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1、贝氏体贝氏体转变转变一一、贝氏体的形态及晶体学、贝氏体的形态及晶体学贝氏体转变是过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转贝氏体转变是过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转变温度区间的一种转变，又简称为变温度区间的一种转变，又简称为中温转变中温转变。由于下贝。由于下贝氏体组织具有良好的综合机械性能，故生产中常将钢奥氏体组织具有良好的综合机械性能，故生产中常将钢奥氏体化后过冷至氏体化后过冷至中温转变区中温转变区等温停留，使之获得贝氏体等温停留，使之获得贝氏体组织，这种热处理操作称为组织，这种热处理操作称为贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体粒状贝氏体粒状贝氏体 无碳化物贝氏体无
2、碳化物贝氏体 准贝氏体准贝氏体 柱状贝氏体柱状贝氏体反常贝氏体反常贝氏体1 1.上贝氏体上贝氏体(B(B上上）当其转变量不多时当其转变量不多时，在光学显微镜下在光学显微镜下，可以看到成束可以看到成束的条状铁素体自晶界向晶内生长的条状铁素体自晶界向晶内生长，形似形似羽毛羽毛般般，故有故有羽毛状贝氏体羽毛状贝氏体之之称称。上贝氏体上贝氏体是在贝氏体是在贝氏体转变区较上部的温度转变区较上部的温度范围内形成的范围内形成的。它是由它是由成束的成束的、大体上平行的大体上平行的板条状板条状铁素体和条间呈铁素体和条间呈粒状或条状的渗碳体粒状或条状的渗碳体(有时还有残余奥氏体有时还有残余奥氏体)所组成的非所组成
3、的非片层状组织片层状组织。与板条状马氏体相似与板条状马氏体相似，上贝氏体中由大体上平行排列的铁素上贝氏体中由大体上平行排列的铁素体板条所构成的体板条所构成的“束束”的尺寸对其强度和韧性有一定影响的尺寸对其强度和韧性有一定影响，故往往把故往往把束的平均尺寸视为上贝氏体的束的平均尺寸视为上贝氏体的“有效晶粒尺寸有效晶粒尺寸”。上贝氏体形成时也具有浮凸效应上贝氏体形成时也具有浮凸效应。上贝氏体铁素体与其母相间具有一定的上贝氏体铁素体与其母相间具有一定的晶体学取向关系晶体学取向关系上贝氏体铁素体中存在一定的位错组态上贝氏体铁素体中存在一定的位错组态。2 2.下贝氏体下贝氏体（B B下下)下贝氏体是在贝
4、氏体转变区下部的温度范围内形成的下贝氏体是在贝氏体转变区下部的温度范围内形成的，它也是由铁素体和碳化物构成的复相组织它也是由铁素体和碳化物构成的复相组织。而在中碳钢中而在中碳钢中，则两种形态的贝氏体铁素体兼有之则两种形态的贝氏体铁素体兼有之下贝氏体形成时有表面下贝氏体形成时有表面浮凸效应浮凸效应。下贝氏体铁素体中也有位错缠结存在下贝氏体铁素体中也有位错缠结存在，且位错密度比上贝氏体铁且位错密度比上贝氏体铁素体高素体高，但却未发现有孪晶亚结构存在但却未发现有孪晶亚结构存在。下贝氏体铁素体中溶有比上贝氏体铁素体多的过饱和碳下贝氏体铁素体中溶有比上贝氏体铁素体多的过饱和碳；形成温；形成温度越低度越低
5、，碳的过饱和度也越大碳的过饱和度也越大。下贝氏体铁素体与其母相间也下贝氏体铁素体与其母相间也具有一定的晶体学取向关系具有一定的晶体学取向关系。3 3.粒状贝氏体粒状贝氏体一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成，由条状贝氏由条状贝氏体铁素体与岛状物组成体铁素体与岛状物组成，岛状物多为马氏体和奥氏体岛状物多为马氏体和奥氏体，称称M M-A A岛岛。粒状贝氏体：粒状贝氏体：贝氏体铁素体岛状物贝氏体铁素体岛状物（M M-A A岛岛）4 4.无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体在上贝氏体转变区的上部温度范围内形成在上贝氏体转变区的上部温度范围内形成,为一组大致为一组大致平行
6、的贝氏体铁素体条平行的贝氏体铁素体条，板条尺寸及间距较宽板条尺寸及间距较宽，条间夹条间夹有富碳奥氏体有富碳奥氏体。5 5.准上贝氏体准上贝氏体由条状贝氏体铁素体和条间的残余奥氏体薄膜组成由条状贝氏体铁素体和条间的残余奥氏体薄膜组成。6.6.准下贝氏体准下贝氏体在其贝氏体铁素体内在其贝氏体铁素体内按一定角度排列着残按一定角度排列着残余奥氏体。余奥氏体。残奥残奥二、二、贝氏体的转变特点贝氏体的转变特点由于由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因因而使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些而使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点特点：贝氏体贝氏体转变
7、也是一个形核和长大的过程转变也是一个形核和长大的过程。贝氏体的形核需贝氏体的形核需要有一定的要有一定的孕育期孕育期，其其领先相一般是铁素体领先相一般是铁素体(除反常贝氏体除反常贝氏体外外)，贝氏体贝氏体转变速度远比马氏体转变为慢转变速度远比马氏体转变为慢。贝氏体贝氏体形成时会产生形成时会产生表面浮凸表面浮凸。贝氏体贝氏体转变有一个转变有一个上限温度上限温度(Bs)，高于该温度则不能形成；高于该温度则不能形成；贝氏体转变也有一个贝氏体转变也有一个下限温度下限温度(Bf)，到达此温度则转变即告到达此温度则转变即告终止终止。贝氏体贝氏体转变也具有转变也具有不完全不完全性性。贝氏体贝氏体转变时新相与母
8、相奥氏体间存在一定的转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向晶体学取向关系关系。三、贝氏体的形成过程三、贝氏体的形成过程四、贝氏体转变的热力学和动力学四、贝氏体转变的热力学和动力学贝氏体贝氏体转变的热力学转变的热力学贝氏体形成时应变能小于马氏体转变时的应变能，而大贝氏体形成时应变能小于马氏体转变时的应变能，而大于珠光体转变时的应变能，贝氏体转变的上限温度于珠光体转变时的应变能，贝氏体转变的上限温度Bs与与B0之间的温度差小于之间的温度差小于T0-Ms，而大于，而大于A1-Ar1。贝氏体贝氏体转变动力学转变动力学贝氏体等温转变不能进行到终了贝氏体等温转变不能进行到终了(B转变不完全性转变不完
9、全性）。贝）。贝氏体转变是在中温区发生的，转变依赖于碳原子的扩散。氏体转变是在中温区发生的，转变依赖于碳原子的扩散。贝氏体转变的热力学分析贝氏体转变的热力学分析相变的驱动力相变的驱动力(新新、母相单位体积化学自由能差母相单位体积化学自由能差)Gv必须足以必须足以补偿表面能补偿表面能 Gs、弹性应变能弹性应变能 GE以及塑性应变能以及塑性应变能 Gp等能量等能量消耗消耗。Bs点是表示奥氏体和贝氏体间自由能差达到相变所需的最小化学驱动点是表示奥氏体和贝氏体间自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值时的温度力值时的温度。碳含量小于碳含量小于0.5时时，F=0曲线可近似表示贝氏体形成的上限温度曲线可近似
10、表示贝氏体形成的上限温度Bs；但碳含量大于但碳含量大于0.5后后，Bs温度则保持不变温度则保持不变。贝氏体转变的动力学贝氏体转变的动力学贝氏体转变是一个形核贝氏体转变是一个形核、长大的过程长大的过程，形核需有一定的孕育期形核需有一定的孕育期，长大速度较马氏体转变慢得多长大速度较马氏体转变慢得多，贝氏体转变具有贝氏体转变具有不完全性不完全性，温度越高温度越高，越接近越接近Bs点点，等温转变等温转变量越少量越少。上上，下贝氏体转变机理是不同的下贝氏体转变机理是不同的。Vasudevan认为认为，上上、下贝氏体下贝氏体转变分别受碳在奥氏体和铁素体转变分别受碳在奥氏体和铁素体中的扩散所控制中的扩散所控
11、制，并由此认定上并由此认定上、下贝氏体中碳化物的析出源分别下贝氏体中碳化物的析出源分别是奥氏体和铁素体是奥氏体和铁素体。贝氏体长大速度与形成温度和钢碳含量的关系如图所示贝氏体长大速度与形成温度和钢碳含量的关系如图所示。在贝氏体转变区内实际上存在着上贝氏体在贝氏体转变区内实际上存在着上贝氏体、下贝氏体下贝氏体、等温马等温马氏体等几组独立的氏体等几组独立的C曲线曲线。这些研究结果也从另一个侧面证实这些研究结果也从另一个侧面证实上上、下贝氏体是按照不同的转变机理下贝氏体是按照不同的转变机理形成的。五、贝氏体的力学性能五、贝氏体的力学性能 贝氏体的强度贝氏体的强度上上贝氏体的强度比下贝氏体贝氏体的强度
12、比下贝氏体的强度低的强度低。贝氏体贝氏体形成温度愈低，碳化形成温度愈低，碳化物颗粒愈小，数量愈多，弥物颗粒愈小，数量愈多，弥散强化作用愈散强化作用愈显著。显著。1贝氏体铁素体晶粒大小贝氏体铁素体晶粒大小晶粒大小与材料屈服强度之间的关系通常可用晶粒大小与材料屈服强度之间的关系通常可用Hall-Petchr公式公式来表示来表示，贝氏体铁素体的晶粒尺寸与屈服强度的关系也服从这贝氏体铁素体的晶粒尺寸与屈服强度的关系也服从这一公式一公式。2碳化物的弥散度和分布状况碳化物的弥散度和分布状况贝氏体中碳化物的弥散强化作用在下贝氏体中占有特别重要的地位贝氏体中碳化物的弥散强化作用在下贝氏体中占有特别重要的地位，
13、但对上贝氏体来说则相对显得次要但对上贝氏体来说则相对显得次要。碳化物弥散度愈大碳化物弥散度愈大，0.2和和 b值愈高值愈高。3溶质元素固溶强化溶质元素固溶强化碳对贝氏体铁素体的固溶强化作用要比以置换式溶入的合金碳对贝氏体铁素体的固溶强化作用要比以置换式溶入的合金元素大得多元素大得多。4位错密度位错密度随转变温度的降低随转变温度的降低，贝氏体铁素体中的位错密度不断增高贝氏体铁素体中的位错密度不断增高。贝氏体贝氏体的韧性的韧性下贝氏体的冲击韧性优于上下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体，贝氏体，而且而且下贝氏体的下贝氏体的韧脆转化温度韧脆转化温度(越低越好越低越好)也总是比上贝氏体为低也总是比上贝氏体为
14、低。贝氏体组织的变化对其冲击性能贝氏体组织的变化对其冲击性能，即冲击韧性和韧脆转化温度起着支即冲击韧性和韧脆转化温度起着支配作用配作用。其中起主要作用的组织因素如下：其中起主要作用的组织因素如下：1铁素体板条和板条束的尺寸铁素体板条和板条束的尺寸板条束直径大小对韧脆转化温度的影响实质上表现为对断裂解理小平板条束直径大小对韧脆转化温度的影响实质上表现为对断裂解理小平面的影响面的影响。解理小平面的直径随板条束直径的增大而增大解理小平面的直径随板条束直径的增大而增大，并由此而并由此而导致韧脆转化温度的升高导致韧脆转化温度的升高。上贝氏体的铁素体板条束直径一般都比下上贝氏体的铁素体板条束直径一般都比下
15、贝氏体为大贝氏体为大，所以前者的韧脆转化温度总是高于后者所以前者的韧脆转化温度总是高于后者。2碳化物的形态和分布碳化物的形态和分布在上贝氏体中碳化物分布在铁素体板条之间在上贝氏体中碳化物分布在铁素体板条之间，两相在形态两相在形态上都具有明显的方向性上都具有明显的方向性，而且碳化物也较粗大而且碳化物也较粗大，这样在碳这样在碳化物与铁素体界面处往往易于萌生微裂纹化物与铁素体界面处往往易于萌生微裂纹。在下贝氏体中在下贝氏体中，碳化物分布于铁素体片内碳化物分布于铁素体片内，且尺寸极细小且尺寸极细小，不易产生裂纹不易产生裂纹。3M-A岛状组成物岛状组成物当其组成主要为残余奥氏体时当其组成主要为残余奥氏体
16、时，有利于提高贝氏体的冲击韧有利于提高贝氏体的冲击韧性性。但不论其组成比如何但不论其组成比如何，却却总是使韧脆转化温度升高总是使韧脆转化温度升高。4奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度细化奥氏体晶粒可以直接导致铁素体板条厚度和板条束直径细化奥氏体晶粒可以直接导致铁素体板条厚度和板条束直径的减小的减小，从而从而有利于冲击性能的改善有利于冲击性能的改善。但对下贝氏体来说但对下贝氏体来说，其铁素体的尺寸本来就比上贝氏体为小其铁素体的尺寸本来就比上贝氏体为小，因此其冲击性能与因此其冲击性能与原奥氏体晶粒度的依赖关系不如上贝氏体那样明显原奥氏体晶粒度的依赖关系不如上贝氏体那样明显。(3)等温淬火组织等温淬火组织(贝氏体贝氏体)和普通淬火、回火组织在等强度和普通淬火、回火组织在等强度(硬硬度度)条件下的冲击性能条件下的冲击性能多研究表明多研究表明，在较高的强度水平下在较高的强度水平下，在在等强度等强度(硬度硬度)条件下相比条件下相比，下下贝氏体组织的冲击韧性一般要比淬火贝氏体组织的冲击韧性一般要比淬火、回火组织为高回火组织为高。在贝氏体的冲击韧性高于淬火在贝氏体的冲击韧性高于淬火、回火组织的同时回火组织的同时，其韧脆转化温度其韧脆转化温度往往也比后者高往往也比后者高。