原理第8章贝氏体转变.ppt

第五章 贝氏体转变,一、贝氏体转变的基本特征二、贝氏体的组织形态和晶体学三、贝氏体相变机制四、贝氏体转变的切变机制五、贝氏体相变动力学及其影响因素六、贝氏体的力学性能,第五章 贝氏体转变,在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间，过冷奥氏体将按另一种转变机制转变。由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于铁原子也能扩散的珠光体转变以及碳原子也基本上不能扩散的马氏体转变。为纪念美国著名冶金学家Bain，此转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。英文名称Bainite，用B表示。,第五章 贝氏体转变,一、贝氏体转变的基本特征 1、贝氏体转变温度范围 贝氏体转变也有一个上限Bs点，也有一个下限温度Bf点，Bf与Ms无关。2、贝氏体转变产物 也是由相与碳化物组成的机械混合物，但与珠光体不同，不是层片状组织，且组织形态与转变温度密切相关，其中包括相的形态、大小以及碳化物的类型及分布等均随转变温度而异。3、贝氏体转变动力学 贝氏体转变也是一个形核长大过程，可等温形成，也可以连续冷却形成，等温形成需要孕育期，等温转变动力学曲线具有S形，等温形成图也呈C字形。,第五章 贝氏体转变,4、贝氏体转变的不完全性 贝氏体转变一般不能进行到底，通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大，即转变具有自制性，在等温时有可能出现二次珠光体转变。5、贝氏体转变的扩散性 贝氏体转变过程中存在原子的扩散现象，但只有碳原子的扩散，而Fe及合金元素的原子均不发生扩散。6、贝氏体转变晶体学特征 贝氏体中F形成时也能产生表面浮凸，这说明F在形成时同样与母相的宏观切变有关，母相与新相之间维持第二共格关系。但所产生的表面浮凸与马氏体形成所产生的表面浮凸不同，马氏体是N形的，贝氏体为V形的。,第五章 贝氏体转变,二、贝氏体的组织形态和晶体学 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 针状，少数呈椭圆形或矩形。在电镜下观察时，可看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。,第五章 贝氏体转变,T8 钢的上贝氏体组织 钢中典型上贝氏体组织示意图,第五章 贝氏体转变,较高温度形成的上贝氏体,第五章 贝氏体转变,影响上贝氏体组织形态的因素：C%：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状而成为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于相之间，而且可能分布于各相内部。形成温度：随形成温度的降低，相变薄，渗碳体细化且弥散度增大。晶体学特征及亚结构：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。亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。,第五章 贝氏体转变,值得指出的是，在含有 Si 或Al的钢中，由于Si和 Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，因此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。,第五章 贝氏体转变,2、下贝氏体 1）形成温度范围 一般在350-Ms之间的低温区。对于中、高碳钢，下贝氏体大约在 350Ms之间形成，当碳含量很低时，其形成温度可能高于 350。2）组织形态 也是一种两相组织，由相与碳化物组成。相的立体形态呈片状（或透镜片状），在光学显微镜下呈针状，与片状M相似。形核部位大多在A晶界上，也有相当数量位于A晶内。碳化物为渗碳体或-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55-60角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在F片内部。钢的化学成份、A晶粒度和均匀化程度对下贝氏体的组织形态影响较小。,第五章 贝氏体转变,GCr15 钢的下贝氏体组织 钢中典型下贝氏体组织示意图,第五章 贝氏体转变,较低温度下形成的下贝氏体,第五章 贝氏体转变,3)晶体学特征及亚结构 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；而下贝氏体的表面浮突往往相交呈“”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。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。下贝氏体中相与A之间的位向关系为KS关系，惯习面不确定，可能是110、254及569中的一种。,第五章 贝氏体转变,3、无碳化物贝氏体 1）形成温度范围 一般形成于低碳钢中，在B转变的最高温度范围内形成。2）组织形态 是一种单相组织，由大致平行的F板条组成，F板条自A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F板条之间为富碳的A。F板条较宽、间距较大，随转变温度下降，F板条变窄、间距缩小。富碳的A在随后的冷却过程中可能转变为P、B、M或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。3）晶体学特征及亚结构 惯习面为111，位向关系为KS关系；F内有一定数量的位错。,第五章 贝氏体转变,无碳化物贝氏体,第五章 贝氏体转变,4、B、B、B 日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，在某些钢中的贝氏体可以明显地分为三类，分别把这三类B称为第一类、第二类和第三类贝氏体，并用B、B、B分别表示。B约在600-500之间形成，无碳化物析出；B约在500-450之间形成，碳化物在F之间析出；B约在450-Ms之间形成，碳化物分布在F内部。,第五章 贝氏体转变,第五章 贝氏体转变,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 B。B 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。,第五章 贝氏体转变,三、贝氏体相变机制 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。对于贝氏体相变机制已经进行了大量的研究工作，但至今问题仍未得到完全解决。这里将主要介绍恩金贝氏体相变假说和柯俊贝氏体相变假说。,第五章 贝氏体转变,1、恩金贝氏体相变假说 恩金认为贝氏体相变应属于马氏体相变性质，由于随后回火析出碳化物而形成贝氏体，提出了贫富碳理论假说。该假说认为，在贝氏体相变发生之前，奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配，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。在富碳区中首先析出渗碳体，使其碳浓度下降成为贫碳区，然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体，尔后又通过回火成为铁素体加渗碳体的两相机械混合物（贝氏体），而在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的。,第五章 贝氏体转变,在 Ms点以上温度等温，过冷奥氏体中的贫碳区发生马氏体相变的原因可解释如下。如图 10.54所示，马氏体相变开始点 Ms随碳浓度增加而下降。当C浓度的奥氏体（a点）冷却至 Ms点以下时将发生马氏体相变。但是，当冷却至Ms点以上的 T 温度（b 点）等温时，在孕育期内由于碳原子的扩散重新分配，在奥氏体内形成富碳区和贫碳区，其Ms点亦随之发生变化。当贫碳区的碳浓度减小到 C1以下时，其 Ms点升高到T1 以上温度，因此，贫碳区（c 点）在 T1 温度下能够通过马氏体相变转变为马氏体。此时的马氏体为过饱和相，在热力学上是不稳定的，在随后的等温过程中发生回火转变，马氏体分解成为相和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。,第五章 贝氏体转变,Fe-Fe3C 平衡状态图,第五章 贝氏体转变,等温温度愈高，相的过饱和度就愈小，贫碳区的 Ms点就愈高。贝氏体相变温度范围的上限 Bs点就是无碳奥氏体的 Ms点。恩金假说能够解释贝氏体的形成、Bs 点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随等温温度变化而变化等现象，但没有解释贝氏体的形态变化和组织结构等问题。,第五章 贝氏体转变,2、柯俊贝氏体相变假说（热力学）相变时自由能的变化：G=VGV+GD+GS+E 从上式来看，M相变可以发生的条件是G0，但由于M相变的热滞较大，所以M相变只能在Ms以下的温度才能发生。如果在转变过程中，能使Gv升高（即绝对值增大）使E（弹性应变能）降低，可以使G降低，从而使M形的相变可以在Ms以上发生。,第五章 贝氏体转变,在B转变过程中，伴随着碳原子的扩散，从而降低了B中的F的碳含量，使F的自由能降低，引起Gv升高，同时B与A之间的比溶差较小，使体积变化产生的应变能减小。形成温度高，长大速度慢，A强度低，使A塑变和共格界面移动克服的阻力减小，这些都引起Ge减小，使B转变可以在Ms以上的温度下进行，即Bs高于Ms。,第五章 贝氏体转变,碳含量对自由能-温度曲线的影响,第五章 贝氏体转变,该假说认为：贝氏体相变时，相的不断长大和碳从相中的不断脱溶这两个过程是同时发生的，相长大时与奥氏体保持第二类共格关系。不过贝氏体的长大速度远比同类共格切变型的马氏体的长大速度低，这是因为贝氏体的长大速度受碳原子的扩散脱溶所控制。贝氏体相变为有扩散（碳原子）、有共格的相变。贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能差。碳从相中的脱溶可以有两种方式：碳通过相界面从相扩散到相中；碳在相内脱溶沉淀为碳化物。,第五章 贝氏体转变,柯俊贝氏体相变假说能够解释：在 Ms 点以上温度相可以通过马氏体型相变机制形成；按马氏体型相变机制形成的贝氏体的长大速度远低于马氏体的长大速度；在不同温度下形成的贝氏体有着截然不同的组织形态。,第五章 贝氏体转变,四、贝氏体转变的切变机制 贝氏体转变包括贝氏体铁素体的形成以及碳化物的析出。长期以来，围绕着这两个问题进行着争论。在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争。1、切变机制 柯俊最先发现贝氏体转变与马氏体转变一样，在形成贝氏体铁素体时也能在抛光表面引起浮凸，以后又得出形成魏氏铁素体时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即贝氏体铁素体，贝氏体铁素体与马氏体一样，也是通过切变机制形成的，由于贝氏体转变时碳原子尚能扩散，这就导致贝氏体转变与马氏体转变的不同以及贝氏体组织的多样性。,第五章 贝氏体转变,切变机制存在的问题：1）为什么贝氏体转变所引起的浮凸不同于马氏体所引起的浮凸。2）为什么贝氏体铁素体与奥氏体之间的晶体学位向关系不同于马氏体与奥氏体之间的位向关系。3）为什么透镜片状贝氏体铁素体中没有孪晶。4）为什么下贝氏体中的碳化物的分布与回火马氏体中碳化物分布明显不同。5）按切变机制，贝氏体铁素体应是片状，但为什么上贝氏体铁素体接近针状。,第五章 贝氏体转变,2、贝氏体转变的台阶机制 Aaronson等人强调贝氏体是非层状共析反应产物，亦即贝氏体转变是一种特殊的共析反应。他们认为，贝氏体转变与珠光体转变或马氏体转变不同，是通过台阶机制长大的。台阶的水平面为-的半共格界面，界面两侧的与有一定的位向关系，在半共界面上存在着柏氏矢量与界面平行的刃型位错。界面由位错和台阶组织成。台阶的端面为非共格界面。这样的界面活动能力很高，易于向侧面移动，从而使水平面向上推移。,第五章 贝氏体转变,台阶长大机制示意图,第五章 贝氏体转变,珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征,第五章 贝氏体转变,3、切变机制时贝氏体的形成过程 由于形成温度以及奥氏体的碳含量不同，贝氏体相变过程将按照不同的方式进行，从而形成不同形态的贝氏体组织。1）高温范围的转变（无碳化物贝氏体）由于温度高，初形成的铁素体的过饱和度很小，且碳在铁素体和奥氏体中的扩散能力均很强。在贝氏体铁素体形成后，铁素体中过饱和的碳可以通过界面很快进入奥氏体而使铁素体的碳含量降低到平衡浓度。通过界面进入奥氏体的碳也能很快地向奥氏体纵深扩散，使奥氏体的碳含量都得到提高而不致集聚在界面附近。如果奥氏体的含碳量并不高，不会因为贝氏体铁素体的形成而析出碳化物，因此得到的是贝氏体铁素体及碳富化了的奥氏体，即无碳化物贝氏体，也包括魏氏铁素体在内。,第五章 贝氏体转变,无碳化物贝氏体(a),上贝氏体(b)和下贝氏体(c)形成过程示意图,第五章 贝氏体转变,2）中温范围的转变（上贝氏体）在350550的中间温度范围内转变时，转变初期与高温范围的转变基本一样。但此时的温度已比较低，碳在奥氏体中的扩散已变得困难，通过界面由贝氏体铁素体扩散进入奥氏体中的碳原子已不可能进一步向奥氏体纵深扩散，尤其是板条铁素体束两相邻铁素体条之间的奥氏体中的碳更不可能向外扩散。故界面附近的奥氏体，尤其是两铁素体条之间的奥氏体中的碳将随贝氏体铁素体的长大而显著升高，当超过奥氏体溶解度极限时，将自奥氏体中析出碳化物而形成羽毛状的上贝氏体。,第五章 贝氏体转变,3）低温范围的转变（下贝氏体）在350以下转变与上述转变有较大的差异。由于温度低，初形成的铁素体的碳含量高，故贝氏体铁素体的形态已由板条状转变为透镜片状。此时，不仅碳原子已难以在奥氏体中扩散，就是在铁素体中也难以作较长距离的扩散，而贝氏体铁素体中的过饱和度又很大。而碳原子又不能通过界面进入奥氏体，只能以碳化物的形式在贝氏体铁素体内部析出。随着碳的析出，贝氏体铁素体的自由能将下降以及比容的缩小所导致的弹性应变能的下降，将使已形成的贝氏体铁素体片进一步长大，得到下贝氏体组织。,第五章 贝氏体转变,4）粒状贝氏体的形成 一般认为在某些低碳钢中出现的粒状贝氏体是由无碳化物贝氏体演变而来的。当无碳化物贝氏体针长大到彼此汇合时，剩下的小岛状奥氏体便为铁素体所包围沿铁素体条间呈条状断续分布。因钢碳含量较低，剩余奥氏体的碳含量也不超过其溶解度极限，故不会析出碳化物，这就形成了粒状贝氏体。,第五章 贝氏体转变,五、贝氏体相变动力学 1、贝氏体等温相变动力学 1）贝氏体等温相变动力学的特点（1）贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢很多 原因：一般认为B长大速度受碳原子从F中脱溶速度控制。（2）贝氏体转变的不完全性 一般B转变量随温度降低最大转变量增加。通常有两种情况：一是温度低于某一温度，A可全部转变为B，二是等温温度很低时也不能完全转变。,第五章 贝氏体转变,残留下来的A可能发生下列变化：1）一直保持不变；2）当转变温度较高时发生二次珠光体转变，甚至到A全部转变。（3）可能与珠光体和马氏体转变重叠 1）与珠光体转变重叠：P转变在先，B转变在后；2）与马氏体转变重叠：当Ms较高时，在Ms以下可先形成一定数量的M，而后发生B转变。,第五章 贝氏体转变,2、贝氏体等温形成图 与P转变相同，B的等温动力学曲线也具有S形，但B等温转变不能进行到底。等温温度愈高，愈接近Bs点，等温转变量愈少。,第五章 贝氏体转变,B转变的等温形成图也具有C字形，在Bs温度以下随等温温度降低，孕育期先增后减具有一个鼻子。对于碳钢，由于P转变与B转变C曲线重叠在一起，因此合并成一个C曲线。,第五章 贝氏体转变,第五章 贝氏体转变,3、贝氏体转变时碳的扩散 1）奥氏体中碳的扩散 B转变是在碳原子还能扩散的中温范围内发生的，为了在A中形成低碳的F，C原子必将在A中偏聚。当A的碳含量超过其溶解度时（ES及其处长线），碳将以碳化物的形式自A中析出，而使A的C%降低。在B转变过程中A的C%有可能升高，也有可能降低，具体情况取决于A的成份及转变温度而定。2）贝氏体中铁素体内碳的扩散 F形成初期C含量是过饱和的，而B转变温度范围较M转变高，故B中F在形成后必然要发生分解，以碳化物的形式由B中的F内析出过饱和的碳，从而使F的C%下降。,第五章 贝氏体转变,4、影响贝氏体转变动力学的因素 1）碳含量 规 律：随A中碳含量的增加，B转变速度下降。原 因：C含量高时，形成F核心，较困难，而从F中向外排出碳的数量增多，从而增加了B的形成时间。,第五章 贝氏体转变,2）合金元素 凡是降低C扩散速度、阻碍F共格长大、阻碍碳化物形成的元素，都使B转变速度下降。因此，除Co、Al以外所有合金元素都降低B转变速度，使B转变的C曲线右移，但作用不如C显著，同时也使贝氏体转变温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。,第五章 贝氏体转变,3）奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度 A晶粒大小：随A晶粒增大，B转变孕期延长转变速度下降。其原因是由于晶粒大晶界面积小，形成F核心的几率小，同时碳的扩散距离长。A化温度：A化温度高，晶粒粗大，成份均匀，贫碳区少，这都影响F的形核，使B转变的孕育期延长，转变速度下降。,第五章 贝氏体转变,4）应力的影响 拉应力使B转变速度增加，尤其对下B更显著。压应力的作用不清楚。5）塑性变形（1）在较高温度（1000800）范围内对A进行塑性变形，将使A向B转变的孕育期增长，转变速度下降，转变的不完全程度增大。原因：一方面变形使A中的缺陷密度增加，有利于C原子的扩散，有利于B转变的进行；而另一方面，A形变后会产生多边化亚结构，这对B中F的共格生长是不利的。通常以后者的作用为主。,第五章 贝氏体转变,（2）在较低温度（350300）范围内对A 进行塑性变形将加速B的形成。原 因：A晶体缺陷密度更大，促进C的扩散，并且形变会使A中的应力增加，有利于B中F按M型转变机制形成，结果使B转变速度加快。6）冷却在不同温度下停留（1）在P与B转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随后的B转变。原因：停留过程中A析出碳氮化物，降低了A的稳定性。（2）在高温区先进行部份上B转变，将会使低温区下B的转变速度降低，孕育期处长，不完全程度增大。原因：可能是一种A的稳定化现象，还不十分清楚。,第五章 贝氏体转变,（3）先在低温区形成少量M或下B，将促进后续高温区的B形成，转变速度加快。原因：可能是因为在较低温度下进行部份M和下B转变时，所产生的应力会促进以后在较高温度下进行B转变的晶核的形成。,第五章 贝氏体转变,六、贝氏体的力学性能 贝氏体的力学性能决定于其组织形态。但组织和性能又受多种因素影响，所以对贝氏体来说在组织和性能之间还很难建立起定量的关系，仅能定性的说明与两者之间的关系。一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。,第五章 贝氏体转变,1、贝氏体的强度（硬度）影响贝氏体强度的因素有：1）贝氏体铁素体条或片的粗细 如果将贝氏体条（片）的大小看作是贝氏体的晶粒，则可用Hall-Petch的关系式估算贝氏体的强度。即贝氏体铁素体的晶粒直径越细小，则其强度越高。,第五章 贝氏体转变,2）弥散碳化物质点 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素体条间，分布极不均匀，所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。,第五章 贝氏体转变,3）其它因素的强化作用 对贝氏体的强化，铁素体晶粒的细化强化和碳化物的弥散强化是主要的。其它如碳和合金元素的固溶强化和位错亚结构的强化，也有一定的作用。综上所述，影响贝氏体强度的几种因素都与贝氏体形成温度有关，并且都随形成温度降低，作用增强。所以贝氏体的强度随形成温度降低而增强。,第五章 贝氏体转变,2、贝氏体的韧性 可以看出下贝氏体的韧性优于上贝氏体。从整体上看随贝氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，这是贝氏体组织力学性能变化的重要特点，也是人们对贝氏体组织感兴趣的主要原因。,第五章 贝氏体转变,在相同强度的基础上，比较贝氏体组织与回火马氏体的韧性时情况比较复杂，大致可作如下估计：（1）在下贝氏体形成温度范围的中、上区域形成的贝氏体的韧性优于同强度马氏体的韧性。（2）在具有回火脆性的钢中，贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性。,