第五章-貝氏體轉(zhuǎn)變

熱處理原理與工藝

第五章貝氏體轉(zhuǎn)變1導(dǎo)讀通過學(xué)習(xí)本章，主要掌握貝氏體相變的基本特征，貝氏體組織形貌、亞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)識貝氏體相變的過渡性，了解貝氏體相變熱力學(xué)、動力學(xué)、相變機(jī)制等知識。2第五章貝氏體轉(zhuǎn)變在P與M轉(zhuǎn)變溫度范圍之間，過冷奧氏體將按另一種轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變在中間溫度范圍內(nèi)發(fā)生，故被稱為中溫轉(zhuǎn)變；鐵原子已難以擴(kuò)散，而碳原子還能進(jìn)行擴(kuò)散，這就決定了這一轉(zhuǎn)變既不同于鐵原子也能擴(kuò)散的珠光體轉(zhuǎn)變以及碳原子也基本上不能擴(kuò)散的馬氏體轉(zhuǎn)變。為紀(jì)念美國著名冶金學(xué)家Bain，此轉(zhuǎn)變被命名為貝氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變所得產(chǎn)物則被稱為貝氏體。英文名稱Bainite，用B表示3美國冶金學(xué)家EdgarC.Bain(Sept.14,1891--Nov.27,1971)UnitedStatesSteelCorporation貝氏體--Bainite4Mf高溫中溫低溫5珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變溫度范圍Ar1~550℃550℃~Ms<Ms

擴(kuò)散性鐵與碳可擴(kuò)散碳可擴(kuò)散，鐵不能擴(kuò)散無擴(kuò)散領(lǐng)先相滲碳體鐵素體共格性無有有組成相兩相組織α-Fe+Fe3C兩相組織>350℃，α-Fe(C)+Fe3C<350℃，α-Fe(C)+FexC單相組織α-Fe(C)合金元素?cái)U(kuò)散不擴(kuò)散不擴(kuò)散珠光體、馬氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)的比較65.1貝氏體轉(zhuǎn)變特征1、貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍貝氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)上限Bs點(diǎn)，也有一個(gè)下限溫度Bf點(diǎn)，Bs高于Ms，Bf與Ms無關(guān)。2、貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是由α相與碳化物組成的機(jī)械混合物，但與珠光體不同，不是層片狀組織，且組織形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān)，其中包括α相的形態(tài)、大小以及碳化物的類型及分布等均隨轉(zhuǎn)變溫度而異。（上貝氏體和下貝氏體）73、貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)貝氏體轉(zhuǎn)變也是一個(gè)形核長大過程，可以等溫形成，也可以連續(xù)冷卻形成，等溫形成需要孕育期，等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線具有S形，等溫形成圖也呈C字形。4、轉(zhuǎn)變的不完全性5、貝氏體轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散性貝氏體轉(zhuǎn)變是有單相轉(zhuǎn)變成兩相的過程，所以轉(zhuǎn)變過程必然存在碳原子的擴(kuò)散。但合金元素沒有擴(kuò)散。且碳的擴(kuò)散影響貝氏體的轉(zhuǎn)變速度。8圖5-3合金鋼C曲線圖5-2共析碳鋼C曲線示意圖96、貝氏體轉(zhuǎn)變的晶體學(xué)貝氏體中F形成時(shí)也能產(chǎn)生表面浮凸，這說明F在形成時(shí)同樣與母相的宏觀切變有關(guān)，母相與新相之間維持共格關(guān)系。但所產(chǎn)生的表面浮凸與馬氏體形成所產(chǎn)生的表面浮凸不同。7、貝氏體中F也為碳過飽和固溶物貝氏體中F的碳含量也是過飽和的，且隨轉(zhuǎn)變溫度的降低過飽和程度增大。105.2貝氏體的組織形態(tài)貝氏體組織形態(tài)隨成分及溫度不同而異，主要有上貝氏體、下貝氏體兩種，還有其它形態(tài)的。5.2.1上貝氏體1、形成溫度范圍在B轉(zhuǎn)變區(qū)的較高溫度范圍內(nèi)形成，對于中、高碳鋼約在350~550℃范圍內(nèi)形成，所以上貝氏體也稱高溫貝氏體。11上貝氏體2、組織形態(tài)上貝氏體是一種兩相組織，是由鐵素體和滲碳體組成的，成束的大致平行的F板條自A晶粒的晶界的一側(cè)或兩側(cè)向A晶粒內(nèi)部長大，滲碳體（有時(shí)還有殘余A）不連續(xù)分布于F板條之間，整體看呈羽毛狀。12133、影響組織形態(tài)的因素

C%：隨鋼中碳含量的增加，上貝氏體中的F板條更多、更薄，Cem的形態(tài)由粒狀、鏈球狀而成為短桿狀，Cem數(shù)量增多，不但分布于F之間，而且可能分布于各F板條內(nèi)部。

形成溫度：隨形成溫度的降低，F(xiàn)板條變薄，滲碳體更小，且更密集。4、晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)F的慣習(xí)面為{111}，位向關(guān)系接近于K—S關(guān)系亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，位錯(cuò)密度較高，能形成纏結(jié)。14151、形成溫度范圍一般在350℃~Ms之間的低溫區(qū)。2、組織形態(tài)是一種兩相組織，由F與碳化物組成。F的立體形態(tài)呈片狀（或透鏡片狀），在光學(xué)顯微鏡下呈針狀，與片狀M相似。形核大多在A晶界上，也有相當(dāng)數(shù)量位于A晶內(nèi)，碳化物為Cem或ε-碳化物，碳化物呈細(xì)片狀或顆粒狀，排列成行，約以55°~60°角度與下貝氏體的長軸相交，并且僅分布在F片內(nèi)部。5.2.2下貝氏體16下貝氏體1718鋼的化學(xué)成份、A晶粒度和均勻化程度對下貝氏體的組織形態(tài)影響較小。3、晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)下貝氏體中F與A之間的位向關(guān)系為K—S關(guān)系，慣習(xí)面不確定，{110}γ、{254}γ及{569}γ。亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)無孿晶，F(xiàn)中碳的含量是過飽和的，隨轉(zhuǎn)變溫度降低，過飽和程度增大。191、形成溫度范圍

在B轉(zhuǎn)變的最高溫度范圍內(nèi)形成。2、組織形態(tài)是一種單相組織，由大致平行的F板條組成，F(xiàn)板條自A晶界形成，成束地向一側(cè)晶粒內(nèi)長大，在F板條之間為富碳的A。F板條較寬、間距較大，隨轉(zhuǎn)變溫度下降，F(xiàn)板條變窄、間距縮小。5.2.3無碳化物貝氏體20無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶界BFAA5.2.3無碳化物貝氏體21圖5-7

無碳化物貝氏體組織，×1000

（30CrMnSiA鋼，550℃等溫20s）22富碳的A在隨后的冷卻過程中可能轉(zhuǎn)變?yōu)镻、B、M或保持不變。所以說無碳化物貝氏體不能單獨(dú)存在。3、晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)慣習(xí)面為{111}，位向關(guān)系為K—S關(guān)系；F內(nèi)有一定數(shù)量的位錯(cuò)。23是1957年由Habraken首先確定的。主要是在低碳和中碳合金鋼中以一定的速度連續(xù)冷卻后獲得的，如正火、熱軋后的空冷、焊縫的熱影響區(qū)中等。后來的研究，發(fā)現(xiàn)等溫也可以形成，形成溫度稍高于上貝氏體的形成溫度。其組織是由F和富碳的A組成。F呈塊狀（由F針片組成），而富碳的A呈條狀在F基體上呈不連續(xù)分布。F的C%很低，接近平衡狀態(tài)，而A的C%確很高。5.2.4粒狀貝氏體242526富碳的A由于冷卻條件和其穩(wěn)定性的不同，在隨后的冷卻過程中，可能發(fā)生以下三種不同的轉(zhuǎn)變情況：1、部分或全部分解為F和碳化物；2、可能部分轉(zhuǎn)變?yōu)镸，C%很高，屬于孿晶片狀M，M和殘余A統(tǒng)稱為“M—Aˊ”組成物或“M—Aˊ”組織；3、可能全部保留下來。27在過共析鋼中可以見到，形成溫度在350℃稍上，F(xiàn)夾在兩片Cem中間的組織形態(tài)。5.2.5反常貝氏體28一般在高碳碳素鋼或高碳中合金鋼中當(dāng)溫度處于下貝氏體形成溫度范圍時(shí)出現(xiàn)，F(xiàn)呈放射狀，碳化物分布在F內(nèi)部，形成時(shí)不產(chǎn)生表面浮凸。5.2.6柱狀貝氏體295.3貝氏體的形成條件5.3.1貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)(轉(zhuǎn)變的切變機(jī)制)

相變時(shí)自由能的變化：

ΔG=-ΔGV+ΔGD+ΔGS+ΔGE從上式來看，M相變可以發(fā)生的條件是ΔG＜0，但由于M相變的熱滯較大，所以M相變只能在Ms以下的溫度才能發(fā)生。

如果在轉(zhuǎn)變過程中，能使ΔGv升高（即絕對值增大）使ΔGe（彈性應(yīng)變能）降低，可以使ΔG降低，從而使M的相變可以在Ms以上發(fā)生。30在B轉(zhuǎn)變過程中，伴隨著碳原子的擴(kuò)散，從而降低了B中的F的碳含量，使F的自由能降低，而引起新舊兩相的自由能差ΔGv升高，同時(shí)B與A之間的比體積差較小，使體積變化產(chǎn)生的應(yīng)變能減小ΔGe

。形成溫度高，長大速度慢，A強(qiáng)度低，使A塑變和共格界面移動克服的阻力減小，這些都引起ΔGe減小，使B轉(zhuǎn)變可以在Ms以上的溫度下進(jìn)行，即Bs高于Ms。315.3.2貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)1.貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)特點(diǎn)（1）貝氏體轉(zhuǎn)變速度比馬氏體轉(zhuǎn)變速度慢。

BF以共格切變方式長大，但長大速度緩慢，這是因?yàn)槭芴荚酉蛑車鷬W氏體的擴(kuò)散所控制。（2）貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全性溫度降至Bs點(diǎn)以下貝氏體才能形成，而且隨著等溫溫度的降低，最大轉(zhuǎn)變量將增加。32貝氏體鐵素體按馬氏體切變機(jī)制形成的說明t1c1Acmc2t2T0A1A3貧碳區(qū)332.貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)B轉(zhuǎn)變的等溫形成圖也具有C字形，在Bs溫度以下隨等溫溫度降低，孕育期先增后減具有一個(gè)鼻子，對于碳鋼，由于P轉(zhuǎn)變與B轉(zhuǎn)變C曲線重疊在一起，因此合并成一個(gè)C曲線。3435361、奧氏體中碳的擴(kuò)散

B轉(zhuǎn)變是在碳原子還能擴(kuò)散的中溫范圍內(nèi)發(fā)生的，為了在A中形成低碳的F，C必將在A中偏聚。當(dāng)A的碳含量超過其溶解度時(shí)（ES及其延長線），碳將以碳化物的形式自A中析出，而使A的C%降低。在B轉(zhuǎn)變過程中A的C%有可能升高，也有可能降低，具體情況取決于A的成份及轉(zhuǎn)變溫度而定。5.3.3貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)碳的擴(kuò)散370.48%C-4.33%Mn,A化后在275℃等溫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A的C%與B量的變化是平行的，特別是在孕育期，A的C%已有了明顯的升高。這說明在A內(nèi)已出現(xiàn)局部小范圍貧碳區(qū)，為F的形成作好了準(zhǔn)備。以后隨貝氏體轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，奧氏體碳含量不斷升高。

381.18%C-3.58%Mn,A化后在350℃等溫，孕育期間A的C%不變，隨B量的增加，A的C%降低，這說明A中析出了碳化物。391.39%C-2.74%Mn，A化后在400℃等溫，在孕育階段A的C%就明顯下降，這說明等溫剛開始就有碳化物自A中析出。402、貝氏體中鐵素體內(nèi)碳的擴(kuò)散

F形成初期C含量是過飽和的，而B轉(zhuǎn)變溫度范圍較M轉(zhuǎn)變高，故B中F在形成后必然要發(fā)生分解，以碳化物的形式由B中的F內(nèi)析出過飽和的碳，從而使F的C%下降。41（一）碳含量規(guī)律：隨A中碳含量的增加，B轉(zhuǎn)變速度下降。原因：C含量高時(shí)，形成F核心，較困難，而從F中向外排出碳的數(shù)量增多，從而增加了B的形成時(shí)間。5.3.4影響貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素42（二）合金元素凡是降低C擴(kuò)散速度、阻礙F共格長大，都使B轉(zhuǎn)變速度下降。因此，除Co、Al以外所有合金元素都降低B轉(zhuǎn)變速度，使B轉(zhuǎn)變的C曲線右移，同時(shí)也使貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍下降，但作用不如C顯著。非碳化物形成元素碳化物形成元素43（三）奧氏體晶粒大小和奧氏體化溫度A晶粒大?。弘SA晶粒增大，B轉(zhuǎn)變孕期延長轉(zhuǎn)變速度下降。其原因是由于晶粒大晶界面積小，形成F核心的幾率小，同時(shí)碳的擴(kuò)散距離長。A化溫度：A化溫度高，晶粒粗大，成份均勻，貧碳區(qū)少，這都影響F的形核，使B轉(zhuǎn)變的孕育期延長，轉(zhuǎn)變速度下降。44奧氏體晶粒大小對貝氏體轉(zhuǎn)變的影響C1.4%，Mn1%，1000－1250℃奧氏體化，冷至1000℃，停留5分45（四）應(yīng)力的影響拉應(yīng)力使B轉(zhuǎn)變速度增加，尤其對下B更顯著。壓應(yīng)力的作用不清楚。46（五）塑性變形1、在較高溫度（1000~800℃

）范圍內(nèi)對A進(jìn)行塑性變形，將使A向B轉(zhuǎn)變的孕育期增長，轉(zhuǎn)變速度下降，轉(zhuǎn)變的不完全程度增大。原因：一方面變形使A中的缺陷密度增加，有利于C原子的擴(kuò)散，有利于B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行；而另一方面，A形變后會產(chǎn)生多邊化亞結(jié)構(gòu)，這對B中F的共格生長是不利的。通常以后者的作用為主。472、在較低溫度（350~300℃）范圍內(nèi)對A

進(jìn)行塑性變形將加速B的形成。原因：A晶體缺陷密度更大，促進(jìn)C的擴(kuò)散，并且形變會使A中的應(yīng)力增加，有利于B中F按M型轉(zhuǎn)變機(jī)制形成，結(jié)果使B轉(zhuǎn)變速度加快。48（六）冷卻在不同溫度下停留1、在P與B轉(zhuǎn)變區(qū)之間的亞穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留會加速隨后的B轉(zhuǎn)變。原因：在等溫停留時(shí)從奧氏體中析出了碳化物，降低了奧氏體中碳和合金元素的濃度，即降低了奧氏體的穩(wěn)定性。492、在高溫區(qū)先進(jìn)行部份上B轉(zhuǎn)變，將會使低溫區(qū)下B的轉(zhuǎn)變速度降低，孕育期變長。原因：可能是一種A的穩(wěn)定化現(xiàn)象，還不十分清楚。503、先在低溫區(qū)形成少量M或下B，將促進(jìn)后續(xù)高溫區(qū)的B形成，轉(zhuǎn)變速度加快。原因：可能是因?yàn)樵谳^低溫度下進(jìn)行部份M和下B轉(zhuǎn)變時(shí)，所產(chǎn)生的應(yīng)力會促進(jìn)以后在較高溫度下進(jìn)行B轉(zhuǎn)變的晶核的形成。第四節(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)51貝氏體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是鐵素體，在轉(zhuǎn)變溫度下，奧氏體中存在濃度起伏，BF核在貧碳區(qū)形成。較高溫度時(shí)，BF在奧氏體晶界形核；較低溫度時(shí)（下貝氏體），BF大多在奧氏體晶粒內(nèi)形核。5.4貝氏體的轉(zhuǎn)變機(jī)理貝氏體相變機(jī)理概述52

BF以共格切變方式長大，但長大速度緩慢，這是因?yàn)槭芴荚酉蛑車鷬W氏體的擴(kuò)散所控制。t1c1Acmc2t2T0A1A3貧碳區(qū)53形成的BF為碳的過飽和α固溶體，形成溫度越低，過飽和度越大。在BF形成的同時(shí)，將發(fā)生碳的脫溶，析出碳化物。54高溫范圍轉(zhuǎn)變，組織為BF+富碳A。BF在奧氏體晶界形核，初形成的BF過飽和度很小，以共格切變方式向晶粒內(nèi)一側(cè)長大，形成相互平行的BF板條束。（一）無碳化物貝氏體的形成機(jī)理55無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶界BFAA56無碳化物貝氏體形成機(jī)理示意圖57（一）無碳化物貝氏體的形成機(jī)理與此同時(shí)，由于轉(zhuǎn)變溫度較高，在BF中的碳原子可以越過BF/A相界面向A中擴(kuò)散，直至達(dá)到平衡濃度。58通過相界面進(jìn)入A的碳能很快向遠(yuǎn)離界面處擴(kuò)散，不至于在界面附近產(chǎn)生積聚，所以富碳A的碳含量不會超過Acm線的延長線，從而不會從A中析出碳化物。（一）無碳化物貝氏體的形成機(jī)理59（一）無碳化物貝氏體的形成機(jī)理在隨后的冷卻過程中，富碳奧氏體可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，也可以保持到室溫而成為富碳的殘余奧氏體。60中溫范圍轉(zhuǎn)變，在350~550℃，組織為BF+Fe3C，形態(tài)為羽毛狀。BF在奧氏體晶界形核，以共格切變方式向晶粒內(nèi)一側(cè)長大，形成相互平行的BF板條束。（二）上貝氏體的形成機(jī)理61(a)上貝氏體組織示意圖

(b)T8鋼中的上貝氏體組織(a)(b)62上貝氏體的形成機(jī)理示意圖Fe3C63與此同時(shí)，碳原子越過BF/A相界面向A中擴(kuò)散。由于轉(zhuǎn)變溫度降低，進(jìn)入相界面附近A中的碳原子已不能向遠(yuǎn)處擴(kuò)散，尤其是鐵素體板條間奧氏體中的碳原子，在這些地方將產(chǎn)生碳的堆積。64隨著BF的長大，鐵素體板條間奧氏體中的碳含量顯著升高，當(dāng)超過Acm線的延長線時(shí)，將從奧氏體中析出不連續(xù)的碳化物（Fe3C），從而形成羽毛狀上貝氏體?？梢?，上貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在奧氏體中的擴(kuò)散所控制。65低溫范圍轉(zhuǎn)變，<350℃。BF大多在奧氏體晶粒內(nèi)通過共格切變方式形成，形態(tài)為透鏡片狀。（三）下貝氏體的形成機(jī)理66(a)下貝氏體組織示意圖

(b)GCr15鋼的下貝氏體組織(a)(b)67下貝氏體的形成機(jī)理示意圖68（三）下貝氏體的形成機(jī)理與此同時(shí)，由于溫度低，BF中碳的過飽和度很大。同時(shí)，碳原子已不能越過BF/A相界面擴(kuò)散到奧氏體中去，所以就在BF內(nèi)部析出細(xì)小的碳化物。69隨著BF中碳化物的析出，自由能進(jìn)一步降低，以及比容降低所導(dǎo)致的應(yīng)變能下降，將使已形成的BF片進(jìn)一步長大。同時(shí)，在其側(cè)面成一定角度也將形成新的下貝氏體鐵素體片?？梢?，下貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在鐵素體中的擴(kuò)散所控制。70綜上所述，不同形態(tài)貝氏體中的鐵素體都是通過切變機(jī)制形成的。只是因?yàn)樾纬蓽囟炔煌?，使鐵素體中碳的脫溶以及碳化物的形成方式不同，從而導(dǎo)致貝氏體的組織形態(tài)不同。7172四、粒狀貝氏體的形成當(dāng)無碳化物貝氏體的條狀鐵素體長大到彼此匯合時(shí)，剩下的島狀富碳奧氏體便為鐵素體所包圍，沿鐵素體條間呈現(xiàn)斷續(xù)分布。因鋼的碳含