热处理原理之贝氏体转变.ppt

1,第七章 贝氏体转变,2,为纪念美国著名冶金学家Bain，中温转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。 英文Bainite，用B表示,3,7.1 贝氏体转变的基本特征, B转变有一个温度范围 B转变产物是由相与碳化物组成的非层片状机械混合物 B转变也是一个形核和长大过程 B转变过程中只有碳原子的扩散 B转变也能产生表面浮凸：M是N形，B为V形 B中铁素体具有一定的惯习面，并与母相A之间保持一定的晶体学位向关系（分歧重大）,4, B转变的不完全性：一般不能进行到底；通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大,随转变温度升高，转变的不完全程度增大：温度越高，A与B之间的自由能差减小，从而使得转变的驱动力减小；温度越高，越有利于碳原子的扩散而形成柯氏气团，从而增强未转变A的热稳定性。,B转变的不完全：一方面，B总是优先在A中贫碳区形成，随着B转变量的增加，碳不断向A中扩散而使得未转变A中的碳浓度越来越高，从而增加A的化学稳定性而使B转变难于进行；另一方面，贝氏体的比容比A大，产生一定的机械稳定化作用，也不利于B转变的继续进行。,5,珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征,6,7.2 贝氏体的组织形态和亚结构,由于BF和碳化物的形态与分布情况多变，使B显微组织呈现为多种形态。据此，通常将B分为：,上贝氏体、下贝氏体最常见，粒状贝氏体次之，其余的较为少见。,7,是一种单相组织，由大致平行的F板条组成，F板条自A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F板条之间为富碳的A。F板条较宽、间距较大，随转变温度下降，F板条变窄、间距缩小。, 无碳化物贝氏体, 形成温度范围,在B转变的最高温度范围内形成。, 组织形态,8, 晶体学特征及亚结构,无碳贝氏体形成时也具有浮凸效应，其铁素体的惯习面为111，位向关系为KS关系； 亚结构：铁素体内有一定数量的位错。,在F板条之间的富碳A，在随后的冷却过程中可能转变为P、B、M或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。,9,在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在350550范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。, 上贝氏体, 形成温度范围,上贝氏体是一种两相组织，是由条状相与粒状和条状碳化物组成的非层片状机械混合物。, 组织形态,10,成束的大致平行的相板条，自A晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大，粒状或条状渗碳体(有时还有残余A)分布于相板条之间，整体呈羽毛状。,11,F的惯习面为111，位向关系接近于KS关系; 亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。,碳含量：随碳含量的增加，B上中的相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状转变为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于相之间，而且可能分布于各相内部。 形成温度：随形成温度的降低，相变薄，渗碳体更小，且更密集。, 影响B上组织形态的因素, 晶体学特征及亚结构,12,与上贝氏体一样，下贝氏体也是一种两相组织，由相与碳化物组成。, 下贝氏体, 形成温度范围,一般在350Ms之间的低温区。, 组织形态,13,相的立体形态，呈片状或透镜片状，在光学显微镜下呈针状，与片M相似。形核部位大多在A晶界上，也有相当数量位于A晶内。,碳化物为Cem或-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以5560角度与B下的长轴相交，并且仅分布在F片内部。,钢的化学成份、A晶粒度和均匀化程度，对B下的组织形态影响较小。,14,B下中相的惯习面比较复杂，有人测得为110，有人测得为254及569； B下中相与A之间的位向关系为KS关系； 亚结构：为位错，无孪晶； B下形成时也会产生表面浮凸现象，但形状与B上不同。B上中浮凸大致平行，而B下中往往相交呈“”形。, 晶体学特征及亚结构,15,其组织是由F和富碳的A组成。, 形成温度范围,稍高于B上的形成温度, 组织形态, 粒状贝氏体,主要存在于低、中碳合金钢中，以一定的速度连续冷却获得，如正火、热轧后的空冷、焊缝的热影响区等，后来的研究发现等温也可以形成。,16,F呈块状(由F针片组成)； 富碳的A呈条状，在F基体上呈不连续分布。 F的C%很低，接近平衡状态，而A的C%却很高。,富碳A在随后的冷却过程中可能发生三种不同的转变：,部分或全部分解为F和碳化物； 可能部分转变为孪晶片状M，形成“MA”组织； 可能全部保留下来成为残余A。,17,可存在于过共析钢中 形成温度在350稍上 呈现F夹在两片渗碳体中间的组织形态, 反常贝氏体,18,一般存在于高碳碳素钢或高碳中合金钢中 当温度处于下贝氏体形成温度范围时出现, 柱状贝氏体,F呈放射状，碳化物分布在F内部； 形成时不产生表面浮凸。,19,日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，在某些钢中的贝氏体可以明显地分为三类，分别把这三类B称为第一类、第二类和第三类贝氏体，并用B、B、B分别表示。, 低碳低合金钢中的B、B、B,B约在600500之间形成，无碳化物析出；,20,B约在500450之间形成，碳化物在F之间析出；,B约在450Ms之间形成，碳化物分布在F内部。,21, 贝氏体转变过程, 贝氏体转变的两个基本过程,7.3 贝氏体转变过程及其热力学分析,B上、B下均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这两个基本过程；铁素体是领先相。,两个基本过程决定了B中两个基本组成相的形态、分布和尺寸，进而决定整个B的组织形态和性能。,22, 奥氏体中碳的再分配,贝氏体,23,A点阵常数的变化对应着碳含量的变化，碳含量增大，奥氏体的点阵常数增大。 说明等温处理过程中贝氏体转变时发生了碳的再分配。,24, B中F的形成及其碳含量,25,柯俊等人最早提出的BF是按切变方式形成的理论,持切变机理观点的人认为，BF中的C含量是过饱和的，其含量与转变温度有关，在某一温度下形成的BF中的碳含量，应相当于以该温度为MS点的奥氏体的含碳量。,奥氏体中贫碳区,26,若以亚共析钢为例： 当C0成分的A被过冷到低于BS点的 t 温度时，它已处于Acm延长线的下侧，这意味着碳在A中处于过饱和状态。,从热力学条件看，碳应具有从A中析出的倾向，因此A中必将发生碳的再分配，从而形成贫碳区和富碳区。 当贫碳区的碳含量降低到MS线以左时，于是便发生马氏体转变，从而形成BF。,27, 碳化物相的成分和类型,当钢中Si较高时，由于Si强烈延缓渗碳体的沉淀，因而在B下中很难形成渗碳体，而基本是-碳化物。在其它钢的B下中碳化物为渗碳体与-碳化物的混合物，或全为渗碳体； 一般地，形成温度越低、持续时间越短，出现-碳化物的可能性越大。 碳化物中合金元素的含量钢中合金元素的平均含量。,下贝氏体,28,B转变的驱动力同样是新旧两相之间的自由能之差, 贝氏体转变的热力学分析, 贝氏体转变的驱动力,因而B转变不需要M转变那样大的过冷度,29, BS点及其与钢成分的关系,Bs点就是A和B之间的自由能差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度。高于Bs点则贝氏体转变不能进行。,上式适用于下列成分的钢：C=0.10.55%, Cr3.5%, Mn=0.21.7%, Mo1.0%, Ni5%。,钢中碳和合金元素对BS点的影响，可用下面的经验公式表示：,钢中加入A稳定化元素，将使Bs点降低。,30,7.4 贝氏体转变机理,说明BF的形成是M相变,31,因此，一般认为B相变是M相变加碳原子的扩散。 但为什么在MS点以上会有M相变发生，这是B转变机制必须首先回答的问题。目前存在两种假说：恩金B相变假说和柯俊B相变假说。, 恩金B相变假说,恩金认为B相变属于M相变性质，由于在随后等温过程中析出碳化物而形成B，于是提出了贫富碳理论假说。 该假说认为，在B发生之前，A中已经发生了C原子的扩散与再分布，形成了富碳A区和贫碳A区。,32,在相变过程中铁和合金元素的原子都不发生扩散,Ms点,33, 柯俊B相变假说,恩金假说没有解释：B的形态变化和组织结构等问题,恩金假说能够解释,根据相变理论，形成马氏体时系统自由能的变化为,根据热力学条件，马氏体相变只有G为负值，即在MS点以下时才能进行。,34,那么，在MS点以上温度，以M相变机制进行转变的B相变是如何满足热力学条件的呢？,柯俊认为，在MS点以上温度时，若相变的进行能够使Gv值增大、使V值减小，从而使G达到负值，则M相变也可以发生。,此外，形成温度高、长大速度慢、A强度低，都使A塑变和共格界面移动所需要克服的阻力减小。,35,贝氏体转变包括BF的形成以及碳化物的析出。长期以来，围绕着这两个问题进行着争论。在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争。, 贝氏体转变的机制,柯俊最先发现：B转变与M转变一样，在形成BF时也能在抛光表面引起浮凸，以后又发现魏氏铁素体形成时也能引起浮凸。 据此，认为魏氏铁素体即BF，BF与M一样，也是通过切变机制形成的。, 贝氏体转变的切变机制,36,但由于B转变时碳原子尚能扩散，这就导致B转变与M转变的不同、以及B组织的多样性。,37,在BF形成后，BF中过饱和碳可以通过界面很快进入A中而使BF的碳含量降低到平衡浓度。通过界面进入A中的碳也能很快地向A纵深扩散，如果A的含碳量并不高，不会因为BF的形成而析出碳化物，因此得到的是BF及富碳A，即无碳化物B，也包括魏氏F。, 高温范围的转变（无碳化物贝氏体）,由于温度高，初形成的F中碳的过饱和度很小，且碳在F和A中的扩散能力均很强。,38,通过界面由BF扩散进入A中的碳原子已不可能向A中纵深扩散，尤其是两相邻F条之间的A中的碳更不可能向外扩散。故界面附近的A，尤其是两F条之间的A中的碳将随BF的长大而显著升高，当超过A溶解度极限时，将自A中析出碳化物而形成羽毛状的B上。, 中温范围的转变（上贝氏体）,在350550的中温范围转变时，转变初期与高温范围的转变基本一样，但此时的温度已比较低，碳在A中的扩散已变得困难。,39,C在BF中的过饱和度很大，又不能通过界面进入A，只能以碳化物形式在BF内部析出。随着碳含量降低，BF的自由能将下降以及比容缩小所导致的的下降，将使已形成的BF片进一步长大而得到B下。, 低温范围的转变（下贝氏体）,在350以下转变时，由于温度低，初形成的BF的C%高，故BF的形态已由板条状转变为透镜片状。此时，不仅C难以在A中扩散，就是在BF中也难以作较长距离的扩散。,40,41,一般认为，在某些低碳钢中出现的粒状B，是由无碳化物B演变而来的。 当无碳化物B针长大到彼此汇合时，剩下的岛状富碳A便为BF所包围，沿BF条间呈条状断续分布。因钢的碳含量较低，剩余A中的碳含量也不超过其溶解度极限，故不会析出碳化物，因而形成粒状B。,综上所述，不同形态的BF都是通过切变机制形成的，只是因为形成温度不同，使BF中的碳脱溶及碳化物的形成方式不同而导致B组织形态的不同。, 粒状贝氏体的形成,42,为什么B转变所引起的浮凸不同于M转变所引起的浮凸？ 为什么BF与A之间的晶体学位向关系不同于M与A之间的位向关系？ 为什么透镜片状BF中没有孪晶？ 为什么B下中的碳化物的分布与回火M中碳化物分布明显不同？ 按切变机制，BF应是片状，但为什么上贝氏体中BF接近针状？, 切变机制存在的问题,43,Aaronson等人强调，B是非层状共析反应产物，亦即B转变是一种特殊的共析反应。他们认为，B转变与P转变或M转变不同，是通过台阶机制长大的。, 贝氏体转变的台阶机制,台阶的水平面为-的半共格界面，界面两侧的与有一定的位向关系，在半共界面上存在着柏氏矢量与界面平行的刃型位错。,44,界面由位错和台阶组织成。台阶的端面为非共格界面。这样的界面活动能力很高，易于向侧面移动而使水平面向上推移。,贝氏体长大的台阶机制中，关于台阶的来源，目前为止，尚未完全弄清。,45,与P转变相同，B的等温动力学曲线也具有S形。,B的等温动力学曲线,7.5 贝氏体转变动力学, 贝氏体转变动力学的特点, 贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢很多,原因：一般认为B长大速度受碳原子从F中脱溶速度控制。,46,一般B转变量随温度降低最大转变量增加。等温温度愈高，愈接近Bs点，等温转变量愈少。, 贝氏体转变的不完全性,与P转变重叠：P转变在先，B转变在后； 与M转变重叠：当Ms较高时，在Ms以下可先形成一定数量的M，而后发生B转变。, 可能与珠光体和马氏体转变重叠,B的等温动力学曲线,47,B转变的等温形成图也具有C字形，在Bs温度以下，随等温温度降低，孕育期先减后增，具有一个鼻子； 对于碳钢，由于P转变与B转变C曲线重叠在一起，因此合并成一个C曲线。, 贝氏体等温形成图,48,49, 影响贝氏体转变动力学的因素, 碳含量 合金元素 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度 应力的影响 塑性变形的影响 冷却在不同温度下的停留,50,规律：随A中碳含量的增加，B转变速度下降。 原因：C含量高时，形成F核心较困难，需要从F中向外排出碳的数量增多，从而增加了B的形成时间。, 碳含量的影响,51,因此，除Co、Al以外，都降低B转变速度，使B转变的C曲线右移，但作用不如C显著；同时也使B转变温度范围下降，从而使P与B转变的C曲线分开。, 合金元素的影响,凡是降低C扩散速度、阻碍F共格长大、阻碍碳化物形成的元素，都使B转变速度下降。,52,A晶粒大小：随A晶粒增大，B转变孕期延长，转变速度下降。其原因是由于晶粒大，晶界面积小，形成F核心的几率小，同时碳的扩散距离长。, 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度,A化温度：A化温度高，晶粒粗大，成份均匀，贫碳区少，这都影响F的形核，使B转变的孕育期延长，转变速度下降。,53,原因：一方面变，形使A中的缺陷密度增加，有利于C原子的扩散，有利于B转变的进行；而另一方面，A形变后会产生多边化亚结构，破坏了A晶粒取向的连续性，这对BF的共格生长是不利的。通常以后者的作用为主。,拉应力使B转变速度增加，尤其对下B更显著。压应力的作用不清楚。, 应力的影响, 塑性变形的影响, 在较高温度(1000800)范围内对A进行塑性变形，将使A向B转变的孕育期增长，转变速度下降，转变的不完全程度增大。,54, 在P与B转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随后的B转变。, 在较低温度(350300)范围内对A进行塑性变形将加速B的形成。,原因：A晶体缺陷密度更大，促进C的扩散，并且形变会使A中的应力增加，有利于BF按M型转变机制形成，结果使B转变速度加快。, 冷却在不同温度下停留,原因：停留过程中A析出碳氮化物，降低了A的稳定性,55, 在高温区先进行部分上B转变，将会使低温区下B的转变速度降低，孕育期延长，不完全程度增大.,原因：可能是一种A的稳定化现象，还不十分清楚,56, 先在低温区形成少量M或下B，将促进后续高温区的B形成，转变速度加快。,原因：可能是因为在较低温度下进行部分M和下B转变时，所产生的应力会促进以后在较高温度下进行B转变的晶核的形成。,57,一般来说： B下的强度较高，韧性也较好； B上的强度低，韧性差。,7.6 贝氏体的力学性能,B的力学性能决定于其组织形态，但组织又受多种因素影响，所以对B来说，在组织和性能之间还很难建立起定量的关系，仅能进行定性说明。,58,如果将BF条(片)的大小看作是B的晶粒，则可用Hall-Petch的关系式估算B的强度。即BF的晶粒直径越细小，则其强度越高。, 贝氏体的强度(硬度),BF条或片的粗细 弥散碳化物质点 其它因素的强化作用, BF条或片的粗细,59,B下中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对B下强度的贡献也较