氏体;b-上贝氏体;c-下贝氏体 ）(3) 贝氏体转变机理3.2 贝氏体转变过程(3) 贝氏体转变的形核理论（二） 扩散机制扩散学派认为，由Aaronson等人最先提出的魏氏铁素体的台阶长大机制，同样 可以应用于贝氏体转变过程。 台阶机制认为;-的半共格界面
16、由位错和台阶 组成， 这样的界面活动能力很高，易于向侧面移动，通过台阶的横向迁移促进 半共格界面的运动，实现贝氏体转变。 u 上贝氏体形成温度较高，铁素体条粗大，碳的过饱和度低，因而强度和 硬度较低。另外其碳化物颗粒粗大，呈断续条状分布于铁素体间，使铁 素体易于脆断，冲击韧性差。因此工程材料都应避免上贝氏体的形成。3.3 贝氏体的机械性能贝氏体的机械性能主要取决于贝氏体的形态。u 下贝氏体中铁素体针细小，分布均匀，在铁素体中又析出细小弥散的碳 化物，而且铁素体中的含有过饱和的碳及高密度的位错，因此下贝氏体 体不但强度好，韧性也好，具有良好的综合机械性能。在生产中广泛应 用。低、中碳合金结构钢经等温淬火后的
