《固态相变 教学课件 ppt 作者 刘宗昌第5章贝氏体相变与贝氏体5.8贝氏体相变机制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态相变 教学课件 ppt 作者 刘宗昌第5章贝氏体相变与贝氏体5.8贝氏体相变机制（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.7贝氏体相变机制,1切变学派认为：缺陷与碳原子作用可形成贫碳区。,在贝氏体转变孕育期内，由于奥氏体内晶体缺陷与碳原子的相互作用，形成贫碳区和富碳区。在贫碳区内，贝氏体铁素体可以按低碳或超低碳马氏体的切变机制形核。 1）在孕育期，母相成分的预分配使母相内溶质原子形成贫化区。 2）缺陷与碳原子作用可形成贫碳区。 3）奥氏体中出现贫碳区为贝氏体铁素体的切变形核提供了热力学条件 。,2.扩散学派认为：在孕育期内不可能形成贫碳区。,徐祖耀：在贝氏体相变温度，奥氏体不可能或未见Spinodal分解，形成贫碳区。计算证明不能以母相进行Spinodal分解形成贫碳区。 奥氏体中的贫碳区、富碳区，是奥氏体中
2、的不同微区，仍保持着单相奥氏体状态。它不同于“Spinodal分解”。Spinodal Decomposition是一种相变过程，是一个相在相变驱动力作用下自发地分解为两个新相的过程。不能将Spinodal Decomposition与奥氏体中的贫碳区、富碳区混为一谈。按Spinodal分解去计算贫碳区，理论上不妥，技术路线不正确。,3.贫碳区、富碳区是客观存在,奥氏体中碳原子分布是不均匀的。对34CrNi3MoV钢钢锭施以128025h均质化退火，检测结果表明，带状组织为2级，仍然存在贫碳带和富碳带相间分布的状态。对40钢奥氏体化研究表明，加热速度从50/s到230/s，奥氏体中存在高达1.
3、41.7%C的富碳区，相对地必然存在低于平均含碳量的贫碳区。用统计理论进行计算的结果表明，在含0.85%C的奥氏体中可能存在大量的比平均碳浓度高8倍的微区，这相当于渗碳体的含碳量了，相匹配的是贫碳微区的存在。工业上和实验室实测均表明，奥氏体成分是不均匀的，只能是宏观上的相对均匀。,图2加热工艺对钢奥氏体碳含量不均匀的影响,如0.18%C（质量分数%）的钢，加热奥氏体化时，奥氏体中碳含量不均匀分布的情况如图2所示。可见在不同加热速度和加热温度下，奥氏体不同微区的碳含量存在很大差别，富碳区的碳含量高达0.8%以上，贫碳区的碳含量在0.05%以下。,H13贫碳区、富碳区,调幅组织（1+2）,各类钢的
4、的带状组织,缺陷处富集碳,在奥氏体中的晶体缺陷处，如晶界、亚晶界、孪晶界、位错、层错等处，畸变能较高，碳、合金元素与这些缺陷发生交互作用，溶质原子浓度往往大大超过基体的平均浓度，这种现象称为内吸附。 碳原子、氮原子在位错线上的吸附称为柯垂尔气团。 溶质原子在层错附近偏聚，形成铃木气团。这些是微观上的不均匀现象。,4.钢中贝氏体相变时碳的扩散,1）碳原子在高温区、中温区和低温区都有扩散能力，能够长程扩散。 2）在中温区，贝氏体相变与碳原子的扩散有密切的关系。贝氏体相变受碳原子扩散控制。 一般认为：铁原子和替换原子是不扩散的。 3）切变学派认为：铁原子和替换原子是切变位移；而扩散学派则认为：铁原子
5、和替换原子进行台阶-扩散位移。,需要澄清扩散的定义： 各种书刊中，扩散一词的定义有所区别，列举如下： （1）“固态中的扩散本质是在扩散力（浓度，电场、应力场等的梯度）作用下，原子定向、宏观的迁移”。这里指出扩散造成原子的宏观迁移。 （2）“通过原子（分子）的无规运动，导致宏观传质，这种过程称为扩散。 （3）“原子迁移的微观过程以及由于大量原子的迁移而引起物质的宏观流动，称为扩散”。 （4）“扩散是物质内部由于热运动而导致原子或分子迁移的过程16。 （5)原子在固体中从高浓度区域向低浓度区域的运动，称为扩散。,扩散的新定义：,各名家的定义不同，认识不够一致。综合起来考虑，在此将扩散重新定义为：
6、在金属和合金中，原子（分子）的无规则的定向运动导致的传质过程，称为扩散。 这种传质过程是粒子的定向的不规则运动，可以是下坡扩散，也可以是上坡扩散，可能是宏观的物质迁移，也可能是微观迁移(纳米尺度范围)的定向的物质流，传质是有成分变化的过程。,5.孕育期内形成贫碳区的试验支持,测定某一温度下贝氏体等温转变动力学曲线以及与之相对应的奥氏体点阵常数的变化，也即奥氏体含碳量的变化。如图,可见，中碳钢在转变的孕育期内，奥氏体中的含碳量已经增加，这意味着奥氏体中出现了富碳区和贫碳区。图C)1.39%C的高碳钢，在孕育期内，奥氏体中的含碳量就显著降低，表明等温一开始奥氏体中就形成了贫碳区，奥氏体的点阵常数变
7、小，碳化物析出。,等温转变量（曲线1）及奥氏体点阵常数（曲线2）与等温时间的关系,（a）0.48C,4.33Mn,(b)1.39C,2.74Mn,6、 贝氏体的形核,贝氏体相变形核是单相，即贝氏体铁素体（BF）。 按照固态相变的一般规律，贝氏体铁素体的形核是非均匀形核。 金相观察表明，上贝氏体一般在奥氏体晶界处形核；而下贝氏体一般在奥氏体的晶内形核，也可在晶界形核。,关于激发形核,在贝氏体铁素体片条的长大过程中，存在激发形核现象。实验表明，钢中的贝氏体片条几乎都是由亚片条、亚单元、或超细亚单元组成，表明激发形核的客观存在。 随着贝氏体铁素体片条的加厚，相变引起的畸变能急遽增大，若大于贝氏体相变
8、驱动力时，贝氏体长大将停滞，这时，在所形成的贝氏体亚单元附近、应变能集中的区域形成另一个贝氏体晶核，该过程即为激发形核。 激发形核消耗了部分应变能，作为额外的相变驱动力。,（1）涨落形成贫碳区，BF在贫碳区中形核,科学技术哲学告诉我们：新相的晶核是以涨落作为种子的。浓度涨落可以形成贫碳区，结构涨落形成相体心核坯，能量涨落提供核坯和临界晶核所需要的能量上涨。三种涨落的非线性正反馈相互作用，使涨落迅速放大，致使奥氏体贫碳区的结构（fcc）失稳而瓦解，建构bcc结构的BF晶核。,（2）贝氏体铁素体形核-长大的观察,20CrMo钢贝氏体铁素体形核及长大,34CrNi3Mo钢的上贝氏体在晶界形核并长大,
9、贝氏体在石墨与奥氏体相界面上形核，向晶内长大,60Si2CrV钢贝氏体铁素体在晶界形核长大,60Si2CrV钢贝氏体铁素体在晶界形核的情形,60Si2CrV钢由亚单元组成的上贝氏体片条形貌,（3）贝氏体铁素体（BF）临界晶核及形核功的计算,贝氏体铁素体晶核（BF）在奥氏体相界面上形成示意图,晶核形成时引起系统自由焓的变化为：,将各数据带入（2）式得临界晶核尺寸和形核功为：,Jmol-1,取含碳量为0.2wt的FeC合金,则奥氏体中碳原子的原子百分数为1atC。算得平均每25个奥氏体晶胞中分布有一个碳原子，如示意图。,贫碳区,包含60个晶胞，21nm,包含26个晶胞,贝氏体铁素体临界晶核尺寸计算
10、值为,（BF）,在奥氏体贫碳区中，铁原子没有浓度梯度，即 ，因此按菲克定律不可能发生扩散。但是贫碳的/界面两侧存在自由焓差， 为负值，因此，的转变是个自发过程，铁原子和替换原子通过热激活跃迁依次转入相中，实现（BF）转变，这是成分不变的非协同型相变，也是一种无扩散相变，靠界面原子的热激活跃迁完成。,贝氏体形核示意图,过冷奥氏体按下式转变为贝氏体： + 1 BF1 在Bs温度的相变阻力计算结果为：905 J/mol,铁原子和替换原子的热激活跃迁形成贝氏体铁素体(BF)晶核并且长大。,激活能Q很小，这是 （BF）速度较快的原因。,贝氏体铁素体晶核长大,（a）原子越过界面时自由焓变化示意图 （b）原
11、子从热激活迁移,界面移动示意图,7、从相变动力学曲线上看相变速度,从大量的（考察110多种）合金结构钢的TTT图中分析发现9，贝氏体C-曲线往往在珠光体C-曲线的偏左方。 在相同的等温温度下，许多亚共析合金钢的贝氏体的孕育期极短，最短的0.5s；,相反，在相同的等温温度下，共析分解孕育期较长，等温很长时间，一般数百秒，甚至大于105s，才开始形成珠光体。 例如35Cr钢的TTT图。,依靠铁原子和替换原子的热激活跃迁，贝氏体铁素体形核很快，孕育期很短。这与实验数据和计算结果相符。 若按扩散理论计算（500等温时）形成一片BF需要时间为508s。实测t实0.36s。两者相差3个数量级。,8、无碳化
12、物贝氏体的形成过程,各个贝氏体铁素体片条之间的奥氏体中，不断富集碳，而且受铁素体片条的多向压应力，因而这些富碳的奥氏体越来越稳定，如果渗碳体也难以析出，则最后将残留下来。这样就形成了贝氏体铁素体片条富碳的残留奥氏体的整合组织，即无碳化物贝氏体（BF+A）。,无碳贝氏体形核及长大示意图,9、羽毛状上贝氏体的形成过程,与无碳化物贝氏体形成过程相似。区别在于从富碳奥氏体中析出了渗碳体分布在贝氏体铁素体片条之间。由于渗碳体（含6.67%C）形核需要较高的碳浓度涨落，由于碳原子进行长程扩散，这显然需要时间，因此，渗碳体形核困难，长大也慢，难以形成片状，只能长大到细小的颗粒而终止，因此，在贝氏体铁素体片条
13、之间分布着细小的渗碳体颗粒，呈现羽毛状。,上贝氏体形成过程示意图,10、下贝氏体的形成过程,与上贝氏体不同。下贝氏体形核地点可在晶界，也可在晶内的缺陷处。也是首先通过涨落产生贫碳区，形成贝氏体铁素体的亚单元。亚单元片侧面是富碳奥氏体，它可能析出碳化物，也可能稳定，不足以沉淀析出碳化物。如果析出了碳化物，消耗了碳原子，而又一次贫碳，这有助于形成第二片亚单元。这样，在亚单元侧面不断重复形成亚单元，而构成一片下贝氏体铁素体。,下贝氏体铁素体亚单元及碳化物形核长大示意图,11.钢中贝氏体组织的形成过程,12.贝氏体相变新机制要点：,1.贝氏体相变是介于马氏体相变和共析分解之间的相变，相变机制、组织、结
14、构更为复杂。相变过程和相变产物在质上和量上均具有过渡性。 2.涨落形成贫碳区，贝氏体铁素体在贫碳区中形核。 3.贫碳区中，的转变是个自发过程，铁原子和替换原子通过非协同热激活跃迁依次转入相中，实现（BF）转变，这是成分不变的非协同型相变，也是一种无扩散相变。转变速度很快。,4.形成贝氏体铁素体片条后，在片条之间富碳奥氏体中析出渗碳体，则形成羽毛状上贝氏体。如果片条之间富碳奥氏体中不析出渗碳体，则形成无碳贝氏体。 6.在贝氏体铁素体和富碳奥氏体的相界面上形成贝氏体碳化物（Bc），并且向奥氏体中长大，长大停止后被铁素体包围。 7.贝氏体碳化物（Fe3C，- FexC ）形成过程中，碳原子长程扩散，而相界面铁原子以非协同热激活跃迁方式位移，建构碳化物晶格。,
