1、第5章 貝氏體相變與貝氏體,1500MPa貝氏體鋼管用于高層建筑的建設，傳輸混凝土，壽命是16Mn鋼管的3倍,序言,貝茵等人于1930年首次發(fā)表了這種產(chǎn)物的光學金相照片。為了紀念Bain的功績，將奧氏體中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物命名為貝氏體。 1939年R.F.Mehl把貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體。 1952年，在英國伯明翰大學任教的柯俊及其合作者S.A.Cottrell第一次對貝氏體相變的本質(zhì)進行了研究。提出了貝氏體相變機制類似于馬氏體相變的切變機制。 20世紀60年代末形成了兩個貝氏體研究學派。,1、柯俊創(chuàng)始了貝氏體相變學說,1952年，在英國伯明翰大學任教的柯俊及其合作者S.A.Cottrell以貝

2、氏體浮凸現(xiàn)象為依據(jù)，提出了貝氏體相變機制類似于馬氏體相變的切變機制。他們認為，鐵原子和置換原子是無擴散的切變,而間隙溶質(zhì)原子是有擴散的。 這種學說被許多學者所繼承，形成了“切變學派”。,2、“擴散學派”的形成,20世紀60年代末，美國冶金學家H.I.Aaronson及其合作者從能量上對貝氏體轉(zhuǎn)變的切變機制進行了否定。 他們認為：貝氏體轉(zhuǎn)變是共析轉(zhuǎn)變的變種。在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，熱力學計算的相變驅(qū)動力不能滿足切變所需要的能量水平。 這個學說被我國金屬學家徐祖耀及H.I.Aaronson的學生們所繼承，形成“擴散學派”。,5.1 貝氏體相變的基本特征和組織形態(tài),貝氏體相變的基本特征,1、貝氏體相變

3、的溫度范圍和C曲線 存在BS點 存在殘余奧氏體（等溫溫度越靠近BS點，形成的貝氏體越少） 可以等溫轉(zhuǎn)變形成，也可以在一定冷卻條件下連續(xù)轉(zhuǎn)變形成,2、相變的擴散性,只有碳原子的擴散，合金元素（包括Fe）不擴散； 上貝氏體的相變速度取決于碳在FCC-Fe中的擴散，下貝氏體的相變速度取決于碳在BCC-Fe中的擴散,3、貝氏體相變有表面浮凸,表面浮凸,干涉圖像,上貝氏體、下貝氏體相變均有表面浮凸現(xiàn)象,4、貝氏體相變產(chǎn)物,貝氏體本質(zhì)上是鐵素體和-滲碳體（或-碳化物）的混合組織。組織中常夾雜著殘余奧氏體、馬氏體等相。組成相較多，形態(tài)多變。 在較高溫度區(qū)形成上貝氏體，在“鼻溫”以下的較低溫度區(qū)域形成下貝氏體

4、。二者在組織上的主要區(qū)別，一是鐵素體的形態(tài)差異，二是碳化物的形態(tài)和析出的位置不同。 隨貝氏體形成溫度下降，貝氏體中鐵素體的碳含量升高。,（1）上貝氏體,上貝氏體是在貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的上部形成的。對中高碳鋼，形成溫度為350550 C。 主要分為三種： 無碳（化物）貝氏體 （a, c） 粒狀貝氏體（b） 經(jīng)典上貝氏體（d）,無碳（化物）貝氏體,當上貝氏體組織中只有貝氏體鐵素體和殘留奧氏體而不存在碳化物時，這種貝氏體就是無碳化物貝氏體，或稱無碳貝氏體。 這種貝氏體通常在低碳低合金鋼中出現(xiàn)。,無碳貝氏體中的鐵素體板條平行排列，其尺寸及間距較寬，板條間是富碳奧氏體，或其冷卻過程的產(chǎn)物。,無碳貝氏體的形

5、成,由于Si、Al不溶于滲碳體中，故延遲滲碳體的形成，因此，在硅鋼和鋁鋼的上貝氏體中，常常在室溫時還保留殘余奧氏體，而不析出滲碳體，形成無碳貝氏體。 在低碳合金鋼中，形成貝氏體鐵素體后，滲碳體尚未析出，貝氏體鐵素體間仍為奧氏體，碳充分向奧氏體中擴散，使奧氏體趨于穩(wěn)定而保留下來，形成無碳化物貝氏體。,粒狀貝氏體,經(jīng)典（羽毛狀）上貝氏體,經(jīng)典上貝氏體是由板條狀鐵素體和條間分布不連續(xù)碳化物所組成。 貝氏體鐵素體條間的碳化物是片狀形態(tài)的細小的滲碳體，光學顯微鏡下組織形貌呈現(xiàn)羽毛狀、條狀或針狀。,SEM 9Cr2鋼的羽毛狀上貝氏體(a) 和示意圖(b),電鏡下上貝氏體組織為一束大致平行分布的條狀鐵素體和

6、分布于條間的斷續(xù)條狀碳化物的混合物。條狀鐵素體與板條馬氏體束接近； 隨碳含量升高，鐵素體條增多而變薄，條間滲碳體數(shù)量增多，形態(tài)由粒狀變?yōu)殒溨闋?、短桿狀，直至斷續(xù)條狀。,（2）下貝氏體,下貝氏體在貝氏體C曲線鼻溫以下溫度區(qū)間形成。對中高碳鋼，形成溫度為350 CMs； 下貝氏體有經(jīng)典下貝氏體、柱狀貝氏體、準貝氏體等。 光學顯微鏡下呈黑色針狀或片狀，片之間有一定交角。 下貝氏體鐵素體碳含量遠高于平衡碳含量，亞結(jié)構為高密度位錯，位錯密度高于上貝氏體鐵素體。,經(jīng)典下貝氏體,SEM GCr15下貝氏體組織,23MnNiCrMo鋼下貝氏體,柱狀貝氏體,（3）實際鋼中的貝氏體組織,實際鋼中還經(jīng)常出現(xiàn)貝氏體和

7、馬氏體的混和組織。 上貝氏體和低碳板條狀馬氏體形貌類似，但是上貝氏體中位錯密度較馬氏體為低。 高碳片狀馬氏體和下貝氏體的形貌類似，但前者的亞結(jié)構是孿晶，而在下貝氏體中很少見到孿晶。,23MnCrNiMo鋼板條狀馬氏體和下貝氏體的混合組織,（5）貝氏體組織中的亞結(jié)構,貝氏體鐵素體是由更小的“亞單元”組成。 亞單元通常在已經(jīng)形成的鐵素體端部附近形核，通過縱向伸長與增厚的方式長大。亞單元長大受阻時，再激發(fā)形核，在鐵素體板條頂部的側(cè)面（上貝氏體）或鐵素體針的頂端（下貝氏體）形成新的亞單元核心。亞單元重復形核長大構成了貝氏體中鐵素體的形核長大過程。,上貝氏體亞單元,下貝氏體亞單元,STM Fe-0.5C

8、-3.3Mn上貝氏體中的亞結(jié)構,下貝氏體的精細亞結(jié)構,下貝氏體條片由亞片條組成，亞片條由亞單元組成。亞單元相互平行，近似于平行四邊形,STM Fe-1.0C-4.0Cr-2.0Si鋼的下貝氏體的精細亞單元,中碳Mn-Si鋼貝氏體鐵素體的亞片條HREM形貌：a)明場像，b)暗場像,較高密度的位錯亞結(jié)構,貝氏體中的位錯密度不如馬氏體中那樣高，但也有較高密度的位錯亞結(jié)構。有的認為貝氏體亞單元內(nèi)部有較高密度的位錯，1010 cm2。,5.2 貝氏體相變機制,經(jīng)典的貝氏體形成過程示意圖,（1）孕育期的預相變及形核,切變學派認為，在貝氏體轉(zhuǎn)變孕育期內(nèi)，由于奧氏體內(nèi)晶體缺陷與碳原子的相互作用，形成貧碳區(qū)和富

9、碳區(qū)。在貧碳區(qū)內(nèi)，貝氏體鐵素體可以按低碳或超低碳馬氏體的切變機制形核。 擴散學派則認為：貝氏體轉(zhuǎn)變不可能出現(xiàn)貧碳區(qū)和富碳區(qū)的調(diào)幅分解。通過貝氏體相變所產(chǎn)生的內(nèi)耗的研究，證明貝氏體相變孕育期內(nèi)發(fā)生貝氏體的形核過程是由于母相點陣軟化所致，并不需要形成貧碳區(qū)。,（2）鋼中貝氏體相變時碳的擴散,1）碳原子在高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)都有擴散能力，能夠長程擴散。 2）在中溫區(qū)，貝氏體相變與碳原子的擴散有密切的關系。貝氏體相變受碳原子擴散控制。 一般認為：鐵原子和置換原子是不擴散的。 3）切變學派認為：鐵原子和替換原子是切變位移；而擴散學派則認為：鐵原子和置換原子進行臺階擴散位移。,上貝氏體和下貝氏體可能有兩

10、種不同的轉(zhuǎn)變機制,測定表明，碳在奧氏體中和鐵素體中的擴散激活能分別為126KJ/mol，84KJ/mol。 專門測定上貝氏體、下貝氏體轉(zhuǎn)變激活能各為126KJ/mol，75KJ/mol。 據(jù)此分析，上貝氏體、下貝氏體轉(zhuǎn)變分別受碳在奧氏體及鐵素體中的擴散所控制，這表明，上貝氏體和下貝氏體可能是兩種不同的轉(zhuǎn)變機制。,（3）貝氏體的形核,貝氏體相變形核是單相，即貝氏體鐵素體（BF）。 按照固態(tài)相變的一般規(guī)律，貝氏體鐵素體的形核是非均勻形核。 金相觀察表明，上貝氏體一般在奧氏體晶界處形核；而下貝氏體一般在奧氏體的晶內(nèi)形核，也可在晶界形核。,（a）SEM, 34CrNi3Mo鋼的上貝氏體在晶界形核并長大

11、，（b）LOM,滲碳后的18CrNiW鋼的下貝氏體在晶界形核，晶內(nèi)激發(fā)形核。,SEM 34CrNi3Mo鋼貝氏體在奧氏體晶界形核并長大,激發(fā)形核,在貝氏體鐵素體片條的長大過程中，存在激發(fā)形核現(xiàn)象。隨著貝氏體鐵素體片條的加厚，相變引起的應力和應變急遽增大，其切變應力若高于貝氏體相變驅(qū)動力時，貝氏體相變將要停滯，這時，在所形成的貝氏體亞單元附近、應力集中的區(qū)域形成另一個貝氏體晶核，該過程為應力激發(fā)形核。應力激發(fā)形核消耗了部分應變能，獲得了額外相變驅(qū)動力。該過程與馬氏體激發(fā)形核相似。實驗表明，鋼中的貝氏體片條幾乎都是由亞片條、亞單元、或超細亞單元組成，表明激發(fā)形核的客觀存在。,貝氏體鐵素體晶核尺度的

12、推測,貝氏體鐵素體晶核的大小難以實際觀察到。但從貝氏體鐵素體的亞單元的大小可以推測晶核的尺度。 BF片條由亞片條組成，亞片條由亞單元組成，亞單元由超亞單元組成。觀測表明：亞單元的寬度約70nm，長度0.10.2m ；亞單元由更細小的超亞單元組成，寬度2030nm。 近年來試驗發(fā)現(xiàn)，貝氏體中存在精細孿晶。觀測表明，上貝氏體鐵素體中孿晶片厚度為210nm；下貝氏體的孿晶片厚度為23nm。 晶核的尺寸應當比亞單元和孿晶片更小。據(jù)此推測貝氏體鐵素體的臨界晶核的尺度在2nm以下。,BF亞片條、亞單元的電鏡照片,BF的亞單元 BF的亞片條 孿晶,（5）原子熱激活躍遷使BF形核長大,依靠鐵原子和替換原子的熱

13、激活躍遷，貝氏體鐵素體形核很快，孕育期很短。這與實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果相符。 若按擴散理論計算（500等溫時）形成一片BF需要時間為508s。實測t實0.36s。兩者相差3個數(shù)量級。,貝氏體長大,亞單元重復切變形成貝氏體束示意圖,無碳貝氏體形核及長大示意圖,各個貝氏體鐵素體片條之間的奧氏體中，不斷富集碳，而且受鐵素體片條的多向壓應力，因而這些富碳的奧氏體越來越穩(wěn)定，如果滲碳體也難以析出，則最后將殘留下來，形成了貝氏體鐵素體片條富碳的殘留奧氏體的混合組織，即無碳化物貝氏體（BF+A）,羽毛狀貝氏體的形成過程,與無碳化物貝氏體形成過程相似。區(qū)別在于從富碳奧氏體中析出了滲碳體分布在貝氏體鐵素體片條之間。

14、由于滲碳體（含6.67%C）形核需要較高的碳濃度漲落，由于碳原子進行長程擴散，這顯然需要時間，因此，滲碳體形核困難，長大也慢，難以形成片狀，只能長大到細小的顆粒而終止，因此，在貝氏體鐵素體片條之間分布著細小的滲碳體顆粒，呈現(xiàn)羽毛狀。,下貝氏體的形成過程,與上貝氏體不同。形核地點可在晶界，也可在晶內(nèi)的缺陷處。也是首先通過漲落產(chǎn)生貧碳區(qū)，貧碳奧氏體區(qū)的Ms點較高，那么，在貧碳區(qū)中將以切変方式形核，并且迅速長大為片狀的亞單元。亞單元片側(cè)面是富碳奧氏體，它可能析出-碳化物，也可能穩(wěn)定，不足以沉淀析出碳化物。如果析出了碳化物，消耗了碳原子，而又一次貧碳，這有助于形成第二片亞單元。這樣，在亞單元側(cè)面不斷重

15、復切変形成亞單元，而構成一片下貝氏體鐵素體。 按照切變機制，位錯滑移切變或?qū)\生切變形成貝氏體亞單元，亞單元組成下貝氏體片條。相變結(jié)果產(chǎn)生精細孿晶和高密度位錯。 在亞單元的邊界上沉淀析出滲碳體或-碳化物，碳化物排列的方向與下貝氏體片的主軸約成5560夾角。,下貝氏體片長大示意圖,5.3 貝氏體相變動力學,貝氏體相變動力學特征,（1）與馬氏體片長大速度（近聲速）相比，貝氏體轉(zhuǎn)變速度較慢； （2）在許多合金鋼中，貝氏體轉(zhuǎn)變TTT圖不跟珠光體的C曲線重疊，兩曲線分開，并形成河灣區(qū)； （3）許多合金鋼的貝氏體相變有一個明顯的上限溫度，即所謂Bs點。在此溫度等溫，奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。,兩派的爭議：

16、,不同學派對貝氏體鐵素體的長大機制持不同的觀點，尚未形成統(tǒng)一的動力學理論。 (1)擴散學派的Aaronson等認為貝氏體鐵素體板條以臺階方式長大。臺階的寬面為半共格界面，端部則為無序的非共格界面。它的長大速率受/界面一側(cè)碳原子向遠離界面的內(nèi)擴散快慢所控制。 (2)切變學派的Hehemann等認為貝氏體鐵素體的長大是以切變方式重復形成板條亞單元的結(jié)果，所以，貝氏體長大動力學決定于貝氏體鐵素體片條的亞單元的形成速率。,1、動力學曲線TTT圖,15CrMnMoV鋼的中溫轉(zhuǎn)變TTT圖,許多中、低碳合金鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變動力學曲線往往在珠光體C-曲線的左方，而高碳合金鋼的貝氏體TTT圖在右方。從大量的（11

17、0多種）合金結(jié)構鋼的TTT圖中分析發(fā)現(xiàn)，珠光體分解的孕育期較長，而貝氏體相變的孕育期較短。只有含碳量增加到高碳時，貝氏體的“鼻子”才顯著右移。 20Cr2Ni2Mo鋼的貝氏體轉(zhuǎn)變C曲線在珠光體的左方。當滲碳后，貝氏體C曲線顯著右移。,珠光體分解是過冷奧氏體分解為鐵素體滲碳體（或碳化物）兩相，構成珠光體晶核，共析共生，同時形成兩相并長大，需要一定時間。 貝氏體相變只需要鐵素體單相形核。只要通過漲落形成貧碳區(qū)，依靠碳原子的擴散離去，F(xiàn)e原子的遷動，就可以構筑鐵素體晶胞，形成貝氏體鐵素體。如果貝氏體鐵素體亞單元以切變方式進行轉(zhuǎn)變，可以較快的速度進行。 當該鋼滲碳后，變成了高碳鋼，奧氏體中含碳量增加，其晶界和晶內(nèi)缺陷處也將吸附大量的碳原子，阻礙并延緩了貧碳區(qū)的形成，必然推遲貝氏體鐵素體在此處的形核的進程，因而