材料工程基礎(chǔ)講稿9-10課件

第五章貝氏體轉(zhuǎn)變

B轉(zhuǎn)變是過冷A介于P轉(zhuǎn)變和M轉(zhuǎn)變溫度之間的一種轉(zhuǎn)變?！€沒有一個確切的定義?！?－1貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特征

1．對應(yīng)于P轉(zhuǎn)變的A1點及M轉(zhuǎn)變的Ms點，B轉(zhuǎn)變也有一個上限溫度Bs點。

2．貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物

B轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是由α相與碳化物所組成的兩相混合物，但與P不同，B不是層片狀組織，且組織與轉(zhuǎn)變溫度密切有關(guān)，其中包括α相形態(tài)而言，更多類似于M而不同于P。關(guān)于B組織形態(tài)有兩個不同的定義：

Hehemann稱B為鐵素體與碳化物的非層狀混合組織。

Aaronson則稱之為非層狀共析反應(yīng)產(chǎn)物或非層狀P變態(tài)。即AaronsonB轉(zhuǎn)變與P轉(zhuǎn)變一樣，都是共析轉(zhuǎn)變，只是因為轉(zhuǎn)變溫度不同而導(dǎo)致轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)不同。

3．貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)

B轉(zhuǎn)變：形核－長大進(jìn)行的。P109

4．轉(zhuǎn)變的不完全性

5．貝氏體轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散性

B轉(zhuǎn)變時：碳原子擴(kuò)散，合金元素原子不擴(kuò)散，其中包括鐵原子。至少合金元素原子與鐵原子未發(fā)生較長距離的擴(kuò)散。6．晶體學(xué)特征

B的F浮凸則呈V形或帳篷形。B的晶體學(xué)特征，其中包括位向關(guān)系與慣習(xí)面等也不同于P而較接近M?！?－2貝氏體組織形態(tài)和晶體學(xué)隨鋼的化學(xué)成分及形成溫度而異。B可以按組織形態(tài)不同主要區(qū)分為無碳化物B、粒狀B、上B和下B等。1．無碳化物貝氏體無碳化物B：在B轉(zhuǎn)變區(qū)域的最高溫度范圍內(nèi)形成。一般產(chǎn)生于低、中碳鋼中，可在等溫或在緩慢的連續(xù)冷卻時形成。無碳化物B由板條F束及未轉(zhuǎn)變的A所組成，F(xiàn)與A內(nèi)均無碳化物析出——稱無碳化物B，是B的一種特殊形態(tài)。

無碳化物BF在形成時也能在拋光試樣表面形成浮凸。與A的晶體學(xué)關(guān)系與上B相同，慣習(xí)面為{111}γ,位向關(guān)系為K－S關(guān)系。2．上貝氏體:

中、高碳鋼:350-550°C上B是在B轉(zhuǎn)變上部溫度范圍內(nèi)形成。它是由成束的、大致平行的板條狀F和條間的呈粒狀或條狀的滲碳體（有時有殘余A）所組成的非層狀組織。當(dāng)其轉(zhuǎn)變量不多時，在光學(xué)顯微鏡下成束的條狀鐵素體自晶界向晶內(nèi)生長,形成羽毛狀——羽毛狀B，此時無法分辨其條間的滲碳體。在電子顯微鏡下可清晰看到上B中的F和滲碳體的形態(tài)。

上BF的慣習(xí)面為{111}γ,與A之間的位向關(guān)系接近K－S關(guān)系。關(guān)于BF－碳化物、A－碳化物間的晶體學(xué)關(guān)系往往被用來作為判斷碳化物究竟是由BF中析出，還是由A中析出的重要依據(jù)，亦即涉及B轉(zhuǎn)變的機(jī)制問題。上B滲碳體的慣習(xí)面為(227)γ

，與A間具有Pitsch關(guān)系：。

由此證明滲碳體是由A中直接析出的。

3．下貝氏體:

中、高碳鋼:350°C---Ms在B轉(zhuǎn)變區(qū)域的低溫范圍形成的B稱為下B。當(dāng)鋼中碳含量大于0.6%時下B的形成溫度大約在350℃以下。下B也是由BF和碳化物兩相組成，但F的形態(tài)及碳化物的分布均不同于上B。研究表明，下B可以從A晶界形核，也可以在晶內(nèi)形核。

在低碳（低合金鋼）中，BF的形態(tài)呈板條狀，若干個平行排列的板條構(gòu)成一個束，與板條M相似。

在高碳鋼中，BF呈片狀，各個片之間互成一定的交角，與片狀馬氏體很相似。而在中碳鋼中則兩種形態(tài)的BF兼有之。下BF中的亞結(jié)構(gòu)為位錯，不存在孿晶。

在高碳鋼中，BF呈片狀,以下是對于高碳鋼B下的描述

根據(jù)以上結(jié)果，一般認(rèn)為認(rèn)為下B中的碳化物是自過飽和的BF中析出。實際上根據(jù)所測得的碳化物與BF間的取向關(guān)系，并不一定說明碳化物是由BF中析出，因為A與F間存在K－S關(guān)系，故也可將θ（ε）與F間取向關(guān)系轉(zhuǎn)換為θ（ε）與A的關(guān)系。轉(zhuǎn)換后得出θ（ε）與A之間為Pitsch關(guān)系。已知Pitsch關(guān)系為碳化物自A中析出所遵循的取向關(guān)系，據(jù)此，也可以認(rèn)為下B中碳化物可以從A中析出。但也有人研究40CrMnSiMoV鋼下B中碳化物的取向關(guān)系后認(rèn)為，碳化物既可從F中析出，也可從A中析出?？傊?，有關(guān)B轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)關(guān)系問題目前尚無定論。4．粒狀貝氏體粒狀B：低、中碳鋼中存在，在稍高于典型上B形成溫度形成的。組織組成物：F基體+島狀組織。小島呈不連續(xù)條狀，平行排列在F基體中。基體F呈片針狀，有浮凸。小島分布在片針狀界面。

F的碳含量：平衡碳量，小島中的碳含量則較平均濃度高出很多。F與小島中的合金元素含量與平均濃度相同——粒狀B形成過程中有碳的擴(kuò)散而無合金元素的擴(kuò)散。粒狀B與無碳化物B很相近，只是F量較多已匯成片，A呈小島分布在F基體中。低碳鋼B組織的分類，即BⅠ、BⅡ、BⅢ三類p113

鋼種各種組織形成的大致范圍§5－3貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)

精確測試B轉(zhuǎn)變C曲線發(fā)現(xiàn)，B轉(zhuǎn)變C曲線是由兩個獨立的C曲線合并而成的，即由上B和下B有各自獨立、彼此重疊的C曲線。由此可見，上B與下B很可能是通過不同機(jī)制形成的。2．B轉(zhuǎn)變時碳的擴(kuò)散

B轉(zhuǎn)變是在碳還能擴(kuò)散的中溫范圍內(nèi)發(fā)生的。與M轉(zhuǎn)變不同，B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行依賴于碳的擴(kuò)散。為了在A中形成低碳的BF，碳必將向A富集。當(dāng)A的碳含量超過Fe3C在A中的溶解度曲線ES線及其延長線時，碳又將以滲碳體形式自A中析出，而使A中的碳含量下降。視A中碳含量及轉(zhuǎn)變溫度不同，在B轉(zhuǎn)變過程中A的碳含量可能升高，也可能降低。用實驗方法已證實了B轉(zhuǎn)變過程中碳含量的變化。

對于B等溫轉(zhuǎn)變C曲線下半部來說。轉(zhuǎn)變速度主要是受擴(kuò)散控制，故可認(rèn)為轉(zhuǎn)變速度V與轉(zhuǎn)變溫度T之間存在下列關(guān)系：

V＝Voexp(Q/KT)(5-1)

式中Q－轉(zhuǎn)變激活能，Vo－常數(shù)。為到達(dá)某一轉(zhuǎn)變量所需的時間τ與轉(zhuǎn)變溫度之間則存在下列關(guān)系：

τ＝τoexp(Q/KT)(5-2)取對數(shù)得到：(5-3)

即所需時間的對數(shù)與溫度的倒數(shù)成正比關(guān)系。對碳含量0.65、0.77、1.07和1.20幾種碳含量的鋼測量，轉(zhuǎn)變50％所需的時間τ50的對數(shù)與1/T之間確存在直線關(guān)系。

6）冷卻時在不同溫度停留的影響冷卻時在B與P轉(zhuǎn)變區(qū)之間的穩(wěn)定區(qū)等溫停留，由于自A中析出了碳化物，降低了A的穩(wěn)定性，使隨后的B轉(zhuǎn)變加速；過冷A在上B轉(zhuǎn)變區(qū)停留，先形成部分上B將會降低下B的形成速度，這可能是又一種A穩(wěn)定化的影響所致；過冷A先冷至低溫形成少量M或下B后，再升至較高溫度，可以使隨后的B轉(zhuǎn)變加速，這可能是先形成的M或下B的轉(zhuǎn)變在A中產(chǎn)生應(yīng)力，促進(jìn)了隨后的B轉(zhuǎn)變?！?－4貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)及轉(zhuǎn)變機(jī)制

B轉(zhuǎn)變的機(jī)制目前正在激烈地爭論著?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)變機(jī)制大體上可以歸納為兩種，即M型的切變機(jī)制和P型的臺階機(jī)制，兩種都在不斷的充實和修正之中，許多問題還有待于進(jìn)一步研究。

1．貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)

B轉(zhuǎn)變是通過形核－長大進(jìn)行的；轉(zhuǎn)變時的領(lǐng)先相是BF；轉(zhuǎn)變過程中有碳原子的擴(kuò)散；轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力也是自由焓差；在轉(zhuǎn)變過程中自由焓差可由下式給出：

ΔG＝－VΔGv+Sγ+E+ΔGD(5-4)

切變機(jī)制認(rèn)為，Bs點對應(yīng)于Ms點，其物理意義為ΔGγ→Bα的最小臨界驅(qū)動力的溫度。γ→貧碳的γ1＋富碳的γ2

→γ1→α’→γ2→γ1+Bc→α’→等溫溫度高，α’回火析出C→降低點陣彈性畸變能；減小比容差△V，降低膨脹能；減小應(yīng)變能等。

由于轉(zhuǎn)變溫度較高，過冷度較小，新相與母相間的化學(xué)自由焓差較小，不足以補(bǔ)償在更多新相形成時所需消耗的界面能和各種應(yīng)變能，因而形成的BF較少，亦即轉(zhuǎn)變進(jìn)行到一定程度便會自行中途停頓下來。碳富化了的A有可能在繼續(xù)等溫、保溫及進(jìn)一步的冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)镻，其它類型的B及M，也有可能被保留至室溫成為殘余A。

2）中溫范圍的轉(zhuǎn)變大于0.6%碳的鋼在350～550℃的中間溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)變初期與高溫范圍的轉(zhuǎn)變基本一樣。但由于此時溫度已比較低，碳在A中的擴(kuò)散已變得困難，加之由于過冷度較大，相變驅(qū)動力增大，所形成的BF較多，板條較為密集，通過界面由BF擴(kuò)散入A的碳原子已不可能進(jìn)一步向A縱深擴(kuò)散，尤其是板條F束中兩相鄰F條之間的A中的碳更不可能向外擴(kuò)散。

界面附近的A，尤其是兩F條之間的A中的碳含量將隨BF的長大而顯著升高，當(dāng)超過ES及其延長線時，將自A中析出點狀或粒狀碳化物而形成羽毛狀上B。碳化物與A保持pitsch關(guān)系即是有力的證據(jù)。轉(zhuǎn)變溫度愈低，形成的BF的量愈多，板條尺寸也愈細(xì)?。煌瑫r，隨著碳的擴(kuò)散系數(shù)減小，使上B中的碳化物也變得更細(xì)小。3）低溫范圍的轉(zhuǎn)變在350℃以下的轉(zhuǎn)變由于溫度低，初形成的BF的碳含量高，故BF的形態(tài)已由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥哥R片狀。此時，不僅碳原子已難以在A中擴(kuò)散，就是在BF中也難以作長距離的擴(kuò)散，而BF中的碳過飽和度又很大。既然過飽和的碳不能通過界面進(jìn)入A，就只能以碳化物形式在BF內(nèi)部就地析出，從而得到在片狀BF上分布著與鐵素體長軸呈一定交角（55～60o）、排列成行的點狀碳化物。這一過程就其本質(zhì)而言與M的自回火相一致。隨著BF中碳化物的析出，自由焓的進(jìn)一步降低以及比容的縮小所導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能的下降，將使BF片進(jìn)一步長大，得到下B組織。碳化物與BF保持回火位向關(guān)系即是有力的證據(jù)。轉(zhuǎn)變溫度愈低，其中碳化物沉淀的彌散度愈大，且BF中碳的過飽和度愈大。4）粒狀B的形成可以認(rèn)為在某些合金鋼中出現(xiàn)的粒狀B是由無碳化物B演變而來的。當(dāng)過冷A在低于Bs溫度（稍高于典型上B形成溫度）時，先發(fā)生碳的再分配，接著在A的貧碳區(qū)開始形成許多彼此大體上平行的板條BF，碳原子從BF中通過與A的相界面不斷向A中擴(kuò)散，此時BF不僅縱向長大，而且也側(cè)向長大。但由于A中本來就存在碳的偏聚，所以BF－A界面的推進(jìn)速度對各部位來說將不會完全一致，其向富碳A的推進(jìn)速度顯然小于向貧碳區(qū)推進(jìn)速度，于是BF－A相界面便出現(xiàn)了凹凸不平的不均勻長大，并彼此靠攏。當(dāng)無碳化物B長大到彼此回合時，剩下的小島狀A(yù)便為F所包圍，沿F條間呈條狀斷續(xù)分布。因鋼的碳含量低，小島狀A(yù)的碳含量也不致超過ES及其延長線，故不會析出碳化物，加之又含有一定的合金元素，小島狀的奧氏體比較穩(wěn)定，這就形成了粒狀B。如延長等溫時間及進(jìn)一步降低溫度，島狀A(yù)將有可能分解為P或轉(zhuǎn)變?yōu)镸，也有可能保留到室溫。

另一種小島呈散亂分布，且α相形成時不引起浮凸的粒狀組織的α相是通過類似于塊狀轉(zhuǎn)變機(jī)制形成的。從以上的討論可見，按此機(jī)制，不同形態(tài)B中的α都是通過切變形成的,只是因為轉(zhuǎn)變溫度不同,使α相中碳的脫溶以及碳化物析出的方式不同導(dǎo)致組織形態(tài)的不同。

BF的長大速度極慢。切變觀點認(rèn)為，這是因為BF的長大受碳的擴(kuò)散所控制。根據(jù)B轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線計算所得的激活能也表明B轉(zhuǎn)變受碳的擴(kuò)散所控制。透射電鏡觀察BF束中一個亞單元的長大過程表明，BF的長大是不連續(xù)的、跳躍式的。BF條片依靠不斷形成亞單元而長大。每個亞單元都是按切變共格方式形成，其長大速度極快，但每個亞單元的尺寸是有限的，長成后就不再長大，必須停留一段時間，然后通過在其近旁誘發(fā)出新核，形成新的亞單元，構(gòu)成了BF板條在縱向和橫向的長大得以進(jìn)行。使長大停止的另一個原因是碳在界面附近的富集，必須待富集的碳通過擴(kuò)散被消除后長大才能繼續(xù)進(jìn)行。此外，長大的停止還可能與切變造成的彈性應(yīng)變有關(guān)，在彈性應(yīng)變得到松弛后，新的亞單元才得以形成。5）切變理論的成功與不足切變理論可以解釋在不同的形成溫度形成B形態(tài)的差異及原因；轉(zhuǎn)變不完全性；碳的過飽和度及轉(zhuǎn)變時碳的擴(kuò)散；Bs點的存在；晶體學(xué)近似于M及切變形成時的表面浮凸。盡管B轉(zhuǎn)變的切變理論可以解釋上述一些現(xiàn)象，然而卻無法解釋為何上、下B都具有各自獨立的C曲線和不同的轉(zhuǎn)變激活能；浮凸不同于M，浮凸的頂角不是Bα/γ的界面；B碳化物的形貌及分布不同于M；BF的慣習(xí)面為何與M有差別；A中的貧碳區(qū)是如何形成的等一系列問題。3．貝氏體轉(zhuǎn)變的臺階擴(kuò)散機(jī)制與B轉(zhuǎn)變的切變機(jī)制的提出者不同，持臺階擴(kuò)散機(jī)制的研究者雖然也承認(rèn)有表面浮凸存在，但認(rèn)為B轉(zhuǎn)變的浮凸與M轉(zhuǎn)變的浮凸不同，B轉(zhuǎn)變的浮凸是由轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的體積效應(yīng)引起的，而并非由于切變所致。B轉(zhuǎn)變是非層狀的共析反應(yīng)產(chǎn)物，B轉(zhuǎn)變同P轉(zhuǎn)變機(jī)理相同，兩者的區(qū)別僅在于P產(chǎn)物是片層狀，從而提出了B轉(zhuǎn)變是按臺階擴(kuò)散方式進(jìn)行的，并受碳的擴(kuò)散所控制。

臺階的水平面為α/γ的半共格界面，界面兩側(cè)的α與γ有一定的位向關(guān)系，在半共格界上存在著柏氏矢量與界面平行的刃型位錯，即界面由刃型位錯及臺階組成。這樣的界面必須通過位錯的攀移才能向前平移。在溫度不夠高的情況下，位錯的攀移難以實現(xiàn)，故這樣的半共格界面就很難移動。如果在界面上存在臺階，則臺階的端面為非共格界面，這樣的界面活動能力很高，易于向側(cè)面移動,從而使水平面向上推移。臺階移動的速度受碳的擴(kuò)散所控制。在原有的臺階消失后必須待新的臺階形成后，長大才能繼續(xù)進(jìn)行。關(guān)于臺階的來源,到目前為此尚不清楚。

用熱離子發(fā)射顯微鏡直接觀察到了臺階的形成與長大。測出了C0.66%,Cr3.32%鋼在400℃等溫時上BF條的長大動力學(xué)。可以得出單片BF片的平均長大速度是1.4×10－3cm/s，這與理論計算值得到的生長速度9×10－4cm/s很相近，說明長大過程確實受碳的擴(kuò)散所控制。根據(jù)上BF長大的觀察和測量，推出了下BF的長大與上BF的長大相同的結(jié)論。。

臺階機(jī)制進(jìn)行的B轉(zhuǎn)變與P轉(zhuǎn)變的主要不同點是轉(zhuǎn)變時移動的界面不同?？梢哉J(rèn)為，在A大角晶界形成的α相的核與一側(cè)的A的交界面為共格或半共格界面，兩者之間有一定的位向關(guān)系；而與另一側(cè)的A的界面為非共格界面，兩者之間無位向關(guān)系。共格或半共格界面通過臺階機(jī)制推移得到BF，非共格界面通過擴(kuò)散機(jī)制推移得到P。初形成的BF的碳含量應(yīng)接近平衡濃度。對于這一問題既難以用實驗加以肯定，也難以否定。如果按照臺階機(jī)制所要求的那樣，初形成的BF不是過飽和的α相，碳已在BF形成之前擴(kuò)散到了A，則B中的碳化物必然是從A中析出。對于上B，這一點已不成問題，因按切變機(jī)制，也認(rèn)為碳化物是從A中析出的。但對下B來說，但目前為此，還未得出最后結(jié)論

臺階擴(kuò)散機(jī)制認(rèn)為Bs點是不存在的，因此從熱力學(xué)計算是一種可行的機(jī)制；BF臺階的移動速度與受碳的擴(kuò)散速度所控制；浮凸是體積效應(yīng)；上BF為平衡碳量；分離的C曲線是合金元素的界面拖曳效應(yīng)所造成的；上B中碳化物由A中析出等支持臺階擴(kuò)散機(jī)制。但該理論的不足也是明顯的，BF的過飽和度難以證實，碳自α相中的析出速度小于1s；臺階是如何形成的；表面浮凸與計算的體積效應(yīng)相差較大；C曲線的bay僅以界面拖曳效應(yīng)難以解釋；BF中的亞單元如何解釋；B碳化物全部自A中析出證據(jù)不足等。4．爭論的要點相變機(jī)構(gòu)是切變還是臺階擴(kuò)散機(jī)制，過飽和碳對切變是否必須；BF長大低速率的原因；預(yù)相變是否存在貧碳區(qū)?！?－5貝氏體的力學(xué)性能在同一強(qiáng)度級別的條件下，B組織的韌性高于回火M。材料的力學(xué)性能取決于構(gòu)成它的組織組成物的類別、形態(tài)、尺寸、分布狀況和亞結(jié)構(gòu)等，B鋼也不例外。但是B組織比較復(fù)雜，它不僅隨轉(zhuǎn)變溫度不同而改變，而且欲得到單一的B也是很困難的，以致很難嚴(yán)格地評價某單一類型B的力學(xué)性能，故通常所測定的實際上多是以某類B為主的混合組織的性能。

1．B的強(qiáng)度

1）強(qiáng)度與轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系低、中碳合金鋼經(jīng)等溫淬火后的力學(xué)性能測試表明,鋼σb和σ0.2均隨轉(zhuǎn)變溫度的降低而升高。這表明下B的強(qiáng)度比上B高。高碳合金鋼的等溫淬火也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。2）影響B(tài)強(qiáng)度的因素

BF條或片的粗細(xì)如將B條或片的大小看作B的晶粒，則可用Hall-Petch關(guān)系式估算B的強(qiáng)度。即BF的晶粒直徑愈小，則其強(qiáng)度愈高，這是因為晶粒愈小，晶界愈多。B條或片的大小主要取決于B形成溫度。B形成溫度愈低，則BF條或片的尺寸愈小。所以也可以說B的強(qiáng)度決定于形成溫度，形成溫度愈低，B的強(qiáng)度就愈高。碳化物的尺寸大小與彌散度合金中的第二相質(zhì)點與位錯的交互作用可以使合金強(qiáng)度提高。根據(jù)彌散強(qiáng)化的機(jī)理，碳化物的顆粒直徑愈小，數(shù)量愈多，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)愈大。

固溶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化B的強(qiáng)化主要是細(xì)晶強(qiáng)化和碳化物的彌散強(qiáng)化。碳和合金元素的固溶強(qiáng)化及位錯亞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化也有相當(dāng)?shù)淖饔谩ｋSB形成溫度的降低，BF碳的過飽和度及位錯密度均增加，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也隨之增加，但上BF由于碳含量低，所以固溶強(qiáng)化對其影響很小。即影響B(tài)強(qiáng)度的幾種因素都與B的形成溫度有關(guān)，并且這些因素都是隨著形成溫度的降低而作用增強(qiáng)。2．貝氏體的韌性

B的韌性與形成的組織密切相關(guān)。當(dāng)組織中上B的數(shù)量