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1、第五章 贝氏体转变l重点：贝氏体转变的基本特征；重点：贝氏体转变的基本特征；贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能l难点：贝氏体的形成过程；难点：贝氏体的形成过程；影响贝氏体转变的因素。影响贝氏体转变的因素。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，称为中温转变。在此温度范围内，铁原温度区间的一种转变，称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为铁素体子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为铁素体基体加渗碳体的非层状组织。基体加渗碳体的非层状组织。贝氏体常常具有优良的综合力学性
2、能，其强度和韧性都比贝氏体常常具有优良的综合力学性能，其强度和韧性都比较高。并具有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性，此外获得贝较高。并具有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性，此外获得贝氏体的等温淬火是一种防止和减小钢件钢件淬火开裂和变形的氏体的等温淬火是一种防止和减小钢件钢件淬火开裂和变形的可靠方法之一。可靠方法之一。一、贝氏体转变的基本特点一、贝氏体转变的基本特点l贝氏体转变的温度范围贝氏体转变的温度范围 贝氏体转变也有一个上限温度贝氏体转变也有一个上限温度Bs点，一个下限转变点，一个下限转变温度温度Bf点。奥氏体必须过冷到点。奥氏体必须过冷到Bs点以下才能发生贝点以下才能发生贝氏体相变；低于氏体
3、相变；低于Bf贝氏体转变结束。贝氏体转变结束。贝氏体相变也不能进行完全，总有残余奥氏体存在。贝氏体相变也不能进行完全，总有残余奥氏体存在。等温温度越靠近等温温度越靠近Bs点，能够形成的贝氏体量就越少。点，能够形成的贝氏体量就越少。l贝氏体相变的产物贝氏体相变的产物 贝氏体相变产物也是贝氏体相变产物也是a a相与碳化物的两相混相与碳化物的两相混合物，但与珠光体不同，贝氏体不是片层状组织，合物，但与珠光体不同，贝氏体不是片层状组织，且组织形态与形成温度密切相关。且组织形态与形成温度密切相关。碳化物的分布状态随形成温度不同而异：碳化物的分布状态随形成温度不同而异：l较高温度形成的上贝氏体，其碳化物是
4、渗碳体，较高温度形成的上贝氏体，其碳化物是渗碳体，一般分布在铁素体条之间；一般分布在铁素体条之间；l较低温度形成的下贝氏体，其碳化物既可以是渗较低温度形成的下贝氏体，其碳化物既可以是渗碳体，也可以是碳体，也可以是e-e-碳化物，主要分布在铁素体条碳化物，主要分布在铁素体条内部。内部。l贝氏体相变动力学贝氏体相变动力学 贝氏体相变也是一种形核和长大过程。与珠光贝氏体相变也是一种形核和长大过程。与珠光体相变一样，贝氏体可以在一定温度范围内等温形体相变一样，贝氏体可以在一定温度范围内等温形成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变。成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变。贝氏体等温形成时需要一定
5、的孕育期，其等温转变贝氏体等温形成时需要一定的孕育期，其等温转变动力学曲线也呈动力学曲线也呈“C”字形。字形。l贝氏体相变的扩散性贝氏体相变的扩散性 贝氏体相变时只有碳原子的扩散，而合金元素贝氏体相变时只有碳原子的扩散，而合金元素包括铁元素都不发生扩散，至少不发生较长距离的包括铁元素都不发生扩散，至少不发生较长距离的扩散。碳的扩散对贝氏体相变起控制作用，扩散。碳的扩散对贝氏体相变起控制作用，B上上的相的相变速度取决于碳在变速度取决于碳在g g-Fe中的扩散，中的扩散，B下下的相变速度取的相变速度取决于碳在决于碳在a a-Fe中的扩散。所以，影响碳原子扩散的中的扩散。所以，影响碳原子扩散的所有因
6、素都会影响到贝氏体的相变速度。所有因素都会影响到贝氏体的相变速度。一、贝氏体的组织形态和亚结构一、贝氏体的组织形态和亚结构 贝氏体组织形态随钢的化学成分以及形成温度不贝氏体组织形态随钢的化学成分以及形成温度不同而异，其主要形态为上贝氏体和下贝氏体两种，还同而异，其主要形态为上贝氏体和下贝氏体两种，还有一些其他形态的贝氏体，如无碳化物贝氏体、粒状有一些其他形态的贝氏体，如无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体和柱状贝氏体等。贝氏体、反常贝氏体和柱状贝氏体等。l上贝氏体上贝氏体 在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体。对于中、高碳钢来
7、说，上贝氏体大约在体。对于中、高碳钢来说，上贝氏体大约在350550的的温度区间形成。温度区间形成。典型的上贝氏体组织在光学显微镜下观察时呈羽毛状、条典型的上贝氏体组织在光学显微镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形。状或针状，少数呈椭圆形或矩形。光学显微镜照片光学显微镜照片 1300电子显微镜照片电子显微镜照片5000 条状铁素体多在奥氏体的晶界形核，自晶界的一条状铁素体多在奥氏体的晶界形核，自晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内长大。条状铁素体束与板条马侧或两侧向奥氏体晶内长大。条状铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向
8、差很小，束与束之间有较大的位向差。条状铁素体的碳含小，束与束之间有较大的位向差。条状铁素体的碳含量接近平衡浓度，而条间碳化物均为量接近平衡浓度，而条间碳化物均为Fe3C型碳化物。型碳化物。一般情况下，随钢中碳含量增加，一般情况下，随钢中碳含量增加，B上上中的铁素体中的铁素体条增多并变薄，条间条增多并变薄，条间Fe3C的数量增多，其形态也由粒的数量增多，其形态也由粒状变为链珠状、短杆状，直至断续条状。当碳含量达状变为链珠状、短杆状，直至断续条状。当碳含量达到共析浓度时，到共析浓度时，Fe3C不仅分布在铁素体条之间，而且不仅分布在铁素体条之间，而且也在铁素体条内沉淀，这种组织成为共析钢也在铁素体条
9、内沉淀，这种组织成为共析钢B上上。随相。随相变温度下降，变温度下降，B上上中的铁素体条变薄，中的铁素体条变薄，Fe3C细化且弥散细化且弥散度增大。度增大。B上上中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮凸。凸。B上上中铁素体的惯习面为中铁素体的惯习面为111g g，与奥氏体之间的，与奥氏体之间的位向关系为位向关系为K-S关系。碳化物的惯习面为关系。碳化物的惯习面为227g g，与，与奥氏体之间也存在一定的位向关系，因此一般认为碳奥氏体之间也存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从奥氏体中直接析出的。化物是从奥氏体中直接析出的。值得指出的是，在含有值得指出的是
10、，在含有Si或或Al的钢中，由于的钢中，由于Si和和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，因此很少沉淀或基本上不体为碳所富集而趋于稳定，因此很少沉淀或基本上不沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏体的体的B上上组织。组织。l下贝氏体下贝氏体 在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体。对于中、高碳钢，下贝氏体大约在体。对于中、高碳钢，下贝氏体大约在350Ms之间形成。之间形成。碳含量很低时，其形成温度
11、可能高于碳含量很低时，其形成温度可能高于350。典型的下贝氏体组织在光学显微镜下呈暗黑色针状或片状，典型的下贝氏体组织在光学显微镜下呈暗黑色针状或片状，而且各个片之间都有一定的交角，其立体形态为透镜状，而且各个片之间都有一定的交角，其立体形态为透镜状，与试样磨面相交而呈片状或针状。与试样磨面相交而呈片状或针状。光学显微镜照片光学显微镜照片 1300电子显微镜照片电子显微镜照片5000 下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶粒内部形核。在电镜下观察可以看出，在下贝氏体铁素体片中粒内部形核。在电镜下观察可以看出，在下贝氏体铁素体片中分布
12、着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以5560的角度与的角度与铁素体针长轴相交。通常，下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体铁素体针长轴相交。通常，下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体片的内部。片的内部。下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮凸，但其形下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮凸，但其形状与上贝氏体组织不同。上贝氏体表面浮凸大致平行，从奥状与上贝氏体组织不同。上贝氏体表面浮凸大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部延伸僻展；而下贝氏体的氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部延伸僻展；而下贝氏体的表面浮凸往往相交呈表面浮凸往往相交呈“”形，而且还有一些较小的浮凸在
13、形，而且还有一些较小的浮凸在先形成的较大浮凸的两侧形成。先形成的较大浮凸的两侧形成。下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝氏体铁素体的亚结构与板条马氏体与上贝氏体铁素体相似，氏体铁素体的亚结构与板条马氏体与上贝氏体铁素体相似，也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在。未发现有孪晶亚结构存在。下贝氏体中的碳化物也可以是渗碳体。但当温度下贝氏体中的碳化物也可以是渗碳体。但当温度较低时，初期形成较低时，初期形成e-e-碳化物，随时间延长，碳化物，随时间延长，
14、e-e-碳化物碳化物转变为转变为q-q-碳化物。由于下贝氏体中铁素体与碳化物。由于下贝氏体中铁素体与q-q-碳化物碳化物及及e-e-碳化物之间均存在一定的位向关系，因此一般认碳化物之间均存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从过饱和铁素体中析出的。为碳化物是从过饱和铁素体中析出的。l粒状贝氏体粒状贝氏体 低、中碳合金钢以一定速度冷却或在上贝氏体区高温范围低、中碳合金钢以一定速度冷却或在上贝氏体区高温范围内等温时可形成粒状贝氏体。如在正火、热轧空冷或焊缝内等温时可形成粒状贝氏体。如在正火、热轧空冷或焊缝热影响区组织中都可发现这种组织。热影响区组织中都可发现这种组织。粒状贝氏体在刚刚形成时，是由
15、块状铁素体和粒状（岛状）粒状贝氏体在刚刚形成时，是由块状铁素体和粒状（岛状）富碳奥氏体所组成的。富碳奥氏体可以分布在铁素体晶粒富碳奥氏体所组成的。富碳奥氏体可以分布在铁素体晶粒内部，也可以分布在铁素体晶界上。在光学显微镜下较难内部，也可以分布在铁素体晶界上。在光学显微镜下较难识别粒状贝氏体的组织形貌，在电镜下则可看出粒状（岛识别粒状贝氏体的组织形貌，在电镜下则可看出粒状（岛状）物大部分分布在铁素体之中，常常具有一定的方向性。状）物大部分分布在铁素体之中，常常具有一定的方向性。这种组织的基体是由条状铁素体合并而成的，铁素体的碳含这种组织的基体是由条状铁素体合并而成的，铁素体的碳含量很低，接近平衡
16、浓度，而富碳奥氏体区的碳含量则很高。铁素量很低，接近平衡浓度，而富碳奥氏体区的碳含量则很高。铁素体与富碳奥氏体区的合金元素含量与钢的平均含量相同，这表明体与富碳奥氏体区的合金元素含量与钢的平均含量相同，这表明在粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。在粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：l部分或全部分解为铁素体和碳化物的混合物；部分或全部分解为铁素体和碳化物的混合物；l部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪晶马
17、氏体，故岛状物是由晶马氏体，故岛状物是由“g+ag+a”所组成；所组成；l或全部保留下来，成为残余奥氏体。或全部保留下来，成为残余奥氏体。l无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体 无碳化物贝氏体一般形成于低碳钢中，是在贝氏体相变区无碳化物贝氏体一般形成于低碳钢中，是在贝氏体相变区最高温度范围内形成的。无碳化物贝氏体由大致平行的单最高温度范围内形成的。无碳化物贝氏体由大致平行的单相条状铁素体所组成，所以也称为铁素体贝氏体或无碳贝相条状铁素体所组成，所以也称为铁素体贝氏体或无碳贝氏体。条状铁素体之间有一定的距离，条间一般为富碳奥氏体。条状铁素体之间有一定的距离，条间一般为富碳奥氏体转变而成的马氏体，有时是富
18、碳奥氏体的分解产物或氏体转变而成的马氏体，有时是富碳奥氏体的分解产物或者全部是未转变的残余奥氏体。可见，钢中通常不能形成者全部是未转变的残余奥氏体。可见，钢中通常不能形成单一的无碳化物贝氏体，而是形成与其他组织共存的混合单一的无碳化物贝氏体，而是形成与其他组织共存的混合组织。组织。l反常贝氏体反常贝氏体 反常贝氏体产生于过共析钢中。这种钢在反常贝氏体产生于过共析钢中。这种钢在Bs点以上因有先点以上因有先共析渗碳体的析出而使周围奥氏体的碳含量降低，这样便共析渗碳体的析出而使周围奥氏体的碳含量降低，这样便促使在促使在Bs点以下形成由碳化物与铁素体组成的上贝氏体。点以下形成由碳化物与铁素体组成的上贝
19、氏体。由于这种贝氏体是以渗碳体领先形核，和一般贝氏体以铁由于这种贝氏体是以渗碳体领先形核，和一般贝氏体以铁素体领先形核相反，故称为反常贝氏体。素体领先形核相反，故称为反常贝氏体。二、贝氏体转变的特点和晶体学二、贝氏体转变的特点和晶体学 由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因而由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因而使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点：使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点：l贝氏体转变也是一个形核和长大的过程，其领先相一般是铁素贝氏体转变也是一个形核和长大的过程，其领先相一般是铁素体（除反常贝氏体外），贝氏体转变速度远比马氏体转变慢；体（除反常贝
20、氏体外），贝氏体转变速度远比马氏体转变慢；l贝氏体形成时会产生表面浮凸；贝氏体形成时会产生表面浮凸；l贝氏体转变有一个上限温度（贝氏体转变有一个上限温度（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下限温度（贝氏体转变也有一个下限温度（Bf），到达此温度则转变终止；），到达此温度则转变终止；l贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至Bf温度，贝氏体转变也温度，贝氏体转变也不能进行完全；随转变温度升高，转变的不完全性愈甚；不能进行完全；随转变温度升高，转变的不完全性愈甚；l贝氏体转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向关系。贝氏体转变
21、时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向关系。l贝氏体形成时，在预先抛光的试样表面上形成浮凸，说明贝氏体形成时，在预先抛光的试样表面上形成浮凸，说明贝氏体转变时，铁素体是通过切变机制完成的。在转变过贝氏体转变时，铁素体是通过切变机制完成的。在转变过程中，贝氏体中的铁素体和奥氏体保持共格联系，并且贝程中，贝氏体中的铁素体和奥氏体保持共格联系，并且贝氏体的铁素体是在奥氏体的一定晶面（惯习面）上以共格氏体的铁素体是在奥氏体的一定晶面（惯习面）上以共格切变方式形成。上贝氏体的惯习面为切变方式形成。上贝氏体的惯习面为111g g，下贝氏体的，下贝氏体的惯习面一般为惯习面一般为225g g。同时，贝氏体转
22、变过程中铁素体与。同时，贝氏体转变过程中铁素体与母相奥氏体之间保持严格的晶体学位向关系。上、下贝氏母相奥氏体之间保持严格的晶体学位向关系。上、下贝氏体与奥氏体之间的晶体学位向存在体与奥氏体之间的晶体学位向存在K-S关系。关系。l此外，上、下贝氏体中渗碳体与母相奥氏体、渗碳体与铁此外，上、下贝氏体中渗碳体与母相奥氏体、渗碳体与铁素体之间也存在一定的位向关系。素体之间也存在一定的位向关系。贝氏体中碳化物析出源问题贝氏体中碳化物析出源问题l贝氏体中铁素体贝氏体中铁素体碳化物、奥氏体碳化物、奥氏体碳化物间的晶体学关系往碳化物间的晶体学关系往往被用来作为判定碳化物究竟是由贝氏体铁素体中析出，还是往被用来
23、作为判定碳化物究竟是由贝氏体铁素体中析出，还是由奥氏体中析出的重要依据。由奥氏体中析出的重要依据。l一般认为上贝氏体中的碳化物为渗碳体，而下贝氏体中的碳化一般认为上贝氏体中的碳化物为渗碳体，而下贝氏体中的碳化物则取决于钢的成分、形成温度以及持续时间。硅含量高时，物则取决于钢的成分、形成温度以及持续时间。硅含量高时，下贝氏体中的碳化物为下贝氏体中的碳化物为e e碳化物。其它钢的下贝氏体中的碳化物碳化物。其它钢的下贝氏体中的碳化物多为两者的混合物。温度越低，持续时间越短，出现多为两者的混合物。温度越低，持续时间越短，出现e e碳化物的碳化物的可能性越大。可能性越大。l上贝氏体中碳化物是由奥氏体中直
24、接析出（上贝氏体中碳化物是由奥氏体中直接析出（Pitsch关系为证据），关系为证据），下贝氏体中碳化物析出源目前还不确定，观察结果比较分散。下贝氏体中碳化物析出源目前还不确定，观察结果比较分散。三、贝氏体转变过程及其热力学分析三、贝氏体转变过程及其热力学分析（一）贝氏体转变过程（一）贝氏体转变过程l贝氏体转变的两个基本过程贝氏体转变的两个基本过程 典型的上、下贝氏体是由铁素体和碳化物组成的复相组织，典型的上、下贝氏体是由铁素体和碳化物组成的复相组织，因此贝氏体转变应当包含铁素体的成长和碳化物的析出两因此贝氏体转变应当包含铁素体的成长和碳化物的析出两个基本过程。个基本过程。l奥氏体中碳的再分配奥
25、氏体中碳的再分配 贝氏体中的铁素体是低碳相，而碳化物是高碳相，当贝氏贝氏体中的铁素体是低碳相，而碳化物是高碳相，当贝氏体转变时，为了使领先相得以形核，在过冷奥氏体中必须体转变时，为了使领先相得以形核，在过冷奥氏体中必须通过碳原子的扩散来实现其重新分布，形成富碳区和贫碳通过碳原子的扩散来实现其重新分布，形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必须的浓度条件。区，以满足新相形核时所必须的浓度条件。l贝氏体铁素体的形成及其碳含量贝氏体铁素体的形成及其碳含量 在过冷奥氏体的贫碳区贝氏体的形成机理有两种观点：在过冷奥氏体的贫碳区贝氏体的形成机理有两种观点：l柯俊等人认为贝氏体铁素体是按切变方式形成；柯俊等
26、人认为贝氏体铁素体是按切变方式形成；lAaronson等人认为是按台阶机理形成。等人认为是按台阶机理形成。l碳化物相的成分和类型碳化物相的成分和类型 贝氏体中的碳化物相可能是渗碳体或贝氏体中的碳化物相可能是渗碳体或e e-碳化物（取决于钢碳化物（取决于钢的成分及转变的温度和持续时间）。由于在贝氏体转变时的成分及转变的温度和持续时间）。由于在贝氏体转变时合金元素不发生重新分布，所以碳化物中的合金元素含量合金元素不发生重新分布，所以碳化物中的合金元素含量总是大致等于钢中合金元素的平均含量。总是大致等于钢中合金元素的平均含量。（二）贝氏体转变的热力学分析（二）贝氏体转变的热力学分析l贝氏体转变的驱动
27、力贝氏体转变的驱动力l贝氏体转变的热力学条件与马氏体转变相似。相变的驱动力（新相与母贝氏体转变的热力学条件与马氏体转变相似。相变的驱动力（新相与母相之间的自由能差）必须足以补偿表面能、弹性应变能以及塑性应变能相之间的自由能差）必须足以补偿表面能、弹性应变能以及塑性应变能等相变阻力。等相变阻力。贝氏体转变时，奥氏体中碳发生了再分配，使贝贝氏体转变时，奥氏体中碳发生了再分配，使贝氏体铁素体中碳含量降低，这就使铁素体的自由氏体铁素体中碳含量降低，这就使铁素体的自由能降低，从而使在相同温度下的新相与母相自由能降低，从而使在相同温度下的新相与母相自由能差增加。同时，贝氏体与奥氏体间比容差小，能差增加。同
28、时，贝氏体与奥氏体间比容差小，使弹性应变能减少，而且也使周围奥氏体的协作使弹性应变能减少，而且也使周围奥氏体的协作形变能减小。这样，就不需要像马氏体转变时那形变能减小。这样，就不需要像马氏体转变时那样大的过冷条件下就有可能满足相变的热力学条样大的过冷条件下就有可能满足相变的热力学条件。件。lBs点及其与钢成分的关系点及其与钢成分的关系lBs点是表示奥氏体和贝氏体间自由能差达到相变所需的最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，其反应了贝氏体转变得以进行小化学驱动力值时的温度，其反应了贝氏体转变得以进行所需要的最小过冷度。所需要的最小过冷度。Bs点与钢中碳含量的关
29、系可见教材图点与钢中碳含量的关系可见教材图5-13。四、贝氏体转变机理概述四、贝氏体转变机理概述l贝氏体转变包括贝氏体铁素体的生长和碳化物的析出两个贝氏体转变包括贝氏体铁素体的生长和碳化物的析出两个基本过程。目前，贝氏体铁素体的生长与碳化物的析出源基本过程。目前，贝氏体铁素体的生长与碳化物的析出源问题仍有争论。问题仍有争论。l铁素体的生长机理主要有切变机理和台阶机理两大学派。铁素体的生长机理主要有切变机理和台阶机理两大学派。（一）切变机理（一）切变机理l柯俊和柯俊和Cottrell最先发现贝氏体转变过程中有浮凸效应，据此最先发现贝氏体转变过程中有浮凸效应，据此认为贝氏体转变与马氏体转变相似。认
30、为贝氏体转变与马氏体转变相似。l不同是贝氏体转变温度较高，碳原子尚有一定的扩散能力，不同是贝氏体转变温度较高，碳原子尚有一定的扩散能力，因而当贝氏体中铁素体在以切变共格的方式长大的同时，还因而当贝氏体中铁素体在以切变共格的方式长大的同时，还伴随着碳原子的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程。伴随着碳原子的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程。由于形成温度以及奥氏体的碳含量不同，贝氏体相变过程由于形成温度以及奥氏体的碳含量不同，贝氏体相变过程将按照不同的方式进行，从而形成不同形态的贝氏体组织，将按照不同的方式进行，从而形成不同形态的贝氏体组织，其形成过程示意图如下：其形成过程示意图如下：l当温度
31、较高时，碳原子在铁素体和奥氏体中都有相当的扩散能当温度较高时，碳原子在铁素体和奥氏体中都有相当的扩散能力，故在铁素体片成长的过程中可不断通过铁素体力，故在铁素体片成长的过程中可不断通过铁素体奥氏体相奥氏体相界面把碳原子充分地扩散到奥氏体中去，这样就形成了由板条界面把碳原子充分地扩散到奥氏体中去，这样就形成了由板条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。由于相变驱动力小，不足以状铁素体组成的无碳化物贝氏体。由于相变驱动力小，不足以补偿在更多的新相形成时所需消耗的界面能和各种应变能，因补偿在更多的新相形成时所需消耗的界面能和各种应变能，因而形成的贝氏体铁素体较少，铁素体板条较宽。而形成的贝氏体铁素体较少，铁
32、素体板条较宽。l当温度稍低时，碳原子在铁素体中仍可以顺利的进行扩散，但在奥氏体中的当温度稍低时，碳原子在铁素体中仍可以顺利的进行扩散，但在奥氏体中的扩散不能充分进行，加之过冷度较大，相变驱动力增大，形成的贝氏体铁素扩散不能充分进行，加之过冷度较大，相变驱动力增大，形成的贝氏体铁素体量较多，板条较为密集，这样通过铁素体体量较多，板条较为密集，这样通过铁素体奥氏体相界面进入板条间奥氏奥氏体相界面进入板条间奥氏体中的碳原子就不能充分向板条束以外的奥氏体中扩散，于是便在铁素体板体中的碳原子就不能充分向板条束以外的奥氏体中扩散，于是便在铁素体板条间以粒状或条状的碳化物形式析出，结果得到羽毛状的上贝氏体。
33、转变温条间以粒状或条状的碳化物形式析出，结果得到羽毛状的上贝氏体。转变温度越低，形成的贝氏体量越多，而且板条也越窄，上贝氏体中的碳化物也变度越低，形成的贝氏体量越多，而且板条也越窄，上贝氏体中的碳化物也变的细小。的细小。l当温度较低时，碳在奥氏体中扩散极困难，在铁素体中扩散也受到相当当温度较低时，碳在奥氏体中扩散极困难，在铁素体中扩散也受到相当限制，以致碳原子不能长程扩散到铁素体限制，以致碳原子不能长程扩散到铁素体奥氏体相界面，而只能在铁奥氏体相界面，而只能在铁素体片中短程扩散，而在某一晶面上偏聚，进而以碳化物的形式析出，素体片中短程扩散，而在某一晶面上偏聚，进而以碳化物的形式析出，从而得到在
34、片状铁素体上分布着与铁素体长轴呈一定交角（从而得到在片状铁素体上分布着与铁素体长轴呈一定交角（5560）、）、排列成行的碳化物复相组织，即下贝氏体。转变温度越低，碳化物弥散排列成行的碳化物复相组织，即下贝氏体。转变温度越低，碳化物弥散沉淀的弥散度变越大，且铁素体中碳的过饱和度也越高。沉淀的弥散度变越大，且铁素体中碳的过饱和度也越高。在某些低合金钢中，当过冷奥氏体在低于在某些低合金钢中，当过冷奥氏体在低于Bs温度（稍高于典型上温度（稍高于典型上贝氏体形成温度）时，先发生碳的再分配，接着在奥氏体的贫碳贝氏体形成温度）时，先发生碳的再分配，接着在奥氏体的贫碳区开始形成许多彼此大体上平行的铁素体，碳原
35、子从铁素体中通区开始形成许多彼此大体上平行的铁素体，碳原子从铁素体中通过与奥氏体的相界面不断向奥氏体中扩散，此时铁素体板条不仅过与奥氏体的相界面不断向奥氏体中扩散，此时铁素体板条不仅纵向长大，而且也侧向长大。但由于奥氏体中本来就存在着碳的纵向长大，而且也侧向长大。但由于奥氏体中本来就存在着碳的偏聚，所以铁素体偏聚，所以铁素体奥氏体相界面的推进速度对各部位来说将不奥氏体相界面的推进速度对各部位来说将不会完全一致，其向富碳奥氏体区推进速度要小于向贫碳区推进的会完全一致，其向富碳奥氏体区推进速度要小于向贫碳区推进的速度，于是铁素体速度，于是铁素体奥氏体相界面出现了凹凸不平，造成铁素体奥氏体相界面出现
36、了凹凸不平，造成铁素体的不均匀长大。随着时间的延续，铁素体板条进一步长大，并彼的不均匀长大。随着时间的延续，铁素体板条进一步长大，并彼此靠拢，最终将这些富碳的奥氏体区包围在其中。此靠拢，最终将这些富碳的奥氏体区包围在其中。切变共格理论解释了很多贝氏体转变现象，但无法解释为切变共格理论解释了很多贝氏体转变现象，但无法解释为何上、下贝氏体都有各自独立的转变动力学曲线和不同的何上、下贝氏体都有各自独立的转变动力学曲线和不同的转变激活能等现象。转变激活能等现象。上、下贝氏体铁素体的成长模型不同是主要原因。上、下贝氏体铁素体的成长模型不同是主要原因。l由由Aaronson提出，认为贝氏体转变的表面浮凸现
37、象是由于提出，认为贝氏体转变的表面浮凸现象是由于转变产物的体积变化造成的，而并非切变所致。贝氏体是转变产物的体积变化造成的，而并非切变所致。贝氏体是非片层的共析反应产物，贝氏体的转变同珠光体转变机理非片层的共析反应产物，贝氏体的转变同珠光体转变机理相同，区别在于后者为片层状。提出贝氏体铁素体的长大相同，区别在于后者为片层状。提出贝氏体铁素体的长大是按台阶机理进行，并受碳原子的扩散所控制。是按台阶机理进行，并受碳原子的扩散所控制。（二）台阶机理（二）台阶机理五、贝氏体转变的动力学五、贝氏体转变的动力学与珠光体一样，贝氏体也可以等温形成，其等温转变与珠光体一样，贝氏体也可以等温形成，其等温转变动力
38、学图也呈动力学图也呈“C”字形，在字形，在C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”温度，温度，贝氏体相变的孕育期和转变时间最短。贝氏体相变的孕育期和转变时间最短。有些钢中，贝氏体等温转变动力学图与珠光体等温转变动有些钢中，贝氏体等温转变动力学图与珠光体等温转变动力学图部分重叠，整个过冷奥氏体等温转变图只呈现一个力学图部分重叠，整个过冷奥氏体等温转变图只呈现一个“鼻尖鼻尖”。此时，在一定温度区域内，过冷奥氏体具有混。此时，在一定温度区域内，过冷奥氏体具有混合相变的特征。如在较低温度等温时，先形成一部分贝氏合相变的特征。如在较低温度等温时，先形成一部分贝氏体，随后再发生珠光体转变，在较高温度等温时，可先形体，随
39、后再发生珠光体转变，在较高温度等温时，可先形成一部分珠光体，接着再发生贝氏体相变。成一部分珠光体，接着再发生贝氏体相变。影响贝氏体转变动力学的因素影响贝氏体转变动力学的因素l化学成分的影响化学成分的影响 随着钢中碳含量的上升贝氏体相变速度下降，等温转变随着钢中碳含量的上升贝氏体相变速度下降，等温转变C曲线右移，而且曲线右移，而且“鼻尖鼻尖”温度下降。这是因为，碳含量上温度下降。这是因为，碳含量上升，形成贝氏体时所需要扩散的碳的数量上升。升，形成贝氏体时所需要扩散的碳的数量上升。钢的常用合金元素中，除了钢的常用合金元素中，除了Co和和Al加速贝氏体相变速度外，加速贝氏体相变速度外，其他合金元素如
40、其他合金元素如Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、W、Si、V以及少量以及少量贝氏体都延缓贝氏体的形成，同时也使贝氏体相变温度范围下贝氏体都延缓贝氏体的形成，同时也使贝氏体相变温度范围下降，其中降，其中Mn、Cr、Ni的影响最为显著。钢中同时加入多种合的影响最为显著。钢中同时加入多种合金元素，其相互影响比较复杂。金元素，其相互影响比较复杂。l合金元素影响碳在奥氏体和铁素体中的扩散速度；合金元素影响碳在奥氏体和铁素体中的扩散速度；l合金元素影响到在一定温度下的相间自由能差，从而影响合金元素影响到在一定温度下的相间自由能差，从而影响Bs点点和在和在Bs点以下给定温度的相变驱动力，对于稳定奥氏体的元素点以
41、下给定温度的相变驱动力，对于稳定奥氏体的元素如镍、锰、碳等而言，均使如镍、锰、碳等而言，均使Bs点降低，并减缓贝氏体的转变速点降低，并减缓贝氏体的转变速度；度；l形成强碳化物的元素如铬、钼、钨、钒等，由于与碳原子的亲形成强碳化物的元素如铬、钼、钨、钒等，由于与碳原子的亲和力较大而在奥氏体中形成某种和力较大而在奥氏体中形成某种“原子集团原子集团”，使共格相界，使共格相界面移动困难，从而减缓贝氏体的转变速度。面移动困难，从而减缓贝氏体的转变速度。l奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度 一般认为，奥氏体晶粒大小对贝氏体转变速度影响较小。一般认为，奥氏体晶粒大小对贝氏体转变速度影响
42、较小。提高奥氏体化温度，使奥氏体成分更加均匀，延缓了碳的提高奥氏体化温度，使奥氏体成分更加均匀，延缓了碳的再分配过程，使贝氏体转变孕育期增长，转变速度减慢。再分配过程，使贝氏体转变孕育期增长，转变速度减慢。l应力和塑性变形应力和塑性变形l通常拉应力能促使贝氏体转变加速。奥氏体在一定的应力通常拉应力能促使贝氏体转变加速。奥氏体在一定的应力时会显著促进贝氏体形核和加速碳原子的扩散。时会显著促进贝氏体形核和加速碳原子的扩散。l在高温（在高温（8001000）稳定的奥氏体区进行塑性形变，将）稳定的奥氏体区进行塑性形变，将使随后贝氏体转变的孕育期增长，转变速度减缓，转变不使随后贝氏体转变的孕育期增长，转
43、变速度减缓，转变不完全程度增大；而在低于完全程度增大；而在低于Bs温度（一般为温度（一般为450）的介稳）的介稳奥氏体区进行塑性变形时，结果相反。奥氏体区进行塑性变形时，结果相反。l奥氏体冷却过程中在不同温度停留奥氏体冷却过程中在不同温度停留l在珠光体在珠光体贝氏体区间的亚稳区停留将加速贝氏体的形成；贝氏体区间的亚稳区停留将加速贝氏体的形成；l在贝氏体区上部停留，使奥氏体部分地发生转变，将减缓随在贝氏体区上部停留，使奥氏体部分地发生转变，将减缓随后在更低温度的贝氏体转变；后在更低温度的贝氏体转变；l在贝氏体区下部或马氏体区停留，使奥氏体部分地发生转变，在贝氏体区下部或马氏体区停留，使奥氏体部分
44、地发生转变，将使随后在更高温度的贝氏体转变加速。将使随后在更高温度的贝氏体转变加速。六、贝氏体的机械性能六、贝氏体的机械性能l贝氏体中铁素体的影响贝氏体中铁素体的影响 贝氏体中铁素体的晶粒（或亚晶粒）越细小，贝氏体的强贝氏体中铁素体的晶粒（或亚晶粒）越细小，贝氏体的强度就越高，而且韧性有时还有所提高。贝氏体中铁素体的度就越高，而且韧性有时还有所提高。贝氏体中铁素体的晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒大小（影响铁素体条的长晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒大小（影响铁素体条的长度）和形成温度（影响铁素体条的厚度），但以后者为主。度）和形成温度（影响铁素体条的厚度），但以后者为主。贝氏体形成温度越低，贝氏体中
45、铁素体晶粒的整体尺寸就贝氏体形成温度越低，贝氏体中铁素体晶粒的整体尺寸就越小，贝氏体的强度和硬度就越高。越小，贝氏体的强度和硬度就越高。影响贝氏体力学性能的主要因素影响贝氏体力学性能的主要因素 贝氏体铁素体往往较平衡状态铁素体的碳含量稍高，但一般贝氏体铁素体往往较平衡状态铁素体的碳含量稍高，但一般0.25%。贝氏体铁素体的过饱和度主要受形成温度的影响，形。贝氏体铁素体的过饱和度主要受形成温度的影响，形成温度越低，碳的过饱和度就越大，其强度和硬度上升，但韧性成温度越低，碳的过饱和度就越大，其强度和硬度上升，但韧性和塑性降低较少。和塑性降低较少。贝氏体铁素体的亚结构主要是缠结位错。随相变温度下降，
46、贝氏体铁素体的亚结构主要是缠结位错。随相变温度下降，位错密度上升，强度和韧性上升。随贝氏体铁素体的亚结构尺寸位错密度上升，强度和韧性上升。随贝氏体铁素体的亚结构尺寸减小，强度和韧性也上升。减小，强度和韧性也上升。l贝氏体中渗碳体的影响贝氏体中渗碳体的影响 根据弥散强化机理，碳化物颗粒尺寸越细小，数量越多，对根据弥散强化机理，碳化物颗粒尺寸越细小，数量越多，对强度的贡献就越大。在渗碳体尺寸相同情况下，贝氏体中渗强度的贡献就越大。在渗碳体尺寸相同情况下，贝氏体中渗碳体数量上升，则硬度和强度上升，韧性和塑性下降。碳体数量上升，则硬度和强度上升，韧性和塑性下降。渗碳体的数量主要取决于钢中的碳含量。贝氏
47、体中渗碳体渗碳体的数量主要取决于钢中的碳含量。贝氏体中渗碳体可以是片状、粒状、断续杆状或层状。一般来说，渗碳体为粒状可以是片状、粒状、断续杆状或层状。一般来说，渗碳体为粒状时贝氏体的韧性较高，为细小片层状时其强度较高，为断续杆状时贝氏体的韧性较高，为细小片层状时其强度较高，为断续杆状或层状时其脆性较大。或层状时其脆性较大。通常，渗碳体等向均匀弥散分布时，强度较高，韧性较好。通常，渗碳体等向均匀弥散分布时，强度较高，韧性较好。在在B上上中渗碳体易定向不均与分布，且颗粒较粗大，而在中渗碳体易定向不均与分布，且颗粒较粗大，而在B下下中渗中渗碳体分布较为均匀，且颗粒较细小，所以碳体分布较为均匀，且颗粒
48、较细小，所以B上上的强度和韧性要比的强度和韧性要比B下下低很多。低很多。l其他因素的影响其他因素的影响 由于奥氏体化温度不同，引起奥氏体的化学成分及其晶粒度由于奥氏体化温度不同，引起奥氏体的化学成分及其晶粒度发生变化，也会影响贝氏体性能。另外，由于贝氏体相变的发生变化，也会影响贝氏体性能。另外，由于贝氏体相变的不完全性，导致贝氏体铁素体条间出现残余奥氏体、珠光体不完全性，导致贝氏体铁素体条间出现残余奥氏体、珠光体以及马氏体等非贝氏体组织，也会影响贝氏体的性能。以及马氏体等非贝氏体组织，也会影响贝氏体的性能。七、魏氏组织七、魏氏组织 魏氏组织是先共析相的一种特殊形态。又称魏氏组织魏氏组织是先共析
49、相的一种特殊形态。又称魏氏组织(Widmanstatten Structure)。通常指先共析铁素体或渗碳体。通常指先共析铁素体或渗碳体加珠光体的组织。呈片状或针状。对亚共析钢，魏氏体呈加珠光体的组织。呈片状或针状。对亚共析钢，魏氏体呈片状、羽毛状、三角形或几种形态混合的铁素体构成，对片状、羽毛状、三角形或几种形态混合的铁素体构成，对过共析钢，魏氏体呈针状或杆状的渗碳体组成。一般低、过共析钢，魏氏体呈针状或杆状的渗碳体组成。一般低、中碳钢，当冷却速度适当时，都可能产生魏氏体。钢中出中碳钢，当冷却速度适当时，都可能产生魏氏体。钢中出现魏氏体会引起钢的强度、韧性与塑性的降低，使韧脆转现魏氏体会引起
50、钢的强度、韧性与塑性的降低，使韧脆转化温度升高。常采用退火或正火的方法细化晶粒，消除魏化温度升高。常采用退火或正火的方法细化晶粒，消除魏氏体。氏体。低碳钢中典型的魏氏体组织金相照片低碳钢中典型的魏氏体组织金相照片魏氏体组织魏氏体组织 500 500魏氏铁素体组织基本特征：魏氏铁素体组织基本特征：l魏氏铁素体形成时产生表面浮凸；魏氏铁素体形成时产生表面浮凸；l魏氏铁素体沿母相奥氏体中一定的晶面（惯习面）析出，魏氏铁素体沿母相奥氏体中一定的晶面（惯习面）析出，惯习面为惯习面为111，并与奥氏体之间存在一定的晶体学取向，并与奥氏体之间存在一定的晶体学取向关系（关系（K-S关系）；关系）；l魏氏铁素体