第五章 貝氏體相變

貝氏體相變第五章（550℃～MS）什么是貝氏體？“GB/T7232-1999金屬熱處理工藝術(shù)語”貝氏體：是鋼經(jīng)奧氏體化后，過冷到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域與Ms之間的中溫區(qū)等溫，或連續(xù)冷卻通過中溫區(qū)時(shí)形成的組織。貝氏體相變的基本特征1）B相變是過冷A在中溫轉(zhuǎn)變區(qū)發(fā)生的非平衡相變，轉(zhuǎn)變溫度范圍寬，轉(zhuǎn)變有孕育期。2）B轉(zhuǎn)變過程主要是BF的形核和長大過程，在不同溫度下得到不同類型的B組織形貌。3）B組織的相組成主要是B鐵素體和碳化物，但當(dāng)轉(zhuǎn)變不完全時(shí)有殘余A。4）B轉(zhuǎn)變有表面浮凸現(xiàn)象。5）B轉(zhuǎn)變是B鐵素體的共格切變型相變和碳原子的擴(kuò)散型相變，碳原子的擴(kuò)散速度控制著B的轉(zhuǎn)變速度。圖5-1共析碳鋼C曲線Mf高溫中溫低溫§5.1貝氏體相變特點(diǎn)、組織形態(tài)和力學(xué)性能§5.1.1貝氏體相變的特點(diǎn)（1）貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍在A1以下，MS以上，有一轉(zhuǎn)變的上限溫度BS點(diǎn)和下限溫度Bf

點(diǎn)，碳鋼的BS點(diǎn)約為550℃。貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為α相與碳化物的兩相混合物，為非層片狀組織。α相：α相（即貝氏體鐵素體BF）形態(tài)類似于馬氏體而不同于珠光體中的鐵素體。（2）貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物碳化物：上貝氏體，碳化物(滲碳體)分布在鐵素體條之間；下貝氏體，碳化物既(滲碳體或ε-碳化物）分布在鐵素體條內(nèi)部。低、中碳鋼中，當(dāng)貝氏體形成溫度較高時(shí)，也可能形成不含碳化物的無碳化物貝氏體。通過形核與長大進(jìn)行，等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖是C形?？梢栽谝欢囟确秶鷥?nèi)等溫形成，也有孕育期；也可以在某一冷卻速度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（3）轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)圖5-3合金鋼C曲線圖5-2共析碳鋼C曲線示意圖（4）轉(zhuǎn)變的不完全性轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)總有一部分未轉(zhuǎn)變的A，繼續(xù)冷卻A→M，形成B+M+AR組織。由單相轉(zhuǎn)變形成低碳相和高碳相，故有碳原子的擴(kuò)散，但鐵和合金元素原子不擴(kuò)散。相變速度取決于碳原子的擴(kuò)散速度（5）擴(kuò)散性（6）晶體學(xué)特征貝氏體形成時(shí)，有表面浮凸，鐵素體按切變共格方式長大，位向關(guān)系和慣習(xí)面接近于馬氏體。上貝氏體慣習(xí)面為，下貝氏體的慣習(xí)面為貝氏體中鐵素體與母相奧氏體之間存在K-S關(guān)系，滲碳體與奧氏體以及滲碳體與鐵素體之間也存在一定的晶體學(xué)位相關(guān)系。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)散表5-1珠光體、馬氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)的比較形成于低碳鋼中，在靠近BS的溫度處形成，由平行板條鐵素體束及板條間未轉(zhuǎn)變的富碳奧氏體組成?！?.1.2貝氏體的組織形態(tài)A無碳化物貝氏體（1）上貝氏體圖5-4無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶界BFAA§5.1.2貝氏體的組織形態(tài)A無碳化物貝氏體BF核在A晶界上形成后，向晶內(nèi)一側(cè)成束長大。板條比較寬，板條間距離也較大，且兩者均隨形成溫度的下降而變小。板條間為富碳的A，在隨后冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镸或保留至室溫成為AR

。（1）上貝氏體圖5-4無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶界BFAABF與奧氏體的位向關(guān)系為K-S關(guān)系，慣習(xí)面為{111}A

圖5-5無碳化物貝氏體組織，×1000

（30CrMnSiA鋼，450℃等溫20s）B粒狀貝氏體低中炭鋼以一定速度連續(xù)冷卻，一般是在稍高于上貝氏體的形成溫度下形成，由塊狀貝氏體鐵素體與島狀物組成，島狀物多為馬氏體和奧氏體，稱M-A島。粒狀貝氏體：貝氏體鐵素體＋島狀物（M-A島）在貝氏體相變的較高溫度區(qū)域形成，對(duì)于中、高碳鋼,大約在350~550℃區(qū)間。C經(jīng)典上貝氏體圖5-6(a)上貝氏體組織示意圖

(b)T8鋼中的上貝氏體組織(a)(b)形貌特征：其形態(tài)在光鏡下為羽毛狀。組織為一束平行的自A晶界長入晶內(nèi)的BF板條。BF板條與M板條相近，但在鐵素體板條之間分布有不連續(xù)碳化物。圖5-6上貝氏體組織示意圖珠光體板條馬氏體上貝氏體

BF板條內(nèi)亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)。與A的位向關(guān)系為K-S關(guān)系，慣習(xí)面為{111}A。碳化物慣習(xí)面為{227}A，與A有確定的位向關(guān)系。圖5-6上貝氏體組織示意圖

碳含量：隨碳含量的增加，鐵素體條增多并變薄，條間滲碳體數(shù)量增多，形態(tài)也有粒狀變?yōu)殒溨闋?、短桿狀、直至斷續(xù)條狀。當(dāng)達(dá)到共析濃度時(shí)，部分滲碳體也在鐵素體內(nèi)部沉淀。圖5-6上貝氏體組織示意圖溫度：隨溫度降低，上貝氏體鐵素體條變薄，滲碳體細(xì)化且彌散度增加。組織影響因素：合金元素：含有Si或Al的鋼中，由于Si和Al具有延緩滲碳體沉淀的作用，鐵素體條之間的奧氏體由于富碳而趨于穩(wěn)定，于是變?yōu)闊o碳化物貝氏體。圖5-6上貝氏體組織示意圖D

準(zhǔn)上貝氏體

由條狀貝氏體鐵素體和條間的殘余奧氏體薄膜組成，屬于無碳貝氏體。在貝氏體相變的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)形成，大約在350℃以下。A經(jīng)典下貝氏體（2）下貝氏體圖5-7(a)下貝氏體組織示意圖

(b)GCr15鋼的下貝氏體組織(a)(b)形核部位在奧氏體晶界或晶內(nèi)。各個(gè)貝氏體之間都有一定的交角，立體形貌呈透鏡片狀。針狀或片狀貝氏體鐵素體內(nèi)分布呈一定角度排列的ε-碳化物。BF中碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡碳含量，亞結(jié)構(gòu)為纏結(jié)位錯(cuò)，密度高于上BF，不存在孿晶。貝氏體鐵素體與奧氏體的取向關(guān)系為K-S關(guān)系,慣習(xí)面有{110}f,{254}f,{569}f等。片狀馬氏體下貝氏體B

準(zhǔn)下貝氏體在其貝氏體鐵素體內(nèi)按一定角度排列著殘余奧氏體。將鋼中可能出現(xiàn)的九種貝氏體歸類:以上貝氏體為代表：無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、準(zhǔn)上貝氏體、上貝氏體；以下貝氏體為代表：柱狀貝氏體、準(zhǔn)下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。貝氏體相變的驅(qū)動(dòng)力也是化學(xué)自由能差。鐵素體的Gibbs自由能隨著碳過飽和度的增加而增加?！?.2貝氏體相變的熱力學(xué)條件、相變機(jī)理§5.2.1貝氏體相變的熱力學(xué)條件MsBs圖5-8奧氏體和貝氏體自由能與溫度的關(guān)系

由于碳在BF中的不斷脫溶，增加了新相與母相間的自由能差（ΔG）。

BF中碳的脫溶還使其比容降低，從而減少作為相變阻力的比容應(yīng)變能，這些都會(huì)促進(jìn)BF的進(jìn)一步長大。影響貝氏體相變驅(qū)動(dòng)力的因素：＋Ed§5.2.2貝氏體相變的機(jī)理(一)貝氏體相變機(jī)理的學(xué)術(shù)爭論共識(shí):

鐵素體形成是馬氏體型相變,并伴隨有碳原子的擴(kuò)散.

為什么在Ms點(diǎn)以上會(huì)有馬氏體相變發(fā)生?

切變學(xué)派(恩金貝氏體相變假說)

擴(kuò)散學(xué)派(柯俊貝氏體相變假說)切變學(xué)派(恩金貝氏體相變假說)主要論點(diǎn)：1）B組織與無擴(kuò)散的M相似，BF實(shí)質(zhì)上是低碳M；2）B相變浮凸現(xiàn)象與M相似；3）在晶體學(xué)位向關(guān)系上，B與M相似；4）B相變?cè)趧?dòng)力學(xué)上類似于等溫M；5）B轉(zhuǎn)變也有不完全現(xiàn)象；轉(zhuǎn)變機(jī)制：碳的重新分配（相變前）→貧碳區(qū)富碳區(qū)M相變低碳M快速回火過飽和鐵素體滲碳體B先析出滲碳體*B相變=M相變+碳原子擴(kuò)散為什么在Ms點(diǎn)以上會(huì)發(fā)生馬氏體型相變？馬氏體相變開始點(diǎn)Ms隨碳濃度增加而下降！切變學(xué)派解釋了貝氏體的形成，Bs點(diǎn)的意義和貝氏體中鐵素體的碳濃度隨溫度變化而變化等現(xiàn)象，但沒有解釋貝氏體的形態(tài)變化和組織結(jié)構(gòu)等問題。擴(kuò)散學(xué)派(柯俊貝氏體相變假說)主要論點(diǎn)：1）在B寬面上存在巨型臺(tái)階，以及B長大界面為非共格界面，說明B可能是按擴(kuò)散臺(tái)階機(jī)制長大；2）B的表面浮凸不同與M，擴(kuò)散臺(tái)階機(jī)制也可以形成表面浮凸現(xiàn)象；3）在晶體學(xué)關(guān)系上，B的慣習(xí)面與同一合金的M不同；4）對(duì)Fe-C合金系，B轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算，在熱力學(xué)上B不可能以切變方式形成；5）熱力學(xué)計(jì)算表明，在B相變時(shí)不能形成富碳區(qū)。轉(zhuǎn)變機(jī)制：足夠大彈性能減小自由能G溫度GγHGα′HT0HMSHΔGVHGγLGα′LT0LMSLΔGVLT0HLMSHLΔGVHL自由能差ΔGv增加由于碳的脫溶，A與B比容差小于A與M比容差，所以彈性能E也減小！擴(kuò)散學(xué)派認(rèn)為:貝氏體相變是α相的不斷長大和碳從α相中不斷脫溶兩個(gè)過程同時(shí)發(fā)生;貝氏體相變?yōu)橛袛U(kuò)散(碳原子)和有共格的相變;貝氏體相變的主要驅(qū)動(dòng)力是因碳脫溶而增加的化學(xué)自由能;

碳從α相中的脫溶方式有兩種:

碳通過相界面從α相擴(kuò)散到γ相中;

碳在α相內(nèi)脫溶沉淀為碳化物.能夠解釋:(1)在Ms點(diǎn)以上溫度α相可以通過馬氏體型相變機(jī)制形成;(2)按馬氏體型相變機(jī)制形成的貝氏體長大速度遠(yuǎn)低于馬氏體長大速度;(3)在不同溫度下形成的貝氏體有著截然不同的組織形態(tài);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（上B）；

較低溫度時(shí)(下B)，BF大多在奧氏體晶粒內(nèi)形核。§5.2.2貝氏體相變的機(jī)理（一）貝氏體相變機(jī)理概述

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。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。（二）無碳化物貝氏體的形成機(jī)理高溫范圍轉(zhuǎn)變，組織為BF+富碳A。圖5-10無碳化物貝氏體形成機(jī)理示意圖(1)

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。(2)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。圖5-10無碳化物貝氏體形成機(jī)理示意圖圖5-10無碳化物貝氏體形成機(jī)理示意圖(3)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，從而不會(huì)從A中析出碳化物。(4)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。圖5-10無碳化物貝氏體形成機(jī)理示意圖原奧氏體晶界BFAA中溫范圍轉(zhuǎn)變，在350~550℃，組織為BF+Fe3C，形態(tài)為羽毛狀。（三）上貝氏體的形成機(jī)理圖5-6(a)上貝氏體組織示意圖

(b)T8鋼中的上貝氏體組織(a)(b)(1)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。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機(jī)理示意圖(2)碳原子越過BF/A相界面向A中擴(kuò)散。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機(jī)理示意圖(3)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。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機(jī)理示意圖（4）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)碳濃度升高一定程度時(shí)，將從奧氏體中析出碳化物（Fe3C），從而形成羽毛狀上貝氏體。由于得不到奧氏體中碳原子的不斷補(bǔ)充，這些滲碳體呈不連續(xù)的。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機(jī)理示意圖上貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在奧氏體中的擴(kuò)散所控制。隨形成溫度的降低，條狀鐵素體變薄，條間析出的滲碳體顆粒細(xì)化。低溫范圍轉(zhuǎn)變，<350℃。（四）下貝氏體的形成機(jī)理圖5-7(a)下貝氏體組織示意圖

(b)GCr15鋼的下貝氏體組織(a)(b)（1）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。（四）下貝氏體的形成機(jī)理圖5-12下貝氏體的形成機(jī)理示意圖(2)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。圖5-12下貝氏體的形成機(jī)理示意圖(3)隨著BF中碳化物的析出，自由能進(jìn)一步降低，比容降低，導(dǎo)致應(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。圖5-12下貝氏體的形成機(jī)理示意圖可見，下貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在鐵素體中的擴(kuò)散所控制。碳化物析出和鐵素體長大兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行，隨溫度下降，碳化物顆粒變得細(xì)小、彌散。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。特點(diǎn)：也呈C形（與P相同）；有B轉(zhuǎn)變上限溫度Bs（與P—A1，M—Ms）；也存在一個(gè)“鼻子”（隨溫度降低，轉(zhuǎn)變速度先增后減）；對(duì)于碳鋼，P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變C曲線重疊在一起；

B轉(zhuǎn)變的C曲線實(shí)際是由兩個(gè)獨(dú)立的C曲線合并而成的，即B上—C曲線和B下—C曲線，說明由兩種機(jī)制形成。§5.3貝氏體相變的動(dòng)力學(xué)影響因素§5.3.1貝氏體等溫相變動(dòng)力學(xué)曲線（1）溫度等溫溫度越高，轉(zhuǎn)變量越少；有孕育期；轉(zhuǎn)變速度先增后減?！?.3.2影響貝氏體相變動(dòng)力學(xué)的因素冷卻時(shí)在不同溫度下停留的影響圖5-13冷卻時(shí)不同溫度停留的三種情況①曲線1：在珠光體相變與貝氏體相變之間的過冷奧氏體穩(wěn)定區(qū)停留，會(huì)加速隨后的貝氏體轉(zhuǎn)變速度。

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，所以使貝氏體轉(zhuǎn)變加速。②曲線2：在貝氏體形成溫度的高溫區(qū)停留，形成部分上貝氏體，然后再冷至貝氏體相變的低溫區(qū)，將降低貝氏體轉(zhuǎn)變的速度，即奧氏體發(fā)生了穩(wěn)定化。③曲線3：先冷至低溫，形成少量馬氏體或下貝氏體，然后再升至較高溫度，則先形成的少量馬氏體和下貝氏體將加速隨后的貝氏體轉(zhuǎn)變速度。原因：較低溫度下的相變使奧氏體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，從而加速了貝氏體的形核，加速貝氏體的形成。奧氏體中碳含量的增加，轉(zhuǎn)變時(shí)需要擴(kuò)散的原子數(shù)量增加，等溫轉(zhuǎn)變C曲線右移，轉(zhuǎn)變速度下降。（2）碳含量上貝氏體鐵素體的長大速度主要取決于前沿奧氏體中碳的擴(kuò)散速度；下貝氏體的相變速度，主要取決于鐵素體內(nèi)碳化物的沉淀速度。除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低貝氏體轉(zhuǎn)變速度，同時(shí)也使貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍下降，從而使珠光體與貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線分開。（3）合金元素奧氏體晶粒越大，晶界面積越少，形核部位越少，孕育期越長，貝氏體轉(zhuǎn)變速度下降。（4）奧氏體晶粒大?。?）應(yīng)力和塑性變形的影響拉應(yīng)力加快貝氏體轉(zhuǎn)變;在較高溫度的形變使貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期延長，速度減慢；而在較低溫度的形變卻使轉(zhuǎn)變的孕育期縮短，速度加快?！?.1.3貝氏體的機(jī)械性能（一）貝氏體的強(qiáng)度和硬度

貝氏體的強(qiáng)度和硬度隨形成溫度的降低而提高。①貝氏體鐵素體細(xì)化強(qiáng)化（細(xì)晶強(qiáng)化）形成溫度越低，貝氏體鐵素體越細(xì)，強(qiáng)度越高。影響貝氏體強(qiáng)度的因素：BF的晶粒大小主要取決于奧氏體