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1、贝氏体转变贝氏体转变一一.关于贝氏体的基本概念关于贝氏体的基本概念1.1.什么是贝氏体：什么是贝氏体：贝氏体贝氏体是由是由F F和和FeFe3 3C C组成的非层片状组织。组成的非层片状组织。常用符号常用符号B B表示贝氏体。表示贝氏体。2.2.贝氏体贝氏体有哪些类有哪些类粒状贝氏体、粒状贝氏体、无碳贝氏体、无碳贝氏体、反常反常贝氏体、柱状贝氏体贝氏体、柱状贝氏体 也把也把贝氏体贝氏体描述成描述成是条状（或片状）铁素体和碳化是条状（或片状）铁素体和碳化物（有时还有残余奥氏体）组成的非层片状组织。物（有时还有残余奥氏体）组成的非层片状组织。上贝氏体上贝氏体下贝氏体下贝氏体3.贝氏体转变温贝氏体转
2、变温度范围度范围是介于珠是介于珠光体和马氏体转光体和马氏体转变之间，故又称变之间，故又称为中温转变。为中温转变。贝氏体转变贝氏体转变温度范围温度范围B上B下550350350Ms上贝氏体：上贝氏体：由于其中碳化物分布在铁素体片层间，由于其中碳化物分布在铁素体片层间，脆性大，易引起脆断，因此，基本无实用价值。脆性大，易引起脆断，因此，基本无实用价值。下贝氏体下贝氏体：铁素体片细小且无方向性，碳的过饱和：铁素体片细小且无方向性，碳的过饱和度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有度大，碳化物分布均匀，弥散度大，因而，它具有较高的强度和硬度、塑性和韧性。较高的强度和硬度、塑性和韧性。在实际生产中常
3、采用等温淬火来获得下贝氏体，在实际生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体，以提高材料的强韧性。以提高材料的强韧性。4.贝氏体的性能与其形态贝氏体的性能与其形态特点特点5.5.生产中获得贝氏体的方法生产中获得贝氏体的方法 贝氏体等温淬火、贝氏体连续淬火贝氏体等温淬火、贝氏体连续淬火等温淬火等温淬火连续淬火连续淬火图图5-2贝氏体连续转变曲线贝氏体连续转变曲线图图5-2贝氏体连续转变曲线贝氏体连续转变曲线6.贝氏体淬火贝氏体淬火将将A化的钢件以一定的冷却方式过冷到中温化的钢件以一定的冷却方式过冷到中温区，使其区，使其相变而得到组织的热处理过程称为相变而得到组织的热处理过程称为B淬火。淬火。B淬火也是一
4、种提高金属材料机械性能的热淬火也是一种提高金属材料机械性能的热处理方法（马氏体淬火一样）可获得综合力学处理方法（马氏体淬火一样）可获得综合力学性能。性能。二、贝氏体的组织形态和亚结构二、贝氏体的组织形态和亚结构（一）（一）上贝氏体形态上贝氏体形态上贝氏体在贝氏体转变区的上部温上贝氏体在贝氏体转变区的上部温度范围形成。度范围形成。形态：成束分布、平行排列的铁素体形态：成束分布、平行排列的铁素体和夹于共间的断续的条状渗碳体的混和夹于共间的断续的条状渗碳体的混合物。在光学显微镜下可以观察到成合物。在光学显微镜下可以观察到成束排列的铁素体条自奥氏体晶界平行束排列的铁素体条自奥氏体晶界平行伸向晶内，具有
5、羽毛状特征，条间的伸向晶内，具有羽毛状特征，条间的渗碳体分辨不清。渗碳体分辨不清。上贝氏体金相组织上贝氏体金相组织500在电子显微镜下可以清楚地在电子显微镜下可以清楚地看到在平行的条状铁素体之间看到在平行的条状铁素体之间常存在断续的粗条状的渗碳体。常存在断续的粗条状的渗碳体。上贝氏体中铁素体的亚结构是上贝氏体中铁素体的亚结构是位错，其密度约为位错，其密度约为10108 810109 9cmcm-2-2，比板条马氏体低，比板条马氏体低2 23 3个数量个数量级。随着形成温度降低，位错级。随着形成温度降低，位错密度增大。密度增大。上贝氏电镜相组织上贝氏电镜相组织400020#羽毛状上贝氏体羽毛状上
6、贝氏体600 羽毛状上贝氏体羽毛状上贝氏体600（T8钢钢990保温保温360等温等温水冷）水冷）图图5-7羽毛状上贝氏体羽毛状上贝氏体750（0.6%c钢钢900加热加热50/秒秒冷却冷却）图图5-8上贝氏体示意图上贝氏体示意图 归纳上贝氏体转变特征归纳上贝氏体转变特征1）形成温度：）形成温度：在在B相变区的较高温度区内，普通的中、高相变区的较高温度区内，普通的中、高C钢中，上钢中，上B形成温度范围形成温度范围约约350550，而低，而低C钢要高些。钢要高些。2）形态特征：）形态特征：整体形态呈羽毛状，光学显微镜下可见成束平整体形态呈羽毛状，光学显微镜下可见成束平行排列的自晶界向晶粒内生长的
7、行排列的自晶界向晶粒内生长的F条和条间的渗条和条间的渗C体组成的非体组成的非层状组织，具有羽毛状特征。层状组织，具有羽毛状特征。3）转变温度越低，条越细而密集。）转变温度越低，条越细而密集。4）随着随着A中中C，B中中F条变薄。渗条变薄。渗C体在体在F条间呈粒状、链球条间呈粒状、链球状分布，夹有残余状分布，夹有残余A,上贝氏体中的碳化物是从上贝氏体中的碳化物是从中脱溶而出中脱溶而出的。的。1.形成温度：形成温度：在在B转变区域的低温区，约转变区域的低温区，约350以下至以下至MS。2.形形态态特特征征：片片状状F和和其其内内部部沉沉淀淀碳碳化化物物的的组组织织。K均均匀匀分分布布在在F内内，由
8、由于于K极极细细，在在光光学学显显微微镜镜下下无无法法分分辨辨，看看上上去去是是与与回回火火M相相似似的的黑黑色色针针状状组组织织。电电镜镜下下，在在电电子子显显微微镜镜下下可可以以观观察察到到下下贝贝氏氏体体中中碳碳化化物物的的形形态态，它它们们细细小小、弥弥散散，呈呈粒粒状状或或短短条条状状，沿沿着着与与铁铁素素体体长长轴轴成成5565角角取取向向平平行排列。行排列。3.表面浮凸：表面浮凸：呈呈V或或形。形。（二）下贝氏体形貌（二）下贝氏体形貌下贝氏体金相组织下贝氏体金相组织100下贝氏电镜相组织下贝氏电镜相组织1000图图针状下贝氏体示意图针状下贝氏体示意图 4.下贝氏体组成：下贝氏体组
9、成：是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的混合物。沉淀的碳化物组成的混合物。5.下贝氏体形态：下贝氏体形态：空间形态呈双凸透镜状，与试样磨面相空间形态呈双凸透镜状，与试样磨面相交呈片状或针状。在光学显微留下，当转变量不多时，交呈片状或针状。在光学显微留下，当转变量不多时，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状，针与针之间呈一定角下贝氏体呈黑色针状或竹叶状，针与针之间呈一定角度，见图度，见图5-5。6.下贝氏体形核部位下贝氏体形核部位7.下贝氏体中铁素体的亚结构为位错下贝氏体中铁素体的亚结构为位错其位错密度比上贝氏体中铁素体的高。下贝氏体的铁其位错密度比上贝氏
10、体中铁素体的高。下贝氏体的铁素体内含有过饱和的碳，其固溶量比上贝氏体高，并素体内含有过饱和的碳，其固溶量比上贝氏体高，并随形成温度降低而增大。随形成温度降低而增大。在奥氏体晶界上在奥氏体晶界上奥氏体晶粒内部奥氏体晶粒内部1 1）形成温度：）形成温度：在在B B相变区的较低温度区内，约相变区的较低温度区内，约350350MsMs；2 2）形态特征：）形态特征：整体形态呈片状，整体形态呈片状，片状片状F F和其内部沉淀出和其内部沉淀出 粒状或短条状且沿着与铁素体长轴成粒状或短条状且沿着与铁素体长轴成55556565碳化碳化 物；物；3 3）转变温度越低，）转变温度越低，F F片越小，片越小，碳化物
11、也越细小；碳化物也越细小；归纳下贝氏体转变特征归纳下贝氏体转变特征（三）粒状贝氏体（三）粒状贝氏体（B粒粒）1.形成温度：形成温度：大致在上贝氏体转变温区的上半部。大致在上贝氏体转变温区的上半部。2.形形态态特特征征：较较粗粗大大的的F块块内内有有一一些些孤孤立立的的“小小岛岛”，形形态态多多样样，呈呈粒粒状状或或长长条条状状，很很不不规规则则（图图5-7、5-8）“小小岛岛”的的组成物，原先是富碳的组成物，原先是富碳的A区，转变后可能是：区，转变后可能是：FFe3C、MA、富富碳的碳的A。3.浮浮凸：凸：也可以在抛光表面引起针状浮凸。也可以在抛光表面引起针状浮凸。B上B下粒状贝氏体转粒状贝氏
12、体转变温度范围变温度范围粒状贝氏体粒状贝氏体1000 粒状贝氏体扫描粒状贝氏体扫描电镜形貌电镜形貌2500这些小岛在高温下原是富碳的奥氏体区，其后的转变可有这些小岛在高温下原是富碳的奥氏体区，其后的转变可有三种情况。三种情况。分解为铁素体和碳化物，形成珠光体；分解为铁素体和碳化物，形成珠光体；部分发生马氏体转变，成为部分发生马氏体转变，成为M-A;（最多见）（最多见）全部成为富碳的奥氏体全部保留下来。全部成为富碳的奥氏体全部保留下来。研究认为，研究认为，粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错，但其密粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错，但其密度不大。度不大。大多数结构钢，不管是连续冷却还是等温冷却，只要
13、冷大多数结构钢，不管是连续冷却还是等温冷却，只要冷却过程控制在一定温度范围内，都可以形成粒状贝氏体。却过程控制在一定温度范围内，都可以形成粒状贝氏体。B转变热力学及转变机制B转变特点：转变特点：1也也是是形形核核与与长长大大过过程程；B形形核核需需要要一一定定的的孕孕育育期期，转转变变的的领领先先相相是是F；B转转变变速速度度远远比比M慢；慢；2B形成时会产生表面浮凸；形成时会产生表面浮凸；3B转变有一上限温度转变有一上限温度Bs和下限温度和下限温度Bf；4B转转变变具具有有不不完完全全性性，随随转转变变温温度度升升高高，不不完全性愈强；完全性愈强；5B转转变变时时新新相相与与母母相相A间间存
14、存在在一一定定的的晶晶体体学学关系；关系；6转变过程中有转变过程中有C的扩散的扩散。B转变热力学转变热力学驱动力：驱动力：G-VGVSE如何考虑上式各项，和转变机制有关：如何考虑上式各项，和转变机制有关：i)如如果果认认为为转转变变是是共共析析转转变变的的一一种种特特殊殊形式，就应按形式，就应按P转变的热力学来考虑；转变的热力学来考虑；ii)如如认认为为转转变变是是M转转变变进进行行，则则应应按按M转变的热力学来考虑。转变的热力学来考虑。B B转变机制转变机制B转变包括转变包括B中中F的形成与的形成与K析出。析出。切变机制切变机制台阶机制台阶机制柯俊认为柯俊认为1）B转转变变的的热热力力学学条
15、条件件与与M相相似似，因因此此，相相变变驱驱动动力力GV必必须须足足以以补补偿偿表表面面能能、弹弹性性应应变变能以及塑性应变能等能量消耗的总和。能以及塑性应变能等能量消耗的总和。2）B转转变变又又与与M转转变变不不同同：A中中碳碳发发生生了了再再分分配配，使使B中中F的的碳碳含含量量降降低低，这这就就使使F的的自自由由能能显显著著降降低低，从从而而使使在在相相同同温温度度下下的的新新、母母相间自由能差增大。相间自由能差增大。3）B与与A之之间间比比容容差差小小，使使弹弹性性应应变变能能减减小小，而而且且也也使使周周围围奥奥氏氏体体的的协协作作形形变变能能减减小小。故故不不需需要要像像M转转变变
16、时时那那样样大大的的过过冷冷度度。所所以以Bs显著高于显著高于Ms。B转变的切变机制转变的切变机制由柯俊和由柯俊和Cottrell提出（最早发现有浮提出（最早发现有浮凸效应）凸效应）认为认为B转变的浮凸转变的浮凸与与M相似，由于相似，由于B转转变温度比变温度比M高，此时高，此时C尚有一定的扩散尚有一定的扩散能力，故当能力，故当B中中F在以在以切变共格方式长切变共格方式长大大的同时，还伴随的同时，还伴随着着C的扩散的扩散和和K从从F中中脱溶沉淀脱溶沉淀的过程的过程，故转变过程的速，故转变过程的速度受碳原子的扩散过程所控制，并且度受碳原子的扩散过程所控制，并且依温度不同依温度不同C自自F中脱溶可以
17、有以下几中脱溶可以有以下几种形式：种形式：1）温度较高时）温度较高时C在在F和和A中中都都有有相相当当的的扩扩散散能能力力，故故在在F片片成成长长的的过过程程中中可可不不断断通通过过F/A相相界界面面把把C充充分分地地扩扩散散到到奥奥氏氏体体中中去去，形形成成了了由由板板条状条状F组成的无组成的无K贝氏体。贝氏体。2）温度稍低时）温度稍低时C在在F中中仍仍可可扩扩散散，在在A中中扩扩散散不不能能充充分分进进行行，加加之之过过冷冷度度较较大大，相相变变驱驱动动力力增增大大，形形成成的的F量量较较多多，板板条条密密集集，通通过过F/A相相界界面面进进入入板板条条间间奥奥氏氏体体中中的的C就就不不能
18、能充充分分向向板板条条束束以以外外的的奥奥氏氏体体中中扩扩散散出出去去，于于是是便便在在板板条条间间以以粒粒状状或或片片状状的的K形形式式析析出出，结结果果得得到到呈呈羽羽毛毛状状的的上上贝贝氏氏体。体。3）当温度更低时当温度更低时C在在A和和F中中扩扩散散都都很很困困难难，C不不能能长长程程扩扩散散到到F/A相相界界面面，只只能能在在F片片中中短短程程扩扩散散，在在某某一一定定的的晶晶面面上上偏偏聚聚，并并以以K形形式式析析出出，得得到到在在片片状状F上上分分布布着着与与F长长轴轴呈呈一一定定交交角角、排排列成行的列成行的K复相组织。即下贝氏体。复相组织。即下贝氏体。切变机制不能解释的现象切
19、变机制不能解释的现象B转变的浮凸不同于转变的浮凸不同于M转变的浮凸转变的浮凸B中中F与与A的的位位相相关关系系不不同同于于M与与A的位相关系的位相关系透镜片状透镜片状B的的F中没有孪晶中没有孪晶B中中的的K的的分分布布与与回回火火M不不同同，B中中呈呈5560排排列列，M则则在在相相中中均均匀匀分布。分布。B B转变的台阶机制转变的台阶机制（AaronsonAaronson，LaairdLaaird等）等）认认为为B B浮浮凸凸与与M M转转变变的的浮浮凸凸不不同同，是是由由转转变变产产物物的的体体积积效效应应引引起起的的，而而非切变所致。非切变所致。B B是是非非片片层层的的共共析析反反应应
20、产产物物，B B转转变变同同P P转转变变机机理理相相同同，两两者者的的区区别别仅仅在于后者是片层状。在于后者是片层状。B B中中F F的的长长大大是是按按台台阶阶机机理理进进行行，并并受受C C的扩散控制的扩散控制。台阶的水平面为台阶的水平面为的半共格界面，界面两侧的的半共格界面，界面两侧的、有一定的位向关系；台阶的端面（垂面）为非共格面，有一定的位向关系；台阶的端面（垂面）为非共格面，其原子处于较高的能量状态，因此有较高的活动性，易其原子处于较高的能量状态，因此有较高的活动性，易于实现迁移，使台阶侧向移动，从而导致台阶宽面向前于实现迁移，使台阶侧向移动，从而导致台阶宽面向前推进。推进。B转
21、变动力学可以为弄清贝氏体转变机可以为弄清贝氏体转变机制提供线索，而且可以为制制提供线索，而且可以为制订与贝氏体转变有关的热处订与贝氏体转变有关的热处理工艺提供依据。理工艺提供依据。等温转变动力学曲线等温转变动力学曲线B可以可以等温等温形成，动力学曲线也呈形成，动力学曲线也呈S形（与形（与P同）；但转变不能进行到同）；但转变不能进行到底（与底（与P不同）。等温温度愈高，不同）。等温温度愈高，转变量愈少转变量愈少 等温转变动力学图等温转变动力学图特点：特点：1）也）也呈呈C形，（形，（与与P转变转变C曲线一样）曲线一样）2）有有B转转变变的的上上限限温温度度Bs点点（对对应应于于PA1点点，MMs
22、点），点），3）也也存存在在一一鼻鼻子子，Bs以以下下，随随温温度度的的降降低低，转转变速度先增后减。变速度先增后减。对对碳碳钢钢，P转转变变与与B转转变变的的C曲曲线线重重叠叠在在一一起起，故合并成一个故合并成一个C曲线。曲线。B转变的转变的C曲线实际由两个独立的曲线实际由两个独立的C曲线合并曲线合并而成的，即而成的，即B上上C曲线与曲线与B下下C曲线。说曲线。说明明B上与上与B下可能是通过两种不同机制形成的下可能是通过两种不同机制形成的 对对于于下下B转转变变，转转变变速速度度主主要要受受C扩扩散散所所控控制制，故故转转变变速速度度和和温温度度之之间间存存在在下下列列关关系系：v=v0ex
23、p(-Q/kT)Q-扩散激活能，扩散激活能，v0常数常数说明：说明：温度愈低，转变速度愈慢。温度愈低，转变速度愈慢。为为达达到到某某一一转转变变量量,所所需需的的时时间间与与温温度度T T之间关系：之间关系：0 0exp(Q/kT)exp(Q/kT)取对数得：取对数得：lglg=lg=lg0 0+Q/k(1/T)+Q/k(1/T)说说明明：所所需需时时间间的的对对数数与与温温度度的的倒倒数数成成正正比。比。形成B上和B下时激活能与C%关系上贝氏体下贝氏体影响影响B转变动力学的因素转变动力学的因素转变温度转变温度V=v0exp(-Q/kT)Q扩散激活能扩散激活能达到一定量所需时间达到一定量所需时
24、间 0exp(-Q/kT)lg=lg 0+(Q/k)(1/T)所需时间对数与温度倒数成正比所需时间对数与温度倒数成正比化学成份化学成份1）碳含量碳含量随随A中中C含含量量的的增增加加，B转转变变速速度度下下降降。因因为为C含含量量高高，形形成成B时时需需要要扩扩散散的的C原子量增加。原子量增加。2）合金元素（合金元素（Me)除除Al、Co外，外，Me都或多或少地降低都或多或少地降低B转变速度，同时使转变速度，同时使B转变的温度范围下转变的温度范围下降，从而使降，从而使P与与B的的C曲线分开。曲线分开。A晶粒大小与晶粒大小与A化温度化温度1）晶粒大小）晶粒大小随随A晶晶粒粒增增大大，B转转变变孕
25、孕育育期期增增长长，转转变变速速度度变变慢慢。这这表表明明A晶晶界界是是B形形核核的的优优先先部位。部位。2）A化温度和时间化温度和时间T升高升高,时间延长，时间延长，B转变速度先降后增转变速度先降后增应力应力拉应力加快拉应力加快B转变。转变。塑性变形塑性变形在较高温度的形变，在较高温度的形变，使使B转变变慢；转变变慢；在较低温度的形变，使在较低温度的形变，使B转变加快。转变加快。形变量：10%，27形变30%形变温度：21000C，3800C，4600C，5500C，6350C，7300C形变对B转变的影响冷却时在不同温度下的停留时间冷却时在不同温度下的停留时间曲曲线线1：在在P与与B转转变
26、变区区之之间间的的稳稳定定区区域域内内的的停停留留会会加加速速随随后后的的转转变变。因因为为析析出出了了K，降低了降低了A稳定性。稳定性。曲曲线线2：在在B形形成成温温度度区区域域的的高高温温区区停停留留，形形成成部部分分B上上后后再再冷冷至至低低温温区区，先先形形成成的的B会降低会降低B转变速度。转变速度。曲曲线线3：先先冷冷至至Ms以以下下形形成成少少量量M或或B下下再升至较高温度。可使再升至较高温度。可使B转变速度加快。转变速度加快。6 6贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能钢铁材料强化方式：细晶强化细晶强化：Hall-Petch关系式关系式 s=i+Kd-1/2第第二二相相强强化化：第第二
27、二相相质质点点与与位位错错的的交交互互作作用用可可以以使使合合金金强强度度提提高高，K的的颗颗粒粒直直径径愈愈小小，数数量量愈愈多多，对强度的贡献愈大。对强度的贡献愈大。位位错错强强化化：位位错错密密度度越越大大，强强化化效效果果越越高高。如如变变形强化就是利用位错强化。形强化就是利用位错强化。固固溶溶强强化化：溶溶质质原原子子溶溶入入基基体体晶晶格格中中形形成成过过饱饱和和固溶体。固溶体。B的强度和硬度的强度和硬度1B的的F条或片的粗细晶粒细化条或片的粗细晶粒细化B晶晶粒粒（板板条条）直直径径愈愈小小，强强度度愈愈高高。强强度决定于形成温度，温度愈低，强度愈高。度决定于形成温度，温度愈低，强
28、度愈高。2弥散弥散K质点质点B下下中中K颗颗粒粒小小，颗颗粒粒数数量量多多，对对B下下强强度度的贡献大；的贡献大；B上上中中K颗颗粒粒粗粗，且且分分布布在在F条条间间，分分布布极极不均匀，所以不均匀，所以B上的强度比上的强度比B下低得多。下低得多。3其其它它因因素素的的强强化化作作用用固固溶溶强强化化（程程度度低于低于M），），位错强化（亚结构）位错强化（亚结构）贝氏体的韧性贝氏体的韧性合金组织为单相时，韧性主要决定于晶合金组织为单相时，韧性主要决定于晶粒大小，当有第二相时，韧性还与第二粒大小，当有第二相时，韧性还与第二相大小，形状和数量有关。相大小，形状和数量有关。B上上韧性低于韧性低于B下
29、下。随着随着B形成温度的降低，强度的逐渐增加，形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加韧性并不降低，反而有所增加这是这是B组组织力学性能变化的重要特点。织力学性能变化的重要特点。一般：一般：B下强度较高，韧性也较好下强度较高，韧性也较好B上上强度低，韧性很差强度低，韧性很差变化趋势：随着变化趋势：随着B形成温度的降低，强形成温度的降低，强度和硬度提高，塑性和韧性也提高，度和硬度提高，塑性和韧性也提高，但但400C以下影响不大。以下影响不大。内内容容珠光体转变珠光体转变贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变温度范围温度范围高温高温中温中温低温低温转变上限温度转变上限温度A1BsMs领先相领先相渗碳体或铁素体渗碳体或铁素体铁素体铁素体形核部位形核部位奥氏体晶界奥氏体晶界上贝氏体在晶界上贝氏体在晶界下贝氏体大多在晶内下贝氏体大多在晶内在晶内在晶内转变时点阵切变转变时点阵切变无无有有有有碳原子扩散碳原子扩散有有有有基本上无基本上无铁及合金元素铁及合金元素原子的扩散原子的扩散有有无无无无等温转变的完全性等温转变的完全性完全完全视转变温度定视转变温度定不完全不完全转变产物转变产物a+Fe3Ca+Fe3C()a注：注：-碳化物的成分估算碳化物的成分估算Fe2.4C珠光体、贝氏体、马氏体转变的主要特征比较珠光体、贝氏体、马氏体转变的主要特征比较