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，但當轉(zhuǎn)變不完全時有殘余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散型相變，碳原子的擴散速度控制著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、組織形態(tài)和力學性能§5.1.1貝氏體相變的特點（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點和下限溫度Bf

點，碳鋼的BS點約為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，當貝氏體形成溫度較高時，也可能形成不含碳化物的無碳化物貝氏體。通過形核與長大進行，等溫轉(zhuǎn)變動力學圖是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)變動力學圖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，故有碳原子的擴散，但鐵和合金元素原子不擴散。相變速度取決于碳原子的擴散速度（5）擴散性（6）晶體學特征貝氏體形成時，有表面浮凸，鐵素體按切變共格方式長大，位向關(guān)系和慣習面接近于馬氏體。上貝氏體慣習面為，下貝氏體的慣習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

擴散性鐵與碳可擴散碳可擴散，鐵不能擴散無擴散領(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)合金元素擴散不擴散不擴散表5-1珠光體、馬氏體、貝氏體轉(zhuǎn)變特點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。§5.1.2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。與A的位向關(guān)系為K-S關(guān)系，慣習面為{111}A。碳化物慣習面為{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)殒溨闋睢⒍虠U狀、直至斷續(xù)條狀。當達到共析濃度時，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中碳含量遠遠高于平衡碳含量，亞結(jié)構(gòu)為纏結(jié)位錯，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,慣習面有{110}f,{254}f,{569}f等。片狀馬氏體下貝氏體B

準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、準上貝氏體、上貝氏體；以下貝氏體為代表：柱狀貝氏體、準下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。貝氏體相變的驅(qū)動力也是化學自由能差。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條件、相變機理§5.2.1貝氏體相變的熱力學條件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，這些都會促進BF的進一步長大。影響貝氏體相變驅(qū)動力的因素：＋Ed§5.2.2貝氏體相變的機理(一)貝氏體相變機理的學術(shù)爭論共識:

鐵素體形成是馬氏體型相變,并伴隨有碳原子的擴散.

為什么在Ms點以上會有馬氏體相變發(fā)生?

切變學派(恩金貝氏體相變假說)

擴散學派(柯俊貝氏體相變假說)切變學派(恩金貝氏體相變假說)主要論點：1）B組織與無擴散的M相似，BF實質(zhì)上是低碳M；2）B相變浮凸現(xiàn)象與M相似；3）在晶體學位向關(guān)系上，B與M相似；4）B相變在動力學上類似于等溫M；5）B轉(zhuǎn)變也有不完全現(xiàn)象；轉(zhuǎn)變機制：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+碳原子擴散為什么在Ms點以上會發(fā)生馬氏體型相變？馬氏體相變開始點Ms隨碳濃度增加而下降！切變學派解釋了貝氏體的形成，Bs點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。擴散學派(柯俊貝氏體相變假說)主要論點：1）在B寬面上存在巨型臺階，以及B長大界面為非共格界面，說明B可能是按擴散臺階機制長大；2）B的表面浮凸不同與M，擴散臺階機制也可以形成表面浮凸現(xiàn)象；3）在晶體學關(guān)系上，B的慣習面與同一合金的M不同；4）對Fe-C合金系，B轉(zhuǎn)變驅(qū)動力的計算，在熱力學上B不可能以切變方式形成；5）熱力學計算表明，在B相變時不能形成富碳區(qū)。轉(zhuǎn)變機制：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！擴散學派認為:貝氏體相變是α相的不斷長大和碳從α相中不斷脫溶兩個過程同時發(fā)生;貝氏體相變?yōu)橛袛U散(碳原子)和有共格的相變;貝氏體相變的主要驅(qū)動力是因碳脫溶而增加的化學自由能;

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點以上溫度α相可以通過馬氏體型相變機制形成;(2)按馬氏體型相變機制形成的貝氏體長大速度遠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，BF在奧氏體晶界形核（上B）；

較低溫度時(下B)，BF大多在奧氏體晶粒內(nèi)形核?！?.2.2貝氏體相變的機理（一）貝氏體相變機理概述

BF以共格切變方式長大，但長大速度緩慢，這是因為受碳原子向周圍奧氏體的擴散所控制。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，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中擴散，直至達到平衡濃度。圖5-10無碳化物貝氏體形成機理示意圖圖5-10無碳化物貝氏體形成機理示意圖(3)通過相界面進入A的碳能很快向遠離界面處擴散，不至于在界面附近產(chǎn)生積聚，從而不會從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上貝氏體的形成機理示意圖(2)碳原子越過BF/A相界面向A中擴散。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機理示意圖(3)轉(zhuǎn)變溫度降低，進入相界面附近A中的碳原子已不能向遠處擴散，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，當碳濃度升高一定程度時，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充，這些滲碳體呈不連續(xù)的。Fe3C圖5-11上貝氏體的形成機理示意圖上貝氏體的轉(zhuǎn)變速度受碳在奧氏體中的擴散所控制。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化。低溫范圍轉(zhuǎn)變，<350℃。（四）下貝氏體的形成機理圖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）下貝氏體的形成機理圖5-12下貝氏體的形成機理示意圖(2)由于溫度低，BF中碳的過飽和度很大。同時，碳原子已不能越過BF/A相界面擴散到奧氏體中去，所以就在BF內(nèi)部析出細小的碳化物。圖5-12下貝氏體的形成機理示意圖(3)隨著BF中碳化物的析出，自由能進一步降低，比容降低，導致應(yīng)變能下降，將使已形成的BF片進一步長大。同時，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散所控制。碳化物析出和鐵素體長大兩個過程同時進行，隨溫度下降，碳化物顆粒變得細小、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制形成的。只是因為形成溫度不同，使鐵素體中碳的脫溶以及碳化物的形成方式不同，從而導致貝氏體的組織形態(tài)不同。特點：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“鼻子”（隨溫度降低，轉(zhuǎn)變速度先增后減）；對于碳鋼，P轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變C曲線重疊在一起；

B轉(zhuǎn)變的C曲線實際是由兩個獨立的C曲線合并而成的，即B上—C曲線和B下—C曲線，說明由兩種機制形成?！?.3貝氏體相變的動力學影響因素§5.3.1貝氏體等溫相變動力學曲線（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。§5.3.2影響貝氏體相變動力學的因素冷卻時在不同溫度下停留的影響圖5-13冷卻時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，會加速隨后的貝氏體轉(zhuǎn)變速度。

原因：在等溫停留時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)變時需要擴散的原子數(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）奧氏體晶粒大小（5）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。§5.1.3貝氏體的機械性能（一）貝氏體的強度和硬度

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