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第五章 贝氏体相变 5.1 贝氏体(B)转变的基本特征和组织形态,一、贝氏体(B)相变的基本特征1、贝氏体相变温度范围 在A1以下，MS以上，有一转变的上限温度BS和下限温度Bf，碳钢的BS约为550左右。,2、贝氏体转变产物 一般地，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，组织形态与形成温度有关。相形态类似于M而不同于珠光体中的铁素体。碳化物的分布状态随形成温度不同而异：较高温度形成上贝氏体，碳化物为渗碳体，分布在铁素体条间；较低温度形成下贝氏体，碳化物可以是渗碳体或碳化物，分布在铁素体内部；高于上贝氏体形成温度，形成无碳贝氏体。随着贝氏体的形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。,a)金相显微组织 500b)电子显微组织 500,上贝氏体的显微组织形成温度：共析钢在550350,a)金相显微组织 100b)电子显微组织 1000,下贝氏体的显微组织形成温度：共析钢在350Ms,3、转变动力学 由形核与长大完成，等温转变动力学图是C形。4、扩散性 B相变是A分解（A+Fe3C）、有孕育期和领先相。转变形成高碳相和低碳相，故有碳原子扩散，但合金元素和铁原子不扩散或不作长程扩散。B长大和碳化物析出受碳扩散控制。上贝氏体长大速度取决于碳在A中的扩散，下贝氏体长大速度取决于碳在F中的扩散。B相变比M相变慢。5、晶体学特征 贝氏体形成时，有表面浮突，位向关系和惯习面接近于M。6、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+AR组织，其中AR为残余A。总之，贝氏体转变的某些特征与P相似，某些方面又与M相似。,二、钢中贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态随钢的化学成分以及形成温度不同而异，有下列主要的组织形态。1、上贝氏体B上 B上在B转变的较高温度区域内形成，对于中、高碳钢,此温度约在350550 区间。组织为(F+碳化物)的二相混合物。其形态在光镜下为羽毛状。在电镜下为一束平行的自A晶界长入晶内的F条。束内F有小位向差，束间有大角度差，F条与M板条相近。碳化物分布在铁素体条间，随A中含碳量增高，其形态由粒状向链状甚至杆状发展。,电子显微组织 500,金相显微组织 500,F内亚结构为位错，惯习面为111A，与A之间的位向接近K-S关系，碳化物惯习面为227A，与A有确定位向关系。2、下贝氏体B下在B转变的低温转变区形成，大致在350，组织为(F+碳化物)的二相混合物。F的形态与A碳含量有关：碳量低时呈板条状(见图)。碳量高时，呈片状(见图)。片内存在细小碳化物，呈短杆状与F的长轴成55-60度，成分为Fe3C或Fe2-3C。,a)金相显微组织 100b)电子显微组织 1000,钢中典型下贝氏体组织示意图,3、粒状贝氏体,在一定的冷速范围内连续冷却得到的，组织为(F+A)的二相混合物。其形态为F基体上分布着小岛状的A(见图)。富碳的A小岛在随后的冷却过程中有三种可能：分解为F与碳化物；转变为M；以A态保留至室温。,粒状贝氏体的显微组织 1000,4、无碳化物贝氏体 在靠近BS的温度处形成这种贝氏体，是由F+A组成。是在A晶界上形成了F核后，向晶内一侧成束长大，形成的平行的板条束，条间为富碳的A，板条宽度随转变温度下降而变窄。继续冷却，A可能转变为M，P，B(其他类型)或保留至室温。F条形成时在抛光表面会形成浮凸。B与A的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。5、低碳低合金钢中的贝氏体1、第一类贝氏体在600500等温形成，相当于无碳化物贝氏体。2、第二类贝氏体在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。3、第三类贝氏体在450MS等温形成，碳化物呈粒状均匀分布在条状铁素体内部，相当于下贝氏体。,贝氏体是20纪40年代末命名的奥氏体中温转变产物。贝茵等人于1930年首次发表了这种产物的金相照片。到1939年R.F.Mehl把贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。半个多世纪以来氏体相变的研究十分活跃，不断丰富和发展贝氏体相变学说，贝氏体组织在工程上得到越来越广泛的应用。一、贝氏体相变假说1、切变机制1952年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者.Cottrell第一次对贝氏体相变的本质进行了研究。发现在预先抛光的样品表面，在贝氏体转变时产生了表面浮凸效应。以此实验现象为依据，提出了贝氏体相变机制类似于马氏体相变的切变机制。他们认为，铁原子和代位原子是无扩散的，切变间隙溶质原子是有扩散的。这种学说被许多学者所继承，形成“切变学派”。,5.2 贝氏体相变机制,观点：贝氏体转变是含过饱和碳的铁素体的切变形成过程,2、扩散机制 20世纪60年代末，美国冶金学家HIAaronson及其合作者从能量上否定了贝氏体转变的切变可转变温度区间，相变驱动力不能满足切变所需要的能量水平。他们认为，贝氏体转变是共析转变的变种。这个学说被我国金属学家徐祖跃及H.Laronson的学生们所继承，形成“扩散学派”。观点：贝氏体由铁素体和碳化物组成，二者由奥氏体直接分解形成。3、切变扩散耦合机制1987年提出了贝氏体相变的切变扩散耦合机制。这个模型认为：1)贝氏体相变是相界切变迁移和碳扩散耦合的转变过程。Bs点是相变的开始；2)具有扩散能力的碳原子在ar相界面两侧建立碳化学位类平衡，因此，贝氏体较马氏体具有缓慢的长大动力学；3)在550以下，fccbcc点阵类型改变以切变机制为操作机制，而扩散机制，也即铁、碳都扩散延续到400，在550400之间存在两种机制的重叠等观点。,观点：一方面，贝氏体相变由铁素体和碳化物组成，转变过程发生碳在铁素体的扩散；另一方面，奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行。贝氏体转变是有扩散、有切变的转变。总结 无论哪种理论，都一致认为：贝氏体由铁素体和碳化物组成；贝氏体转变的领先相为铁素体，即铁素体优先形核。由于贝氏体相变的复杂性以及对贝氏体整体系统的认识的艰巨性，贝氏体相变机理和贝氏体的物理本质尚没有得到统一的认识和结论。,二、贝氏体转变过程贝氏体转变可有三种可能：(1)奥氏体分解为平衡浓度的+Fe3C，即+Fe3C（扩散机制）(2)奥氏体先析出先共析铁素体，即+1,1在随后的冷却过程中进一步转变。（扩散切变机制）(3)奥氏体以马氏体相变方式先形成同成分的(过饱和)，然后分解成Fe3C及低饱和度，即(过饱和)，+Fe3C。（切变机制）经计算后发现：以方式(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.以(3)中的切变方式转变，驱动力为180J/mol，而在BS时相变的阻力在600 J/mol以上,阻力大于驱动力,所以至少在贝氏体转变的上限温度(3)中的方式不可能而以(2)中的1扩散方式进行。,1.无碳化物贝氏体(高温范围转变)，组织为F+A(富碳)。(1)A中形成贫碳及富碳区，首先是在贫碳区形成F核；(2)由于转变温度较高，碳原子可在F中越过F/A界面向A扩散，直至达到平衡浓度；(3)A，F界面上的碳原子向A中远离界面处扩散；(4)继续形成F核，并长大成条；(5)A继续富化，当达到Fe3C浓度时会析出Fe3C，在继续冷却或保温过程中A也能发生转变，成为P、M、其它类型B或保留至室温成为残余奥氏体AR。整个过程可见图。,2.上贝氏体转变(中温范围转变，在350550之间)，组织为F+Fe3C。,(1)在A中贫碳区形成F核；(2)碳越过F/A界面向A扩散；(3)由于温度降低，碳不能进行远程扩散，而在A界面附近堆积，形成Fe3C；(4)同时F长大，形成羽毛状上贝氏体。可见,上贝氏体的转变速度受碳在A中扩散控制。整个过程可见图。,3 下贝氏体转变(低温范围转变，低 于350),(1)在贫碳区形成F核，具有过饱和的碳；(2)由于温度低，碳原子不能越过F/A界面扩散至A中；(3)碳原子在F内扩散；(4)在F内一定晶面上析出Fe3C，以降低能量,同时铁素体长大。可见,下贝氏体转变速度受碳在F中的扩散所控制。整个过程可见图。,综上所述，不同形态贝氏体中的铁素体都是通过切变机制形成的，只是因为形成温度不同，使铁素体中的碳脱溶以及碳化物的形成方式不同而导致贝氏体组织形态的不同。碳的扩散及脱溶沉淀是控制贝氏体相变及其组织形态的基本因素。阻碍碳的扩散或碳化物沉淀的合金元素都会提高富碳奥氏体的碳浓度而提高其稳定性。,冷却过程中的几种转变的主要特征见下表珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征,5.4 钢中贝氏体的机械性能,一.贝氏体的强度(硬度)一般地，贝氏体的强度随形成温度的降低而提高,如图。贝氏体的硬度与形成温度的关系与此相似。,贝氏体抗拉强度与形成温度的关系,影响贝氏体强度的因素：,(1)F条(片)的粗细：F条(片)越细，晶界越多，贝氏体强度越高。由于F条(片)的粗细决定于形成温度，也可认为，形成温度越低，条(片)越细，强度越高。(2)碳化物质点的大小与分布：根据弥散强化理论，碳化物颗粒愈小，分布越弥散，贝氏体强度越高。下贝氏体中碳化物颗粒小，颗粒量多，故下贝氏体强度高于上贝氏体。贝氏体形成温度愈低时，碳化物颗粒愈小、越多，强度越高。(3)F的过饱和度，位错亚结构密度：贝氏体形成温度低时，碳原子不易通过界面扩散，F的过饱和增加，位错密度增加，强度增加。总之，贝氏体形成温度越低，强度越高。,二.贝氏体的韧性,在350以上时，组织中大部分为上贝氏体时，冲击韧性会大大下降，如图。,贝氏体组织的冲击韧性与形成温度的关系,上贝氏体的冲击韧性低于下贝氏体的原因有,上贝氏体存在存在粗大的碳化物颗粒或断续的条状碳化物，也可能存在高碳马氏体，容易形成裂纹。上贝氏体中的脆性Fe3C分布于F条间，造成脆性通道。上贝氏体由彼此平行的F条构成，好似一个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此位向差很大，能看作一个晶粒的部位尺寸很小，所以上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。下贝氏体较小的碳化物颗粒不易形成裂纹，即使形成大于临界尺寸的裂纹，其扩展也受到碳化物颗粒和位错的阻止。,
