第六章貝氏體轉(zhuǎn)變

1、第六章貝氏體轉(zhuǎn)變 貝氏體轉(zhuǎn)變是中溫轉(zhuǎn)變。貝氏體轉(zhuǎn)變是中溫轉(zhuǎn)變。優(yōu)點：優(yōu)點：1 1）使鋼得到良好的綜合機械性能）使鋼得到良好的綜合機械性能2 2）減少像一般淬火產(chǎn)生的變形和開裂傾向。）減少像一般淬火產(chǎn)生的變形和開裂傾向。因此，研究貝氏體轉(zhuǎn)變及其應(yīng)用，對于改善因此，研究貝氏體轉(zhuǎn)變及其應(yīng)用，對于改善鋼的強韌性，具有重要的意義。鋼的強韌性，具有重要的意義。研究貝氏體轉(zhuǎn)變的意義貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特點和規(guī)律貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特點和規(guī)律轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)，性能及其影響因素等轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)，性能及其影響因素等轉(zhuǎn)變機理（一般性介紹）轉(zhuǎn)變機理（一般性介紹）相變動力學(xué)相變動力學(xué)貝氏體力學(xué)性能貝氏體力學(xué)性能本章主要內(nèi)

2、容本章主要內(nèi)容貝氏體分類貝氏體分類貝氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在貝氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在“鼻鼻溫溫” 至至MsMs點范圍內(nèi)進(jìn)點范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。行的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。n 上貝氏體上貝氏體貝氏體是碳化物（滲碳體）貝氏體是碳化物（滲碳體）分布在碳過飽和的鐵素體基分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。體上的兩相混合物。 v 共析鋼上貝氏體大約在共析鋼上貝氏體大約在550550（“鼻溫鼻溫” ）至）至350350之間形成之間形成v 光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀貝氏體組織和性能貝氏體組織和性能v 共析鋼下貝氏體大約在共析鋼下貝

3、氏體大約在350350至至MsMs之間形成之間形成n 下貝氏體下貝氏體v 光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀。針與針之間光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀。針與針之間呈一定的角度呈一定的角度 v 下貝氏體中的碳化物呈粒狀或短條狀彌散分布，與鐵素體長下貝氏體中的碳化物呈粒狀或短條狀彌散分布，與鐵素體長軸呈軸呈555560600 0金相金相TEMTEM貝氏體組織和性能貝氏體組織和性能n無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體v Si Si、AlAl等抑制碳化物析出元素延遲碳化物形成等抑制碳化物析出元素延遲碳化物形成v 低碳合金鋼，形成貝氏體鐵素體后，滲碳體尚未析出，奧氏體穩(wěn)定化低碳合金鋼，形成

4、貝氏體鐵素體后，滲碳體尚未析出，奧氏體穩(wěn)定化v 當(dāng)上貝氏體組織中只有貝氏體鐵素體和殘余奧氏體而不存在碳化物時，當(dāng)上貝氏體組織中只有貝氏體鐵素體和殘余奧氏體而不存在碳化物時，稱為無碳化物貝氏體稱為無碳化物貝氏體v 貝氏體鐵素體片條平行排列，片條間是富碳奧氏體或冷卻產(chǎn)物貝氏體鐵素體片條平行排列，片條間是富碳奧氏體或冷卻產(chǎn)物貝氏體組織和性能貝氏體組織和性能無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體n粒狀貝氏體粒狀貝氏體v F F（鐵素體）基體上分布著孤立的（鐵素體）基體上分布著孤立的M/AM/A（馬氏體（馬氏體/ /奧氏奧氏體）小島體）小島v 形成條件：低碳或中碳合金鋼在一定的冷速范圍內(nèi)連形成條件：低碳或中碳合金

5、鋼在一定的冷速范圍內(nèi)連續(xù)冷卻時獲得的續(xù)冷卻時獲得的貝氏體組織和性能貝氏體組織和性能粒狀貝氏體粒狀貝氏體貝氏體的力學(xué)性能由組織形態(tài)決定貝氏體的力學(xué)性能由組織形態(tài)決定貝氏體的力學(xué)性能貝氏體的力學(xué)性能上貝氏體的強度較低、韌性較差上貝氏體的強度較低、韌性較差下貝氏體不僅強度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為下貝氏體不僅強度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為具有較好的綜合力學(xué)性能，是一種很有應(yīng)用價值具有較好的綜合力學(xué)性能，是一種很有應(yīng)用價值的組織的組織 貝氏體的力學(xué)性能貝氏體的力學(xué)性能B B的強度的影響因素的強度的影響因素1 1B B的的F F條或片的粗細(xì)條或片的粗細(xì)晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化 B B晶粒（板條）直徑愈小，強度愈高。

6、晶粒（板條）直徑愈小，強度愈高。 強度決定于形成溫度，溫度愈低，強度愈高。強度決定于形成溫度，溫度愈低，強度愈高。2 2彌散彌散K K質(zhì)點質(zhì)點 B B下中下中K K顆粒小，顆粒數(shù)量多，對顆粒小，顆粒數(shù)量多，對B B下的貢獻(xiàn)大；下的貢獻(xiàn)大； B B上中上中K K顆粒粗，且分布在顆粒粗，且分布在F F條間，分布極不均勻，條間，分布極不均勻， 所以所以B B上的強度比上的強度比B B下低得多。下低得多。3 3其它因素的強化作用其它因素的強化作用固溶強化（程度低于固溶強化（程度低于M M），位錯強化），位錯強化（亞結(jié)構(gòu)）（亞結(jié)構(gòu)）C C的固溶強化的固溶強化隨著形成溫度的降低，貝氏體（包括無碳隨著形成溫

7、度的降低，貝氏體（包括無碳B B、上、上B B和下和下B B）鐵素體中碳的過飽和程度增加，碳的固溶強化的作用也越鐵素體中碳的過飽和程度增加，碳的固溶強化的作用也越來越顯著。但與來越顯著。但與M M相比，貝氏體鐵素體中的碳含量要低許相比，貝氏體鐵素體中的碳含量要低許多，所以多，所以C C的固溶強化對強度的貢獻(xiàn)要小許多。的固溶強化對強度的貢獻(xiàn)要小許多。合金元素的固溶強化合金元素的固溶強化與碳的固溶強化相比作用小一些。與碳的固溶強化相比作用小一些。固溶強化固溶強化與一般鐵素體相比，無碳與一般鐵素體相比，無碳B B、上、上B B和下和下B B的鐵素體的位錯密的鐵素體的位錯密度都比較高，其中下度都比較高

8、，其中下B B中鐵素體的位錯密度最大，因此強中鐵素體的位錯密度最大，因此強化效果最明顯?；Ч蠲黠@。位錯強化位錯強化強化機理強化機理 低碳貝氏體的塑性總是高于高碳貝氏體，即低碳貝氏體的塑性總是高于高碳貝氏體，即使在相同強度條件下?？梢酝ㄟ^使在相同強度條件下?？梢酝ㄟ^降低碳含量降低碳含量來來提提高貝氏體的塑性高貝氏體的塑性，而通過合金元素的置換固溶強，而通過合金元素的置換固溶強化來保證強度?；瘉肀ＷC強度。 當(dāng)殘余奧氏體主要以薄膜形式存在于貝氏當(dāng)殘余奧氏體主要以薄膜形式存在于貝氏體鐵素體亞單元之間時，延伸率最大體鐵素體亞單元之間時，延伸率最大貝氏體的塑性貝氏體的塑性貝氏體的沖擊韌性貝氏體的沖擊韌

9、性 合金組織為單相時，韌性主要決定于晶粒大小，當(dāng)合金組織為單相時，韌性主要決定于晶粒大小，當(dāng)有第二相時，韌性還與第二相大小，形狀和數(shù)量有關(guān)。有第二相時，韌性還與第二相大小，形狀和數(shù)量有關(guān)。 強度高的下貝氏體的韌性比上貝氏體高強度高的下貝氏體的韌性比上貝氏體高，韌脆轉(zhuǎn)，韌脆轉(zhuǎn)變溫度也比較低，這是因為變溫度也比較低，這是因為下貝氏體中碳化物比較細(xì)小、下貝氏體中碳化物比較細(xì)小、彌散造成的彌散造成的。 隨著隨著B B形成溫度的降低，強度的逐漸增加，韌性并形成溫度的降低，強度的逐漸增加，韌性并不降低，反而有所增加不降低，反而有所增加這是這是B B組織力學(xué)性能變化的重組織力學(xué)性能變化的重要特點。要特點。轉(zhuǎn)

10、變溫度范圍轉(zhuǎn)變溫度范圍：介于：介于P P轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)變與M M轉(zhuǎn)變之間中溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變之間中溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：相與相與K K組成的兩相混合物（非層狀混合組織）組成的兩相混合物（非層狀混合組織）轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程：形核、長大的過程，需要孕育期，鐵素體為領(lǐng)先相：形核、長大的過程，需要孕育期，鐵素體為領(lǐng)先相 鐵素體的成長和碳化物的析出鐵素體的成長和碳化物的析出不完全性不完全性：貝氏體等溫轉(zhuǎn)變與馬氏體一樣，也不能進(jìn)行到終了：貝氏體等溫轉(zhuǎn)變與馬氏體一樣，也不能進(jìn)行到終了擴散性擴散性：FeFe原子不能擴散，原子不能擴散，C C原子能擴散原子能擴散晶體學(xué)特征晶體學(xué)特征：有表面浮凸：有表面浮凸轉(zhuǎn)變以切變的方式完成

11、晶格重構(gòu)轉(zhuǎn)變以切變的方式完成晶格重構(gòu) 貝氏體中的鐵素體以切變形式形成貝氏體中的鐵素體以切變形式形成6.2 6.2 貝氏體的轉(zhuǎn)變基本特征貝氏體的轉(zhuǎn)變基本特征 目的：為弄清貝氏體轉(zhuǎn)變機制提供線索，同時目的：為弄清貝氏體轉(zhuǎn)變機制提供線索，同時為制定與貝氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)的熱處理工藝提供依據(jù)。為制定與貝氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)的熱處理工藝提供依據(jù)。B B轉(zhuǎn)變動力學(xué)轉(zhuǎn)變動力學(xué)6.3.16.3.1等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)B B轉(zhuǎn)變時轉(zhuǎn)變時C C的擴散的擴散 與與M M不同，不同，B B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行依賴于碳原子的擴散。為了在轉(zhuǎn)變的進(jìn)行依賴于碳原子的擴散。為了在A A中形成低中形成低C C的的F F，C C必將向必將向A A

12、富集，當(dāng)富集，當(dāng)A A的的C C含量超過含量超過FeFe3 3C C在在A A中中的溶解度曲線的溶解度曲線ESES及其延長線時，及其延長線時，C C又將以又將以FeFe3 3C C形式析出，使形式析出，使A A含含C C量下降。量下降。 中碳時，等溫開始后，中碳時，等溫開始后，B B轉(zhuǎn)變前，轉(zhuǎn)變前，A A中中C C含量就發(fā)生了明顯含量就發(fā)生了明顯變化，表明在變化，表明在A A中已出現(xiàn)了局部小范圍的低碳區(qū)，為形成低碳中已出現(xiàn)了局部小范圍的低碳區(qū)，為形成低碳的的B B作好了準(zhǔn)備。以后隨作好了準(zhǔn)備。以后隨B B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，A A碳含量不斷升高。碳含量不斷升高。 C C為為1.181.18

13、時，孕育期和轉(zhuǎn)變初期，時，孕育期和轉(zhuǎn)變初期，A A中中C C含量基本不變，隨后，含量基本不變，隨后，C C含量顯著下含量顯著下降，因為自奧氏體中析出了碳化物。降，因為自奧氏體中析出了碳化物。 C C為為1.391.39時，在孕育期，奧氏體碳含量就有了明顯下降，表明自等溫一開時，在孕育期，奧氏體碳含量就有了明顯下降，表明自等溫一開始就析出了碳化物。始就析出了碳化物。等溫轉(zhuǎn)變量（曲線等溫轉(zhuǎn)變量（曲線1 1）及奧氏體點陣常數(shù)（曲線）及奧氏體點陣常數(shù)（曲線2 2）與等溫時間的關(guān)系）與等溫時間的關(guān)系a) C=0.48%; b) C=1.18%; c) C=1.39%a) C=0.48%; b) C=1.

14、18%; c) C=1.39%B B轉(zhuǎn)變時轉(zhuǎn)變時C C的擴散的擴散影響影響B(tài) B轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素1 1）碳含量）碳含量隨隨A A中中C C含量的增加，含量的增加，B B轉(zhuǎn)變速度下降。因為轉(zhuǎn)變速度下降。因為C C含量高，含量高，形成形成B B時需要擴散的時需要擴散的C C原子量增加。原子量增加。2 2）合金元素（）合金元素（Me)Me)除除AlAl、CoCo外，外，MeMe都或多或少地降低都或多或少地降低B B轉(zhuǎn)變速度，同時轉(zhuǎn)變速度，同時使使B B轉(zhuǎn)變的溫度范圍下降，從而使轉(zhuǎn)變的溫度范圍下降，從而使P P與與B B的的C C曲線分開。曲線分開。4) 4) 應(yīng)力應(yīng)力 拉應(yīng)力加快拉應(yīng)

15、力加快B B轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。5) 5) 塑性變形塑性變形 在較高溫度的形變，使在較高溫度的形變，使B B轉(zhuǎn)變變慢；轉(zhuǎn)變變慢； 在較低溫度的形變，使在較低溫度的形變，使B B轉(zhuǎn)變加快轉(zhuǎn)變加快。3) A3) A晶粒大小與晶粒大小與A A化溫度化溫度晶粒大小晶粒大小隨隨A A晶粒增大，晶粒增大，B B轉(zhuǎn)變孕育期增長，轉(zhuǎn)變速度變慢。轉(zhuǎn)變孕育期增長，轉(zhuǎn)變速度變慢。這表明這表明A A晶界是晶界是B B形核的優(yōu)先部位。形核的優(yōu)先部位。A A化溫度和時間化溫度和時間隨奧氏體化溫度升高，時間延長，隨奧氏體化溫度升高，時間延長，B B轉(zhuǎn)變速度先升后降？轉(zhuǎn)變速度先升后降？影響影響B(tài) B轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素6

16、 6） 冷卻時在不同溫度下的停留時間冷卻時在不同溫度下的停留時間 曲線曲線1 1：在：在P P與與B B轉(zhuǎn)變區(qū)之間的穩(wěn)轉(zhuǎn)變區(qū)之間的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的停留會加速隨后的轉(zhuǎn)變。定區(qū)域內(nèi)的停留會加速隨后的轉(zhuǎn)變。因為析出了因為析出了K K，降低了，降低了A A穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。 曲線曲線2 2：在：在B B形成溫度區(qū)域的高溫形成溫度區(qū)域的高溫區(qū)停留，形成部分區(qū)停留，形成部分B B上后再冷至低溫上后再冷至低溫區(qū)，先形成的區(qū)，先形成的B B會降低會降低B B轉(zhuǎn)變速度。轉(zhuǎn)變速度。 曲線曲線3 3：先冷至：先冷至MsMs以下形成少量以下形成少量M M或或B B下再升至較高溫度，可使下再升至較高溫度，可使B B轉(zhuǎn)變速轉(zhuǎn)變

17、速度加快。度加快。影響影響B(tài) B轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素切變理論切變理論 B B轉(zhuǎn)變機制轉(zhuǎn)變機制BhadashiaBhadashia模型模型HehemannHehemann模型模型B B轉(zhuǎn)變包括轉(zhuǎn)變包括B B中中F F的形成與的形成與K K析出析出臺階擴散理論臺階擴散理論（AaronsonAaronson，美國冶金學(xué)家），美國冶金學(xué)家） 在貝氏體形成過程，在貝氏體形成過程，F(xiàn)eFe和置換式原子不發(fā)生擴散，和置換式原子不發(fā)生擴散，貝氏體鐵素體以切變相變方式形核長大，完成面心立方貝氏體鐵素體以切變相變方式形核長大，完成面心立方結(jié)構(gòu)向體心立方結(jié)構(gòu)的點陣改組。結(jié)構(gòu)向體心立方結(jié)構(gòu)的點陣改組。 鐵

18、素體長大速度高于碳的擴散速度，導(dǎo)致碳在鐵鐵素體長大速度高于碳的擴散速度，導(dǎo)致碳在鐵素體中過飽和。隨后多余的碳以碳化物形式從過飽和的素體中過飽和。隨后多余的碳以碳化物形式從過飽和的鐵素體中析出，或擴散到奧氏體中，再從奧氏體中以碳鐵素體中析出，或擴散到奧氏體中，再從奧氏體中以碳化物析出?；镂龀觥Ｇ凶兝碚撉凶兝碚揌ehemannHehemann模型模型切變理論切變理論HehemannHehemann模型模型鋼中貝氏體相變過程示意圖鋼中貝氏體相變過程示意圖 Hehemann Hehemann 模型模型切變理論切變理論BhadashiaBhadashia模型模型觀點：貝氏體鐵素體通過亞單元的應(yīng)力應(yīng)變誘

19、發(fā)形核和觀點：貝氏體鐵素體通過亞單元的應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)形核和長大。貝氏體的形成經(jīng)歷了三個過程，即亞單元的重復(fù)長大。貝氏體的形成經(jīng)歷了三個過程，即亞單元的重復(fù)形核、長大及碳化物的析出。形核、長大及碳化物的析出。 切變理論的一個重要推論是當(dāng)合金中的碳含量足切變理論的一個重要推論是當(dāng)合金中的碳含量足夠高時不形成上貝氏體，而合金中的碳含量足夠低時不夠高時不形成上貝氏體，而合金中的碳含量足夠低時不形成下貝氏體。形成下貝氏體。貝氏體相變過程示意圖貝氏體相變過程示意圖 BhadeshiaBhadeshia模型模型切變理論切變理論BhadashiaBhadashia模型模型臺階擴散理論臺階擴散理論核心思想為：貝氏

20、體是非層狀共析產(chǎn)物，在貝氏體相核心思想為：貝氏體是非層狀共析產(chǎn)物，在貝氏體相變過程包括了鐵和置換式原子及碳原子的擴散過程。變過程包括了鐵和置換式原子及碳原子的擴散過程。 貝氏體鐵素體的形核和長大通過臺階的激發(fā)形核貝氏體鐵素體的形核和長大通過臺階的激發(fā)形核- -臺階長大機制進(jìn)行，長大過程受碳的擴散控制臺階長大機制進(jìn)行，長大過程受碳的擴散控制。 在貝氏體鐵素體寬面上存在生長臺階，在臺階前在貝氏體鐵素體寬面上存在生長臺階，在臺階前沿的殘留奧氏體中碳富集程度高，碳化物在臺階前沿沿的殘留奧氏體中碳富集程度高，碳化物在臺階前沿的富碳奧氏體中析出。的富碳奧氏體中析出。臺階的水平面為臺階的水平面為的半共格界面

21、，界面兩側(cè)的的半共格界面，界面兩側(cè)的、有一定的位向關(guān)系，在半共格界面上存在柏氏矢量與界面有一定的位向關(guān)系，在半共格界面上存在柏氏矢量與界面平行的刃形位錯；臺階的端面（垂面）為非共格面，其原平行的刃形位錯；臺階的端面（垂面）為非共格面，其原子處于較高的能量狀態(tài)，因此有較高的活動性，易于實現(xiàn)子處于較高的能量狀態(tài)，因此有較高的活動性，易于實現(xiàn)遷移，使臺階側(cè)向移動，從而導(dǎo)致臺階寬面向前推進(jìn)。遷移，使臺階側(cè)向移動，從而導(dǎo)致臺階寬面向前推進(jìn)。臺階擴散理論臺階擴散理論臺階移動的速度受碳原子的擴散控制。在原有臺階移動的速度受碳原子的擴散控制。在原有臺階消失后，必須待新的臺階形成后，長大才臺階消失后，必須待新的

22、臺階形成后，長大才能繼續(xù)進(jìn)行。能繼續(xù)進(jìn)行。 關(guān)于臺階的來源至今還未完全弄清楚。關(guān)于臺階的來源至今還未完全弄清楚。 貝氏體相變理論貝氏體相變理論俞德剛、王世道俞德剛、王世道著著上海交通大學(xué)出版社，上海交通大學(xué)出版社，19981998年出版。年出版。臺階擴散理論臺階擴散理論如何采用盡可能簡單的熱處理工藝獲得綜合性如何采用盡可能簡單的熱處理工藝獲得綜合性能優(yōu)異的金屬材料？能優(yōu)異的金屬材料？將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的淬區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的淬火工藝火工藝-等溫淬火等溫淬火。 工件淬火加熱后，若長

23、期保持在下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度，使之完成奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，獲得下貝氏體組織，這種淬火稱為等溫淬火6.6 等溫淬火及其應(yīng)用 、等溫淬火一般用于中碳以上的鋼，低碳鋼一般不采用等溫淬火；、等溫淬火適用于尺寸較小的工件；、等溫淬火適合于處理形狀復(fù)雜、尺寸精度要求較高的工具和重要的機器零件，如模具、刀具、齒輪等。、等溫淬火適合于形狀復(fù)雜，要求變形小，處理后具有高硬度和強韌性的塑性和韌性的工件。、常用于合金鋼、高碳鋼小尺寸零件及球墨鑄鐵件?？偨Y(jié)總結(jié)T/T/時間時間/s/sA A1 1M MS SM Mf fA鼻溫鼻溫過過冷冷A AM+AM+AM MP PS ST TB B上上B B下下珠光體珠光體貝氏體貝氏體馬氏體馬氏體共析鋼過冷共析鋼過冷A A等溫轉(zhuǎn)變的等溫轉(zhuǎn)變的C C曲線曲線HRC25HRC2535HRC3540HRC4555HRC4565The complete TTT diagram for an iron-carbon alloy of eutectoid compositionA: austeniteB: bainiteM: martensiteP: pearlite2 2、一般認(rèn)為共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是、一般認(rèn)為共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是 ，貝氏體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先，貝氏體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是相是 。(a)(a)滲碳體滲碳體