Chap5贝氏体相变和贝氏体.ppt

第5章 贝氏体相变与贝氏体 1500MPa贝氏体钢管用于高层建筑的建设，传输混凝土，寿命是16Mn钢管的3倍 序言 o贝茵等人于1930年首次发表了这种产物的光学 金相照片。为了纪念Bain的功绩，将奥氏体中温 转变产物命名为贝氏体。 o1939年R.F.Mehl把贝氏体分为上贝氏体和下贝 氏体。 o1952年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合 作者S.A.Cottrell第一次对贝氏体相变的本质进 行了研究。提出了贝氏体相变机制类似于马氏体 相变的切变机制。 o20世纪60年代末形成了两个贝氏体研究学派。 1、柯俊创始了贝氏体相变学说 o1952年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其 合作者S.A.Cottrell以贝氏体浮凸现象为依据 ，提出了贝氏体相变机制类似于马氏体相变的 切变机制。他们认为，铁原子和置换原子是无 扩散的切变,而间隙溶质原子是有扩散的。 o这种学说被许多学者所继承，形成了“切变 学派”。 2、“扩散学派”的形成 20世纪60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson 及其合作者从能量上对贝氏体转变的切变机制进 行了否定。 他们认为：贝氏体转变是共析转变的变种。在 贝氏体转变温度区间，热力学计算的相变驱动力 不能满足切变所需要的能量水平。 这个学说被我国金属学家徐祖耀及 H.I.Aaronson的学生们所继承，形成“扩散学派 ”。 5.1 贝氏体相变的基本特征和组织形态 贝氏体相变的基本特征 1、贝氏体相变的温度范围和C曲线 o存在BS点 o存在残余奥氏体（等温温度越靠近BS 点，形成的贝氏体越少） o可以等温转变形成，也可以在一定冷 却条件下连续转变形成 2、相变的扩散性 o只有碳原子的扩散，合金元素 （包括Fe）不扩散； o上贝氏体的相变速度取决于碳 在FCC-Fe中的扩散，下贝氏体的 相变速度取决于碳在BCC-Fe中的 扩散 3、贝氏体相变有表面浮凸 表面浮凸干涉图像 上贝氏体、下贝氏体相变均有表面浮凸现象 4、贝氏体相变产物 o贝氏体本质上是铁素体和-渗碳体（或-碳化物）的混合 组织。组织中常夹杂着残余奥氏体、马氏体等相。组成相较 多，形态多变。 o在较高温度区形成上贝氏体，在“鼻温”以下的较低温度区 域形成下贝氏体。二者在组织上的主要区别，一是铁素体的 形态差异，二是碳化物的形态和析出的位置不同。 o随贝氏体形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。 （1）上贝氏体 上贝氏体是在贝氏体转变温度区 的上部形成的。对中高碳钢，形成温 度为350550 C。 主要分为三种： p 无碳（化物）贝氏体 （a, c） p 粒状贝氏体（b） p 经典上贝氏体（d） 无碳（化物）贝氏体 o当上贝氏体组织中只有贝氏 体铁素体和残留奥氏体而不存在 碳化物时，这种贝氏体就是无碳 化物贝氏体，或称无碳贝氏体。 o这种贝氏体通常在低碳低合 金钢中出现。 无碳贝氏体中的铁素体板条平行排列，其尺寸及间距较宽，板条间是富碳奥氏 体，或其冷却过程的产物。 无碳贝氏体的形成 p 由于Si、Al不溶于渗碳体中，故延迟渗碳体的形成， 因此，在硅钢和铝钢的上贝氏体中，常常在室温时还保留 残余奥氏体，而不析出渗碳体，形成无碳贝氏体。 p 在低碳合金钢中，形成贝氏体铁素体后，渗碳体尚未 析出，贝氏体铁素体间仍为奥氏体，碳充分向奥氏体中扩 散，使奥氏体趋于稳定而保留下来，形成无碳化物贝氏体 。 粒状贝氏体 经典（羽毛状）上贝氏体 o经典上贝氏体是由板条状 铁素体和条间分布不连续碳化 物所组成。 o贝氏体铁素体条间的碳化 物是片状形态的细小的渗碳体 ，光学显微镜下组织形貌呈现 羽毛状、条状或针状。 SEM 9Cr2钢的羽毛状上贝氏体(a) 和 示意图(b) p 电镜下上贝氏体组织为一束 大致平行分布的条状铁素体和 分布于条间的断续条状碳化物 的混合物。条状铁素体与板条 马氏体束接近； p 随碳含量升高，铁素体条增 多而变薄，条间渗碳体数量增 多，形态由粒状变为链珠状、 短杆状，直至断续条状。 （2）下贝氏体 o下贝氏体在贝氏体C曲线鼻温以下温度区间形成。对中高碳钢，形成温 度为350 CMs； o下贝氏体有经典下贝氏体、柱状贝氏体、准贝氏体等。 o光学显微镜下呈黑色针状或片状，片之间有一定交角。 o下贝氏体铁素体碳含量远高于平衡碳含量，亚结构为高密度位错，位 错密度高于上贝氏体铁素体。 经典下贝氏体 SEM GCr15下贝氏体组织 23MnNiCrMo钢下贝氏体 柱状贝氏体 （3）实际钢中的贝氏体组织 o实际钢中还经常出现贝氏体和马氏体的混和组织。 o上贝氏体和低碳板条状马氏体形貌类似，但是上贝 氏体中位错密度较马氏体为低。 o高碳片状马氏体和下贝氏体的形貌类似，但前者的 亚结构是孪晶，而在下贝氏体中很少见到孪晶。 23MnCrNiMo钢板条状马氏体和下贝氏体的混合组织 （5）贝氏体组织中的亚结构 o贝氏体铁素体是由更小的“亚单元”组成。 o亚单元通常在已经形成的铁素体端部附近形 核，通过纵向伸长与增厚的方式长大。亚单元长 大受阻时，再激发形核，在铁素体板条顶部的侧 面（上贝氏体）或铁素体针的顶端（下贝氏体） 形成新的亚单元核心。亚单元重复形核长大构成 了贝氏体中铁素体的形核长大过程。 上贝氏体亚单元 下贝氏体亚单元 STM Fe-0.5C-3.3Mn上贝氏体中的亚结构 500nm 下贝氏体的精细亚结构 下贝氏体条片由亚片条组成，亚片条由亚单元组成。亚单元相互平行，近似于平行四边形 STM Fe-1.0C-4.0Cr-2.0Si钢的 下贝氏体的精细亚单元 中碳Mn-Si钢贝氏体铁素体的亚片条HREM形 貌：a)明场像，b)暗场像 较高密度的位错亚结构 贝氏体中的位错密度不如马氏体中那样高，但也有较高密度的位错亚结构。有的 认为贝氏体亚单元内部有较高密度的位错，1010 cm2。 5.2 贝氏体相变机制 经典的贝氏体形成过程示意图 （1）孕育期的预相变及形核 o切变学派认为，在贝氏体转变孕育期内，由于奥氏体 内晶体缺陷与碳原子的相互作用，形成贫碳区和富碳区 。在贫碳区内，贝氏体铁素体可以按低碳或超低碳马氏 体的切变机制形核。 o扩散学派则认为：贝氏体转变不可能出现贫碳区和富 碳区的调幅分解。通过贝氏体相变所产生的内耗的研究 ，证明贝氏体相变孕育期内发生贝氏体的形核过程是由 于母相点阵软化所致，并不需要形成贫碳区。 （2）钢中贝氏体相变时碳的扩散 1）碳原子在高温区、中温区和低温区都有扩散能力， 能够长程扩散。 2）在中温区，贝氏体相变与碳原子的扩散有密切的关 系。贝氏体相变受碳原子扩散控制。 一般认为：铁原子和置换原子是不扩散的。 3）切变学派认为：铁原子和替换原子是切变位移；而 扩散学派则认为：铁原子和置换原子进行台阶扩散位移 。 上贝氏体和下贝氏体可能有两种不同的转变机制 o测定表明，碳在奥氏体中和铁素体中 的扩散激活能分别为126KJ/mol， 84KJ/mol。 o专门测定上贝氏体、下贝氏体转变激 活能各为126KJ/mol，75KJ/mol。 o据此分析，上贝氏体、下贝氏体转变 分别受碳在奥氏体及铁素体中的扩散所控 制，这表明，上贝氏体和下贝氏体可能是 两种不同的转变机制。 （3）贝氏体的形核 o贝氏体相变形核是单相，即贝氏体铁素体（BF）。 o按照固态相变的一般规律，贝氏体铁素体的形核是 非均匀形核。 o金相观察表明，上贝氏体一般在奥氏体晶界处形核 ；而下贝氏体一般在奥氏体的晶内形核，也可在晶界 形核。 （a）SEM, 34CrNi3Mo钢的上贝氏体在晶界形核并长大， （b）LOM,渗碳后的18CrNiW钢的下贝氏体在晶界形核，晶内激发形核。 SEM 34CrNi3Mo钢贝氏体在奥氏体晶界形核并长大 激发形核 o在贝氏体铁素体片条的长大过程中，存在激发形核现象。随着 贝氏体铁素体片条的加厚，相变引起的应力和应变急遽增大，其切 变应力若高于贝氏体相变驱动力时，贝氏体相变将要停滞，这时， 在所形成的贝氏体亚单元附近、应力集中的区域形成另一个贝氏体 晶核，该过程为应力激发形核。应力激发形核消耗了部分应变能， 获得了额外相变驱动力。该过程与马氏体激发形核相似。实验表明 ，钢中的贝氏体片条几乎都是由亚片条、亚单元、或超细亚单元组 成，表明激发形核的客观存在。 贝氏体铁素体晶核尺度的推测 p 贝氏体铁素体晶核的大小难以实际观察到。但从贝氏体铁素体的亚单 元的大小可以推测晶核的尺度。 p BF片条由亚片条组成，亚片条由亚单元组成，亚单元由超亚单元组成。 观测表明：亚单元的宽度约70nm，长度0.10.2m ；亚单元由更细小的超 亚单元组成，宽度2030nm。 p 近年来试验发现，贝氏体中存在精细孪晶。观测表明，上贝氏体铁素 体中孪晶片厚度为210nm；下贝氏体的孪晶片厚度为23nm。 p 晶核的尺寸应当比亚单元和孪晶片更小。据此推测贝氏体铁素体的临 界晶核的尺度在2nm以下。 BF亚片条、亚单元的电镜照片 BF的亚单元 BF的亚片条 孪晶 （5）原子热激活跃迁使BF形核长大 o依靠铁原子和替换原子的热激活跃迁，贝氏体铁素 体形核很快，孕育期很短。这与实验数据和计算结果 相符。 o若按扩散理论计算（500等温时）形成一片BF需 要时间为508s。实测t实0.36s。两者相差3个数量级 。 贝氏体长大 亚单元重复切变形成贝氏体束示意图 无碳贝氏体形核及长大示意图 各个贝氏体铁素体片条之间的奥氏体中，不断富集碳，而且受铁素体片条的 多向压应力，因而这些富碳的奥氏体越来越稳定，如果渗碳体也难以析出，则最 后将残留下来，形成了贝氏体铁素体片条富碳的残留奥氏体的混合组织，即无 碳化物贝氏体（BF+A） 羽毛状贝氏体的形成过程 o与无碳化物贝氏体形成过程相似。区别在于从富碳 奥氏体中析出了渗碳体分布在贝氏体铁素体片条之间。 由于渗碳体（含6.67%C）形核需要较高的碳浓度涨落， 由于碳原子进行长程扩散，这显然需要时间，因此，渗 碳体形核困难，长大也慢，难以形成片状，只能长大到 细小的颗粒而终止，因此，在贝氏体铁素体片条之间分 布着细小的渗碳体颗粒，呈现羽毛状。 下贝氏体的形成过程 o与上贝氏体不同。形核地点可在晶界，也可在晶内的缺陷处。也是首先通过涨 落产生贫碳区，贫碳奥氏体区的Ms点较高，那么，在贫碳区中将以切変方式形核，并 且迅速长大为片状的亚单元。亚单元片侧面是富碳奥氏体，它可能析出-碳化物， 也可能稳定，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 贫碳，这有助于形成第二片亚单元。这样，在亚单元侧面不断重复切変形成亚单元， 而构成一片下贝氏体铁素体。 o按照切变机制，位错滑移切变或孪生切变形成贝氏体亚单元，亚单元组成下贝 氏体片条。相变结果产生精细孪晶和高密度位错。 o在亚单元的边界上沉淀析出渗碳体或-碳化物，碳化物排列的方向与下贝氏体 片的主轴约成5560夹角。 下贝氏体片长大示意图 5.3 贝氏体相变动力学 贝氏体相变动力学特征 （1）与马氏体片长大速度（近声速）相比，贝氏体转 变速度较慢； （2）在许多合金钢中，贝氏体转变TTT图不跟珠光体 的C曲线重叠，两曲线分开，并形成河湾区； （3）许多合金钢的贝氏体相变有一个明显的上限温度 ，即所谓Bs点。在此温度等温，奥氏体不能全部转变 为贝氏体。 两派的争议： 不同学派对贝氏体铁素体的长大机制持不同的观点，尚未形成统一 的动力学理论。 (1)扩散学派的Aaronson等认为贝氏体铁素体板条以台阶方式长大。 台阶的宽面为半共格界面，端部则为无序的非共格界面。它的长大速率 受/界面一侧碳原子向远离界面的内扩散快慢所控制。 (2)切变学派的Hehemann等认为贝氏体铁素体的长大是以切变方式重 复形成板条亚单元的结果，所以，贝氏体长大动力学决定于贝氏体铁素 体片条的亚单元的形成速率。 1、动力学曲线TTT图 15CrMnMoV钢的中温转变TTT图 o许多中、低碳合金钢的贝氏体转变动力学 曲线往往在珠光体C-曲线的左方，而高碳合金钢 的贝氏体TTT图在右方。从大量的（110多种）合 金结构钢的TTT图中分析发现，珠光体分解的孕 育期较长，而贝氏体相变的孕育期较短。只有含 碳量增加到高碳时，贝氏体的“鼻子”才显著右 移。 o20Cr2Ni2Mo钢的贝氏体转变C曲线在珠光体 的左方。当渗碳后，贝氏体C曲线显著右移。 o珠光体分解是过冷奥氏体分解为铁素体渗碳体（或碳化物 ）两相，构成珠光体晶核，共析共生，同时形成两相并长大，需 要一定时间。 o贝氏体相变只需要铁素体单相形核。只要通过涨落形成贫碳 区，依靠碳原子的扩散离去，Fe原子的迁动，就可以构筑铁素体 晶胞，形成贝氏体铁素体。如果贝氏体铁素体亚单元以切变方式 进行转变，可以较快的速度进行。 o当该钢渗碳后，变成了高碳钢，奥氏体中含碳量增加，其晶 界和晶内缺陷处也将吸附大量的碳原子，阻碍并延缓了贫碳区的 形成，必然推迟贝氏体铁素体在此处的形核的进程，因而孕育期 变