第八章 贝氏体转变

1、第八章第八章 贝氏体转变贝氏体转变聊城大学材料学院聊城大学材料学院8.1贝氏体的组织和性能贝氏体的组织和性能（一）、无碳化物贝氏体（一）、无碳化物贝氏体1、形成温度范围、形成温度范围 在在B转变的最高温度范围内形成。转变的最高温度范围内形成。2、组织形态、组织形态 是一种单相组织，由大致平行的是一种单相组织，由大致平行的F板条组成，板条组成，F板条自板条自A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F板条之间为富碳的板条之间为富碳的A。F板条较宽、间距较大，随转板条较宽、间距较大，随转变温度下降，变温度下降，F板条变窄、间距缩小。板条变窄、间距缩小。 富碳的富碳的

2、A在随后的冷却过程中可能转变为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。或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。3、晶体学特征及亚结构、晶体学特征及亚结构 惯习面为惯习面为111，位向关系为，位向关系为KS关系；关系；F内有一定数内有一定数量的位错。量的位错。 （二）上贝氏体（二）上贝氏体1、组成、组成上贝氏体由上贝氏体由F和碳化物（主要为和碳化物（主要为Fe3C）组成的二相非层）组成的二相非层片状混合物。片状混合物。2、形成温度范围、形成温度范围 在在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在约在

3、350550范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。体。3、组织形态、组织形态 上贝氏体是一种两相组织，是由上贝氏体是一种两相组织，是由相和渗碳体组成的，相和渗碳体组成的，成束的大致平行的成束的大致平行的相板条自相板条自A晶粒晶界的一侧或两侧向晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大，渗碳体（有时还有残余晶粒内部长大，渗碳体（有时还有残余A）分布于）分布于相相板条之间，整体看呈羽毛状。板条之间，整体看呈羽毛状。影响组织形态的因素影响组织形态的因素 C%：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的相板相板条更多、更薄，条更多、更薄，Cem的形

4、态由粒状、链球状而成为短的形态由粒状、链球状而成为短杆状，杆状，Cem数量增多，不但分布于数量增多，不但分布于相之间，而且可能相之间，而且可能分布于各分布于各相内部。相内部。 形成温度：形成温度：随形成温度的降低，随形成温度的降低， 相变薄，渗碳相变薄，渗碳体更小，且更密集。体更小，且更密集。4、晶体学特征及亚结构、晶体学特征及亚结构 F的惯习面为的惯习面为111A，位向关系接近于，位向关系接近于KS关系关系 亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。（三）下贝氏体（三）下贝氏体1、组成、组成 由由F和碳化物（为和碳化物（为-FexC）组成的二相非层片状）

5、组成的二相非层片状混合物。混合物。2、形成温度范围、形成温度范围 一般在一般在350 Ms之间的低温区。之间的低温区。3、组织形态、组织形态 也是一种两相组织，由也是一种两相组织，由相与碳化物组成。相与碳化物组成。 相相的立体形态呈片状（或透镜片状），在光学显微镜下的立体形态呈片状（或透镜片状），在光学显微镜下呈针状，与片状呈针状，与片状M相似。形核部位大多在相似。形核部位大多在A晶界上，晶界上，也有相当数量位于也有相当数量位于A晶内，碳化物为晶内，碳化物为Cem或或-碳化物，碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以5560角度与下贝氏体的长轴相交，

6、并且仅分布在角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在F片内部。片内部。钢的化学成份、钢的化学成份、A晶粒度和均匀化程度对下贝氏体的晶粒度和均匀化程度对下贝氏体的组织形态影响较小。组织形态影响较小。4、亚结构、亚结构 下贝氏体亚结构为位下贝氏体亚结构为位错无孪晶，错无孪晶， 相中碳的相中碳的含量是过饱和的，随转含量是过饱和的，随转变温度降低，过饱和程变温度降低，过饱和程度增大。度增大。（四）粒状贝氏体（四）粒状贝氏体1、形成温度、形成温度 形成于上贝氏体转变区上限温度范围内。在一定的形成于上贝氏体转变区上限温度范围内。在一定的冷速范围内连续冷却得到的，组织为冷速范围内连续冷却得到的，组织为(F+A

7、)的二相的二相混合物。混合物。2、组织特征、组织特征 大块状或针状大块状或针状 F基体内分布一些颗粒状小岛，小岛基体内分布一些颗粒状小岛，小岛为富碳的为富碳的A。富碳的。富碳的A小岛在随后的冷却过程中有小岛在随后的冷却过程中有三种可能：三种可能： （1）、部分或全部分解为）、部分或全部分解为F和碳化物；和碳化物； （2）、部分转变为）、部分转变为M； （3）、全部保留为）、全部保留为Ar。（五）反常贝氏体（五）反常贝氏体 在过共析钢中可在过共析钢中可以见到，形成温度以见到，形成温度在在350 稍上，稍上，F夹夹在两片在两片Cem中间的中间的组织形态。组织形态。（六）柱状贝氏体（六）柱状贝氏体

8、一般在高碳碳素钢或高碳中合金钢中当温度处一般在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，于下贝氏体形成温度范围时出现，F呈放射状，碳呈放射状，碳化物分布在化物分布在F内部，形成时不产生表面浮凸。内部，形成时不产生表面浮凸。（七）（七）B、B、B 日本的大森在研究低碳低合金高强时发现，在某些日本的大森在研究低碳低合金高强时发现，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，并用称为第一类、第二类和第三类贝氏体，并用B、B、B分别表示。分别表示。B约在约在600500之间形成，无碳化物析出；之

9、间形成，无碳化物析出；B约在约在500450之间形成，碳化物在之间形成，碳化物在F之间析出；之间析出；B约在约在450Ms之间形成，碳化物分布在之间形成，碳化物分布在F内部。内部。（八）、贝氏体的力学性能（八）、贝氏体的力学性能一般来说，下贝氏体的强度一般来说，下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性差。氏体的强度低，韧性差。贝氏体的强度（硬度）贝氏体的强度（硬度） 影响贝氏体强度的影响贝氏体强度的因素有：因素有：1、贝氏体铁素体条或、贝氏体铁素体条或片的粗细片的粗细形成温度越低，形成温度越低，F晶粒晶粒的越小，的越小，F条条(片片)越细，越细，晶界越多

10、，贝氏体强度晶界越多，贝氏体强度越高。越高。2、弥散碳化物质点、弥散碳化物质点 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中以碳化物对下贝氏体强度的贡献也较大；而上贝氏体中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。所以上贝氏体的强度要比下贝氏体低得多。3、溶质元素的固溶强化作用、溶质元素的固溶强化作用 形成温度越低，碳原子不易通过界面扩散，形成温度越低，碳原子不易通过界面扩散，F的含碳的含碳量越大，过饱和度增大，

11、固溶强化作用大，强度高。量越大，过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高。 4、位错亚结构密度、位错亚结构密度 形成温度越低，位错密度高，强度高。形成温度越低，位错密度高，强度高。 综上所述，贝氏综上所述，贝氏体的强度随形成温度体的强度随形成温度降低而增强。降低而增强。贝氏体的韧性贝氏体的韧性 可以看出下贝氏可以看出下贝氏体的韧性优于上贝氏体的韧性优于上贝氏体。从整体上看随贝体。从整体上看随贝氏体的形成温度的降氏体的形成温度的降低，强度的逐渐增加，低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而韧性并不降低，反而有所增加。有所增加。上贝氏体的冲击韧性低于下贝氏体的原因有：上贝氏体的冲击韧性低于下贝氏体的原因

12、有： (1)、上贝氏体中的渗碳体呈不连续的短杆状分布在、上贝氏体中的渗碳体呈不连续的短杆状分布在铁素体条之间，铁素体和渗碳体分布有明显的方向铁素体条之间，铁素体和渗碳体分布有明显的方向性，这种形态使铁素体条间成为脆性通道；性，这种形态使铁素体条间成为脆性通道； (2)、上贝氏体由彼此平行的铁素体条构成，好似一、上贝氏体由彼此平行的铁素体条构成，好似一个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此位向差很大，能个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此位向差很大，能看作一个晶粒的部位尺寸很小，所以上贝氏体的有看作一个晶粒的部位尺寸很小，所以上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。效晶粒直径远远大于下贝氏体。 8.2贝氏体转

13、变的基本特征贝氏体转变的基本特征（一）贝氏体转变温度范围（一）贝氏体转变温度范围 贝氏体转变也有一个上限贝氏体转变也有一个上限Bs点，也有一个下限温点，也有一个下限温度度Bf点，点，Bf与与Ms无关。无关。（二）贝氏体转变产物（二）贝氏体转变产物 也是由也是由相与碳化物组成的机械混合物，但与珠光相与碳化物组成的机械混合物，但与珠光体不同，不是层片状组织，且组织形态与转变温度密体不同，不是层片状组织，且组织形态与转变温度密切相关，其中包括切相关，其中包括相的形态、大小以及碳化物的类型相的形态、大小以及碳化物的类型及分布等均随转变温度而异。及分布等均随转变温度而异。（三）贝氏体转变动力学（三）贝氏

14、体转变动力学 贝氏体转变也是一个形核长大过程，可以等温形贝氏体转变也是一个形核长大过程，可以等温形成，也可以连续冷却形成，等温形成需要孕育期，等成，也可以连续冷却形成，等温形成需要孕育期，等温形成图也呈温形成图也呈C字形。字形。（四）贝氏体转变的不完全性（四）贝氏体转变的不完全性 贝氏体转变一般不能进行到底，通常随转变温度的贝氏体转变一般不能进行到底，通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大，即转变具有自制性，在升高，转变的不完全程度增大，即转变具有自制性，在等温时有可能出现二次珠光体转变。等温时有可能出现二次珠光体转变。（五）贝氏体转变的扩散性（五）贝氏体转变的扩散性 贝氏体转变过程中存在

15、有原子的扩散，但只有碳原贝氏体转变过程中存在有原子的扩散，但只有碳原子的扩散，而子的扩散，而Fe及合金元素的原子均不发生扩散。及合金元素的原子均不发生扩散。（六）贝氏体转变晶体学特征（六）贝氏体转变晶体学特征 贝氏体中贝氏体中F形成时也能产生表面浮凸，这说明形成时也能产生表面浮凸，这说明F在形在形成时同样与母相的宏观切变有关，母相与新相之间维持成时同样与母相的宏观切变有关，母相与新相之间维持第二共格关系。第二共格关系。（七）贝氏体中（七）贝氏体中F的碳含量的碳含量 贝氏体中贝氏体中F的碳含量也是过饱和的，且随转变温度的降的碳含量也是过饱和的，且随转变温度的降低过饱和程度增大。低过饱和程度增大。

16、（一）、贝氏体等温转变动力学（一）、贝氏体等温转变动力学贝氏体等温形成贝氏体等温形成 图图 与与P转变相同，转变相同，B的等温动力学曲线也具有的等温动力学曲线也具有S形，形，但但B等温转变不能进行到底。等温温度愈高，愈接等温转变不能进行到底。等温温度愈高，愈接近近Bs点，等温转变量愈少。点，等温转变量愈少。8.3贝氏体转变动力学贝氏体转变动力学贝氏体等温转变动力学图贝氏体等温转变动力学图贝氏体等温转变动力学图也呈贝氏体等温转变动力学图也呈C形。转变在形。转变在BS温度以温度以下才能实行，转变速度先增后减。下才能实行，转变速度先增后减。合金碳钢等温转变动力学图合金碳钢等温转变动力学图碳钢等温转变

17、动力学图碳钢等温转变动力学图共析碳钢等温转变动力学示意图共析碳钢等温转变动力学示意图40CrMnSiMoVA钢等温转变动力学图钢等温转变动力学图 （二）贝氏体转变时碳的扩散（二）贝氏体转变时碳的扩散1、奥氏体中碳的扩散、奥氏体中碳的扩散 B转变是在碳原子还能扩散的中温范围内发生的，转变是在碳原子还能扩散的中温范围内发生的，为了在为了在A中形成低碳的中形成低碳的F，C必将在必将在A中偏聚。当中偏聚。当A的碳的碳含量超过其溶解度时（含量超过其溶解度时（ES及其处长线），碳将以碳化物及其处长线），碳将以碳化物的形式自的形式自A中析出，而使中析出，而使A的的C%降低。降低。 在在B转变过程中转变过程中

18、A的的C%有可能升高，也有可能降低，有可能升高，也有可能降低，具体情况取决于具体情况取决于A的成份及转变温度而定。的成份及转变温度而定。等温转变量（曲线等温转变量（曲线1 1）及奥氏体点阵常数（曲线）及奥氏体点阵常数（曲线2 2）与等温时间的关系）与等温时间的关系2、贝氏体中铁素体内碳的扩散、贝氏体中铁素体内碳的扩散 F形成初期形成初期C含量是过饱和的，而含量是过饱和的，而B转变温度范转变温度范围较围较M转变高，故转变高，故B中中F在形成后必然要发生分解，在形成后必然要发生分解，以碳化物的形式由以碳化物的形式由B中的中的F内析出过饱和的碳，从而内析出过饱和的碳，从而使使F的的C%下降。下降。（

19、三）影响贝氏体转变（三）影响贝氏体转变动力学的因素动力学的因素1、碳含量、碳含量规规 律：律：随随A中碳含量的中碳含量的增加，增加，B转变速度下降。转变速度下降。 2、合金元素、合金元素 凡是降低凡是降低C扩散速度、阻碍扩散速度、阻碍F共格长大、阻碍碳化共格长大、阻碍碳化物形成的元素，都使物形成的元素，都使B转变速度下降。因此，除转变速度下降。因此，除Co、Al以外所有合金元素都降低以外所有合金元素都降低B转变速度，使转变速度，使B转变的转变的C曲线曲线右移，但作用不如右移，但作用不如C显著，同时也使贝氏体转变温度范显著，同时也使贝氏体转变温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的围下降，从而使

20、珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。曲线分开。3、奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度、奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度A晶粒大小：晶粒大小：随随A晶粒增大，晶粒增大，B转变孕期延长转变速度转变孕期延长转变速度下降。下降。A化温度：化温度：A化温度高，贝氏体转变速度先增后降。化温度高，贝氏体转变速度先增后降。4、应力的影响、应力的影响 拉应力使拉应力使B转变速度增加，尤其对下转变速度增加，尤其对下B更显著。压更显著。压应力的作用不清楚。应力的作用不清楚。5、塑性变形、塑性变形（1）在较高温度（）在较高温度（1000800 ）范围内对）范围内对A进行塑性进行塑性变形，将使变形，将使A向向B转变的孕育期增长，转变

21、速度下降，转变的孕育期增长，转变速度下降，转变的不完全程度增大。转变的不完全程度增大。（2）在较低温度（）在较低温度（350300 ）范围内对）范围内对A 进行塑性变进行塑性变形将加速形将加速B的形成。的形成。6、冷却在不同温度下停留、冷却在不同温度下停留（1）在）在P与与B转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随后的后的B转变。转变。（2）在高温区先进行部份上）在高温区先进行部份上B转变，将会使低温区下转变，将会使低温区下B的转变速度降低，孕育期处长，不完全程度增大。的转变速度降低，孕育期处长，不完全程度增大。（3）先在低温区形）先在低温区形成少量成少量M或下

22、或下B，将，将促进后续高温区的促进后续高温区的B形成，转变速度加快。形成，转变速度加快。8.4贝氏体转变热力学及转变机制贝氏体转变热力学及转变机制（一）贝氏体转变热力学（一）贝氏体转变热力学 B转变是通过形核与长大过程进行的，转变时的领转变是通过形核与长大过程进行的，转变时的领先相是通过形核与长大进行的；转变时的领先相是铁素先相是通过形核与长大进行的；转变时的领先相是铁素体；转变过程中有碳原子的扩散，转变的驱动力同样是体；转变过程中有碳原子的扩散，转变的驱动力同样是新旧两相之间的体积自由能之差。新旧两相之间的体积自由能之差。（二）贝氏体转变的切变机制（二）贝氏体转变的切变机制1、切变机制、切变

23、机制 柯俊最先发现贝氏体转变与马氏体转变一样，在柯俊最先发现贝氏体转变与马氏体转变一样，在形成贝氏体铁素体时也能在抛光表面引起浮凸，以后形成贝氏体铁素体时也能在抛光表面引起浮凸，以后又得出形成魏氏铁素体时也能引起浮凸。据此，认为又得出形成魏氏铁素体时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即贝氏体铁素体，贝氏体铁素体与马氏体魏氏铁素体即贝氏体铁素体，贝氏体铁素体与马氏体一样，也是通过切变机制形成的，由于贝氏体转变时一样，也是通过切变机制形成的，由于贝氏体转变时碳原子尚能扩散，这就导致贝氏体转变与马氏体转变碳原子尚能扩散，这就导致贝氏体转变与马氏体转变的不同以及贝氏体组织的多样性。的不同以及贝氏体组织

24、的多样性。（三）贝氏体转变（三）贝氏体转变的台阶机制的台阶机制 Aaronson等人等人强调贝氏体是非层强调贝氏体是非层状共析反应产物，状共析反应产物，亦即贝氏体转变是亦即贝氏体转变是一种特殊的共析反一种特殊的共析反应。他们认为，贝应。他们认为，贝氏体转变与珠光体氏体转变与珠光体转变或马氏体转变转变或马氏体转变不同，是通过台阶不同，是通过台阶机制长大的。机制长大的。内内 容容 珠光体转变珠光体转变贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变温度范围温度范围 高温高温中温中温低温低温转变上限温度转变上限温度 A1BSMS领先相领先相渗碳体或铁素体渗碳体或铁素体铁素体铁素体形核部位形核部位奥氏体晶界奥氏体晶界上贝氏体在晶界上贝氏体在晶界下贝氏体大多在晶下贝氏体大多在晶内内转变时点阵切变转变时点阵切变无无？有有碳原子的扩散碳原子的扩散有有有有基