Chap贝氏体相变和贝氏体PPT课件

1、第第5 5章章 贝氏体贝氏体相变与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 第1页/共55页序言 贝茵等人于贝茵等人于19301930年首次发表了这种产物的光学金相照片。为了纪念年首次发表了这种产物的光学金相照片。为了纪念BainBain的功绩，将的功绩，将奥氏体中温转变产物命名为贝氏体。奥氏体中温转变产物命名为贝氏体。 19391939年年把贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。把贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体。 19521952年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者第一次对贝氏体相变的本质进行第一次

2、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。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。 2020世纪世纪6060年代末形成了两个贝氏体研究学派。年代末形成了两个贝氏体研究学派。第2页/共55页1、柯俊创始了贝氏体相变学说 19521952年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者年，在英国伯明翰大学任教的柯俊及其合作者以贝氏体浮凸现象为依据，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置换原子是无扩散的切变, ,而间

3、隙溶质原子是有扩散的。而间隙溶质原子是有扩散的。 这种学说被许多学者所继承，形成了这种学说被许多学者所继承，形成了“切变学派切变学派”。第3页/共55页2、“扩散学派”的形成 2020世纪世纪6060年代末，美国冶金学家年代末，美国冶金学家及其合作者从能量上对贝氏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。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。平。 这个学说被我国金属学家徐祖耀

4、及这个学说被我国金属学家徐祖耀及的学生们所继承，形成的学生们所继承，形成“扩散学派扩散学派”。第4页/共55页5.1 贝氏体相变的基本特征和组织形态第5页/共55页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 存在BS点 存在残余奥氏体（等温温度越靠近BS点，形成的贝氏体越少） 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第6页/共55页2、相变的扩散性 只有碳原子的扩散，合金元素（包括Fe）不扩散； 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中的扩散第7页/共55页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

5、有表面浮凸现象第8页/共55页4、贝氏体相变产物 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。 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。 随贝氏体形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。第9页/共55页（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）第10页/共55页无碳（

6、化物）贝氏体当上贝氏体组织中只有贝氏当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残留奥氏体而不体铁素体和残留奥氏体而不存在碳化物时，这种贝氏体存在碳化物时，这种贝氏体就是无碳化物贝氏体，或称就是无碳化物贝氏体，或称无碳贝氏体。无碳贝氏体。这种贝氏体通常在低碳低合这种贝氏体通常在低碳低合金钢中出现。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。第11页/共55页无碳贝氏体的形成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

7、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。第12页/共55页粒状贝氏体第13页/共55页经典（羽毛状）上贝氏体经典上贝氏体是由板条状经典上贝氏体是由板条状铁素体和条间分布不连续铁素体和条间分布不连续碳化物所组成。碳化物所组成。 贝氏体铁素体条间的碳化贝氏体铁素体条间的碳化物是片状形态的细小的渗物是片状形态的细小的渗碳体，光学显微镜下组织碳体，光学显微镜下组织形貌呈现羽毛状、条状或形貌呈现羽毛状、条状或针状。针状。 第14页/共55页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

8、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。第15页/共55页（2）下贝氏体 下贝氏体在贝氏体下贝氏体在贝氏体C曲线鼻温以下温度区间形成。曲线鼻温以下温度区间形成。对中高碳钢，形成温度为350 CMs； 下贝氏体有经典下贝氏体、柱状贝氏体、准贝氏体等。下贝氏体有经典下贝氏体、柱状贝氏体、准贝氏体等。 光学显微镜下呈黑色针状或片状，片之间有一定交角。光学显微镜下呈黑色针状或片状，片之间有一定交角。 下贝氏体铁素体碳含量远高于平衡碳含量，亚结构为

9、高密度位错，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。位错密度高于上贝氏体铁素体。第16页/共55页经典下贝氏体SEM GCr15下贝氏体组织第17页/共55页23MnNiCrMo钢下贝氏体 第18页/共55页柱状贝氏体 第19页/共55页（3）实际钢中的贝氏体组织 实际钢中还经常出现贝氏体和马氏体的混和组织。实际钢中还经常出现贝氏体和马氏体的混和组织。 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。较马氏体为低。 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

10、孪晶，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。而在下贝氏体中很少见到孪晶。 第20页/共55页23MnCrNiMo钢板条状马氏体和下贝氏体的混合组织 第21页/共55页（5）贝氏体组织中的亚结构 贝氏体铁素体是由更小的贝氏体铁素体是由更小的“亚单元亚单元”组成。组成。 亚单元通常在已经形成的铁素体端部附近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。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）或铁素体体板条顶部的侧面（上贝氏体）或铁

11、素体针的顶端（下贝氏体）形成新的亚单元核针的顶端（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。铁素体的形核长大过程。 上贝氏体亚单元 下贝氏体亚单元第22页/共55页STM 上贝氏体中的亚结构500nm第23页/共55页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，近似于平行四边形第24页/共55页钢的下贝氏体的精细亚单元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)暗场像第25页/共55页较高密度的位错亚结构贝氏体中的位错密度不如马氏

12、体中那样高，但也有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，有的认为贝氏体亚单元内部有较高密度的位错，101010 10 cmcm2 2。第26页/共55页 5.2 5.2 贝氏体相变机制贝氏体相变机制第27页/共55页经典的贝氏体形成过程示意图第28页/共55页（1）孕育期的预相变及形核 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，贝氏体铁素体原子的相互作用，形成贫碳区和富碳区。在贫

13、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。可以按低碳或超低碳马氏体的切变机制形核。 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。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。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。第29页/共55页（2）钢中贝氏体相变时碳的扩散1 1）碳原子在高温区、中温区和低温区都有扩散能力，）碳原子在高温区、中温区和低温区都

14、有扩散能力，能够长程扩散。能够长程扩散。2 2）在中温区，贝氏体相变与碳原子的扩散有密切的）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。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。一般认为：铁原子和置换原子是不扩散的。3 3）切变学派认为：铁原子和替换原子是切变位移；）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而扩散学派则认为：铁原子和置换原子进行台阶扩散位移。散位移。第30页/共55页上贝氏体和下贝氏体可能有两种不同的转变机制 测定表明，碳在奥氏体中和铁素体中测定表明，碳在奥氏体中和铁素

15、体中的扩散激活能分别为的扩散激活能分别为126KJ/mol126KJ/mol，84KJ/mol84KJ/mol。 专门测定上贝氏体、下贝氏体转变激专门测定上贝氏体、下贝氏体转变激活能各为活能各为126KJ/mol126KJ/mol，75KJ/mol75KJ/mol。 据此分析，上贝氏体、下贝氏体转变据此分析，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。体可能是两种不同的转变机制。 第31页/共55页（3）贝氏体的形核 贝氏体相变形核是单相，即贝氏体铁素体（贝氏体

16、相变形核是单相，即贝氏体铁素体（B BF F）。）。 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。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。 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。般在奥氏体的晶内形核，也可在晶界形核。第32页/共55页（a a）SEM, 34CrNi3MoSEM, 34CrNi3Mo钢的上贝氏体在晶界形核并长大，钢的上贝氏体在晶界形核并长大，（b b）LOM,LOM,渗碳后的渗碳后的18CrNiW18CrNiW钢的下贝氏体在晶界形核，晶

17、内激发钢的下贝氏体在晶界形核，晶内激发形核。形核。第33页/共55页SEM 34CrNi3Mo钢贝氏体在奥氏体晶界形核并长大 第34页/共55页激发形核 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，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

18、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。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。第35页/共55页贝氏体铁素体晶核尺度的推测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

19、的亚单元的大小可以推测晶核的尺度。单元的大小可以推测晶核的尺度。p B BF F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：亚单元的宽度约成。观测表明：亚单元的宽度约70nm70nm，长度，长度0.2m 0.2m ；亚单元由更；亚单元由更细小的超亚单元组成，宽度细小的超亚单元组成，宽度202030nm30nm。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素体中孪晶片厚度为2 210nm10nm；下贝氏体的孪晶片厚度为；下

20、贝氏体的孪晶片厚度为2 23nm3nm。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临界晶核的尺度在2nm2nm以下。以下。第36页/共55页BF亚片条、亚单元的电镜照片BF的亚单元 BF的亚片条 孪晶第37页/共55页（5 5）原子热激活跃迁使）原子热激活跃迁使B BF F形核长大形核长大 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。育期很短。这与实验数据和计算结果相符。 若按扩散理论计算（若

21、按扩散理论计算（500500等温时）形成一片等温时）形成一片B BF F需要时间为需要时间为508s508s。实。实测测t t实实。两者相差。两者相差3 3个数量级。个数量级。第38页/共55页贝氏体长大亚单元重复切变形成贝氏体束示意图第39页/共55页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）第40页/共55页羽毛状贝氏体的形成过程 与无碳化物贝氏体形成过程相似。区别在于从富碳与无

22、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（含间。由于渗碳体（含6.67%C6.67%C）形核需要较高的碳）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，成片状，只能长大到细小的颗粒而终止，因此，在在贝氏体铁素体片条之间分布着细小的渗碳体颗粒贝氏体铁素体片条之间分布着细小的渗碳体颗粒，呈现羽毛状呈现羽毛状。 第

23、41页/共55页下贝氏体的形成过程 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，贫碳奥氏体区的过涨落产生贫碳区，贫碳奥氏体区的MsMs点较高，那么，在贫碳区中将以切点较高，那么，在贫碳区中将以切変変方式形核，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，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，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

24、成第二片亚单元。这碳化物，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样，在亚单元侧面不断重复切変変形成亚单元，而构成一片下贝氏体铁素体。形成亚单元，而构成一片下贝氏体铁素体。 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。下贝氏体片条。相变结果产生精细孪晶和高密度位错。 在亚单元的边界上沉淀析出渗碳体或在亚单元的边界上沉淀析出渗碳体或-碳化物，碳化物，碳化物排列的方向与下贝碳化物排列的方向与下贝氏体片的主轴约成氏体片的主轴约成

25、55556060夹角夹角。 第42页/共55页下贝氏体片长大示意图 第43页/共55页5.3 贝氏体相变动力贝氏体相变动力学学第44页/共55页贝氏体相变动力学特征（1 1）与马氏体片长大速度（近声速）相比，贝氏体转变速度较慢；）与马氏体片长大速度（近声速）相比，贝氏体转变速度较慢；（2 2）在许多合金钢中，贝氏体转变）在许多合金钢中，贝氏体转变TTTTTT图不跟珠光体的图不跟珠光体的C C曲线重叠，曲线重叠，两曲线分开，并形成河湾区；两曲线分开，并形成河湾区；（3 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）许多合金钢的贝氏体相变有一个明显的上限温度，即所谓BsBs点。点。在此温

26、度等温，奥氏体不能全部转变为贝氏体。在此温度等温，奥氏体不能全部转变为贝氏体。第45页/共55页两派的争议： 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。统一的动力学理论。 (1)(1)扩散学派的扩散学派的AaronsonAaronson等认为贝氏体铁素体板条以台阶方式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。它的长大速率受的长大速率受/界面界面一侧碳原子向远离界面的一侧碳原子向远离界面的内扩散快慢内扩散快慢所

27、控制。所控制。 (2)(2)切变学派的切变学派的HehemannHehemann等认为贝氏体铁素体的长大是以切变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。贝氏体铁素体片条的亚单元的形成速率。第46页/共55页1 1、动力学曲线TTTTTT图 第47页/共55页 15CrMnMoV钢的中温转变TTT图第48页/共55页 许多中、低碳合金钢的贝氏体转变动力学许多中、低碳合金钢的贝氏体转变动力学曲线往往在珠光体曲线往往在珠光体C-C-曲线的左方，而高碳曲线的左方，而高碳合金钢的贝氏体合金钢的贝氏体TTTTTT图在右方。从大量的图在右方。从大量的（110110多种）合金结构钢的多种）合金结构钢的TTTTTT图中分析图中分析发现，珠光体分解的孕育期较长，而贝氏发现，珠光体分解的孕育期较长，而贝氏体相变的孕育期较短。只有含碳量增加到体相变的孕育期较短。只有含碳量增加到高碳时，贝氏体的高碳时，贝氏体的“鼻子鼻子”才显著右移。才显著右移。 20Cr2Ni2Mo20Cr2Ni2Mo钢的贝氏体转变钢的贝氏体转变C C曲线在珠光曲线在珠光体的左方。当渗碳后，贝氏体体的左方