《钢的热处理》课件5-贝氏体转变(1)

1、贝氏体转变 铁素体和渗碳体的机械混合物 具有良好的综合机械性能贝氏体 过冷奥氏体在介于珠光体和马氏体转变温度区间的转变，产物为贝氏体 中温转变在中间温度范围内发生 半扩散型相变碳原子能扩散，铁原子不能扩散贝氏体转变 Edgar C. Bain 1891.9.14-1971.11.27 United States Steel Corporation贝茵 Bainite贝氏体贝氏体的组织形态与亚结构贝氏体转变的特点与和晶体学贝氏体转变过程及热力学分析贝氏体转变机理概述贝氏体转变的动力学贝氏体的力学性能魏氏组织第一节按组织常见上贝氏体下贝氏体粒状贝氏体不常见无碳化物贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体n第一节

2、 贝氏体的组织形态与亚结构贝氏体转变区的中高温区又称高温贝氏体形成温度350550中、高碳钢（一）形成条件n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构铁素体和渗碳体组成的二相非片层状机械混合物组成n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构（二）组织特征 羽毛状 铁素体呈条状，自奥氏体晶界一侧或两侧向奥氏体晶内伸展 渗碳体分布于铁素体条之间金相特征 一束平行的自奥氏体晶界长入晶内的铁素体条 束内铁素体有小位向差 束间有大角度 碳化物分布于铁素体条间（随着碳含量升高，形态由粒状链状杆状发展）电镜特征（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构上贝氏体中的铁素体 呈断续、短杆状分布于铁素体条间，与铁素体条平行 随

3、温度降低而变细上贝氏体中的碳化物（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征亚结构（三）晶体学特征与亚结构n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构 随着碳含量的增加 铁素体板条更多、更薄 渗碳体数量增多，不但分布于铁素体间，而且可能分布于各铁素体板条内部碳含量 随着形成温度降低 铁素体板条变薄 渗碳体更小、更密集形成温度n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构（四）影响组织形态的因素贝氏体转变的低温区形成温度共析钢（一）形成条件n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构铁素体和渗碳体组成的二相非片层状机械混合物组成n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构（二）组织特征 大量奥氏体晶粒内部沿某些晶向单独或成

4、堆地长成竹叶状（黑色片状或针状） 立体形态为双凸透镜状金相特征电镜特征（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构 碳含量低时呈板条状 碳含量高时呈片状下贝氏体中的铁素体下贝氏体中的碳化物（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征亚结构较高密度位错（可形成缠结）位错密度高于上贝氏体无孪晶n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构（三）晶体学特征与亚结构形成温度 低、中碳钢 高含硅、含铝量的合金钢对应合金（一）形成条件n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构由板条状铁素体组成的单相组织铁素体板条间是富碳的奥氏体组成（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构 铁素体板条自奥氏体晶界形成

5、，成束地向一侧晶粒内长大 板条间为富碳的奥氏体 板条宽随温度下降而变窄 富碳的奥氏体在随后的冷却过程中可能转变为珠光体、贝氏体、马氏体或保持不变 无碳化物贝氏体不能单独存在金相特征（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征铁素体内部有一定数量的位错亚结构（三）晶体学特征与亚结构n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构形成温度 低、中碳钢及其合金钢对应合金（一）形成条件n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构 铁素体 富碳奥氏体组成 铁素体呈块状（由铁素体针片组成） 富碳奥氏体呈岛屿状在铁素体基体上呈不连续分布 铁素体碳含量很低，接近平衡状态 奥氏体碳含量很高金相特征富碳奥氏体的后续转变 可

6、能部分或全部分解为铁素体和碳化物 可能部分转变为马氏体（高碳、孪晶、片状），其余部分成为残余奥氏体 可能全部保留下来，成为残余奥氏体（二）组织特征n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构（二）组织特征 过共析钢形成合金形成温度 魏氏渗碳体领先相 铁素体夹在两片渗碳体中间组织特征（一）反常贝氏体n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构 高碳钢或高碳合金钢形成合金 贝氏体转变区的较低温度范围形成温度 铁素体呈放射状 碳化物分布在铁素体内部 形成是不产生表面浮突组织特征（二）柱状贝氏体n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构上贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体下贝氏体下

7、贝氏体柱状贝氏体n第一节 贝氏体的组织形态与亚结构*第二节上限温度下限温度n第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学组成 由铁素体和碳化物组成的非片层状二相机械混合物组织特征组织形态与温度 铁素体相的形态、大小及碳化物类型及分布等均随转变温度而异n第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学一般过程 形核与长大 等温或连续冷却形成 等温形成需要孕育期动力学 S曲线 C曲线长大速度 上贝氏体长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散 下贝氏体长大速度取决于碳在铁素体中的扩散n第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学温度愈高，不完全性愈甚n第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学扩散性 转变产物有高碳相和低碳相非扩散性 铁原子不扩散n

8、第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学铁素体形成时产生表面浮突 母相与新相间存在共格关系 铁素体以切变机理产生新、母相间存在晶体学关系 位向关系与惯习面接近马氏体晶体学关系贝氏体中的碳化物 性质 上贝氏体：渗碳体型 下贝氏体：亚稳碳化物（+渗碳体） 取向 上贝氏体：渗碳体从奥氏体中析出，与奥氏体有取向关系和惯习面 下贝氏体：碳化物可能从奥氏体（或铁素体）中析出n第二节 贝氏体转变的特点与和晶体学第三节基本过程铁素体形成碳化物析出基本相形态分布尺寸贝氏体组织形态性能n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（一）基本过程碳的再分配 俄歇分析发现，过冷奥氏体在孕育期和转变期间，碳原子发生了再分配 出现贫碳区

9、和富碳区原因 满足新相形成所需的浓度（成分）条件 为使领先相（低碳的铁素体）形核，在过冷奥氏体中必须通过碳扩散形成贫碳区和富碳区 贫碳区可满足铁素体形所需的浓度（成分）条件n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（二）奥氏体中碳的再分布影响碳再分布的因素 碳含量 合金元素含量 转变温度影响规律 随着碳、硅、锰、铬、镍含量的升高，析出碳化物的可能性越大影响机制 通过影响贝氏体转变本身和碳化物析出两个过程n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（二）奥氏体中碳的再分布铁原子的自扩散系数和合金元素的异扩散系数小铁原子和合金元素不发生扩散铁原子和合金元素不发生再分配n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（二）奥

10、氏体中碳的再分布切变形成柯俊恩琴 铁素体的碳含量过饱和，与该温度下马氏体转变的碳含量相似 随着温度降低，碳的过饱和度增大实验现象 贝氏体转变发生时，先从奥氏体的贫碳区形成低碳马氏体，随后析出碳化物结论n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（三）铁素体的形成n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（三）铁素体的形成碳原子再分布富碳区贫碳区切变形成低碳马氏体保温时析出碳化物贝氏体铁素体 通过碳原子的扩散完成 转变温度影响碳化物类型、位置，碳化物析出方式、析出机制析出方式碳化物类型（四）碳化物的析出n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析奥氏体分解为平衡浓度的铁素体和渗碳体奥氏体中先析出共析铁素体，剩余奥氏体

11、随后冷却时进一步转变奥氏体以切变方式形成相同成分的马氏体，马氏体分解成渗碳体和更低碳饱和度的铁素体n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（一）贝氏体转变的三种可能相变体系能量变化贝氏体转变无需深过冷n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析（二）贝氏体转变的驱动力 奥氏体和贝氏体两相间自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值时的温度n第三节 贝氏体转变过程及热力学分析第四节铁素体（领先相）形核在转变温度下，奥氏体中存在浓度起伏，BF核在贫碳区形成BF在奥氏体晶界形核较高温度时BF大多在奥氏体晶粒内形核较低温度时（一）概述n第四节 贝氏体转变机理概述铁素体长大共格切变方式长大长大速度缓慢受碳原子向周围奥氏

12、体体的扩散所控制（一）概述n第四节 贝氏体转变机理概述碳在铁中的过饱和固溶体形成温度越低，过饱和度越大铁素体的组成铁素体形成时，碳原子脱溶，析出碳化物碳化物析出n第四节 贝氏体转变机理概述（一）概述 铁素体+富碳奥氏体组织 BF在奥氏体晶界形核 初生BF过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒一侧长大 形成相互平行的BF板条束铁素体的形核（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体n第四节 贝氏体转变机理概述碳原子的跨相界扩散（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体n第四节 贝氏体转变机理概述转变为珠光体转变为其它类型的贝氏体转变为马氏体保持到室温成为富碳的残余奥氏体富碳奥氏体的后续转变n第四节 贝氏体转变机理概述

13、（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体铁素体+渗碳体形态为羽毛状组织BF在奥氏体晶界形核铁素体的形核（三）稍低温度时进行上贝氏体转变n第四节 贝氏体转变机理概述碳原子的跨相界扩散上贝氏体转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制（三）稍低温度时进行上贝氏体转变n第四节 贝氏体转变机理概述形成温度与组织形态随着温度降低铁素体数量增加，板条变窄碳原子扩散系数降低，碳化物变得更细n第四节 贝氏体转变机理概述（三）稍低温度时进行上贝氏体转变 铁素体+-碳化物 透镜片状组织 BF大多在奥氏体晶粒内通过切变共格方式形核铁素体的形核（四）较低温度时进行下贝氏体转变n第四节 贝氏体转变机理概述 温度低，BF中碳的过饱和度

14、很大，碳原子不能越过BF/A相界面扩散到奥氏体中去，在BF内部析出细小的碳化物碳原子在铁素体中的扩散 碳化物析出后，自由能进一步降低，比容降低所导致的应变能下降，使已形成的BF片进一步长大铁素体片的长大下贝氏体转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制（四）较低温度时进行下贝氏体转变n第四节 贝氏体转变机理概述形成温度与组织形态随着温度降低碳化物的弥散度越大铁素体中碳的过饱和度越高n第四节 贝氏体转变机理概述（四）较低温度时进行下贝氏体转变 先形成无碳化物贝氏体，无碳化物贝氏体的铁素体条长大到彼此汇合时，剩下的岛屿状富碳奥氏体便为铁素体所包围，沿铁素体条间呈断续分布 因为碳含量低，岛屿状奥氏体不会析出

15、碳化物对某些低碳合金钢（五）粒状贝氏体的形成n第四节 贝氏体转变机理概述贝氏体转变机制都相同 铁素体都通过切变机制形成不同形态贝氏体的区别 形成温度不同，使铁素体中碳的脱溶以及碳化物的形成方式不同 上、下贝氏体各自独特的转变动力学曲线和转变激活能？ 上贝氏体中铁素体内的表面浮突与马氏体不同的现象？ 贝氏体中不存在孪晶的现象？ 下贝氏体中碳化物分布特征与马氏体不同的现象？切变机理的缺陷总结n第四节 贝氏体转变机理概述 浮突是体积变化效应 不是切变的产物 转变机理与珠光体转变相同 但组织为非片层状 铁素体按台阶式长大 长大受碳在奥氏体中的扩散控制主要内容缺陷无法解释下贝氏体的形成台阶存在的原因不清

16、楚n第四节 贝氏体转变机理概述第五节实验现象n第五节 贝氏体转变的动力学（一）上、下贝氏体转变机制不同上贝氏体长大速度受碳在奥氏体中的扩散所控制下贝氏体长大速度受碳在铁素体中的扩散所控制贝氏体转变速度比马氏体慢n第五节 贝氏体转变的动力学（一）上、下贝氏体转变机制不同原因规律n第五节 贝氏体转变的动力学（二）贝氏体转变具有不完全性C曲线n第五节 贝氏体转变的动力学碳含量随奥氏体中碳含量的增加，贝氏体转变速度下降碳含量较高时，形成铁素体核心较困难从铁素体中向外排出碳的数量增多，增加了贝氏体形成的时间原因n第五节 贝氏体转变的动力学（一）化学成分合金元素 除钴和铝以外，其它的合金元素都降低贝氏体转

17、变速度 使贝氏体转变温度区间下降 使珠光体与贝氏体的C曲线上下分离影响碳在奥氏体和铁素体中的扩散影响相变驱动力碳化物形成元素在奥氏体中形成“原子集团”，使切变难以进行原因n第五节 贝氏体转变的动力学（一）化学成分非碳化物形成元素非碳化物形成元素碳化物形成元素碳化物形成元素n第五节 贝氏体转变的动力学（一）化学成分奥氏体晶粒大小 奥氏体晶粒增大，贝氏体转变孕育期延长 原因 晶界面积小，形成铁素体核心的几率小 碳的扩散距离长n第五节 贝氏体转变的动力学（二）热处理条件奥氏体化温度奥氏体温度越高，贝氏体转变孕育期越长原因晶粒粗大成分均匀，贫碳区少，影响铁素体形核n第五节 贝氏体转变的动力学（二）热处

18、理条件应力拉应力促进贝氏体转变原因促进贝氏体形核加速碳原子扩散n第五节 贝氏体转变的动力学（三）应力和塑性变形塑性变形较高温度塑性变形延缓贝氏体转变较低温度塑性变形加速贝氏体转变 较高温度（1000800） 变形增加奥氏体的缺陷密度，促进碳原子扩散，利于贝氏体转变 奥氏体形变后产生多边化亚结构，不利于铁素体的共格生长 以后者作用为主 较低温度（350300） 变形增加奥氏体的缺陷密度，促进碳原子扩散 形变使奥氏体应力增加，促进铁素体按马氏体型转变机制形成原因n第五节 贝氏体转变的动力学（三）应力和塑性变形在珠光体和贝氏体转变的亚稳区停留 加速随后的贝氏体转变 原因 等温停留时从奥氏体中析出了碳

19、化物，降低了奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性（四）冷却时在不同温度的停留n第五节 贝氏体转变的动力学在高温区先进行部分上贝氏体转变 使低温区下贝氏体的转变减速 原因 上贝氏体转变后，剩余的过冷奥氏体碳含量增高，稳定性增高 高温区停留，促进奥氏体稳定化效应（四）冷却时在不同温度的停留n第五节 贝氏体转变的动力学低温区形成少量马氏体或下贝氏体促进后续高温区的贝氏体形成原因少量马氏体或下贝氏体产生应力，促进较高温度下贝氏体晶核的形成（四）冷却时在不同温度的停留n第五节 贝氏体转变的动力学第六节 贝氏体形态、粗细、分布、亚结构影响贝氏体力学性能的因素 下贝氏体强度高，韧性好 上贝氏体

20、强度低，韧性差一般规律 通常测定的贝氏体力学性能多是以某类贝氏体为主的混合组织的性能注n第六节 贝氏体的力学性能一般规律随着温度降低，贝氏体强度升高下贝氏体强度高于上贝氏体（一）强度与转变温度的关系n第六节 贝氏体的力学性能铁素体条宽贝氏体铁素体晶粒越细小，贝氏体强度越高晶粒尺寸和屈服强度晶粒尺寸和抗拉强度n第六节 贝氏体的力学性能（二）影响贝氏体强度的因素细晶强化碳化物质点 碳化物颗粒越细小，弥散度越大，贝氏体的强度越高 下贝氏体强度远高于上贝氏体碳化物质点和屈服强度碳化物质点和抗拉强度n第六节 贝氏体的力学性能（二）影响贝氏体强度的因素弥散强化溶质元素 碳的固溶强化作用远大于合金元素 随着

21、温度降低，铁素体中碳的过饱和度增大，固溶强化效果更强 固溶强化作用小于等碳含量的马氏体位错密度n第六节 贝氏体的力学性能（二）影响贝氏体强度的因素固溶强化亚结构强化一般规律冲击韧性下贝氏体优于上贝氏体韧脆转化温度下贝氏体低于上贝氏体n第六节 贝氏体的力学性能（一）上、下贝氏体的冲击韧性和韧脆转化温度10.27C-1.02Si-1.00Mn-0.98Cr20.40C-1.10Si-1.21Mn-1.02Cr30.42C-1.14Si-1.04Mn-0.96Cr 铁素体形态 上贝氏体铁素体条间位向差小，好像一个晶粒 下贝氏体铁素体片间位向差大 上贝氏体有有效晶粒直径远大于下贝氏体 碳化物形态 上贝氏体中碳化物呈断续状分布于铁素体条间原因n第六节 贝氏体的力学性能（一）上、下贝氏体的冲击韧性和韧脆转化温度上贝氏体板条间位向差小，界面对裂纹的传播阻碍作用小下贝氏体板条间位向差大，界面对裂纹的传播阻碍作用大铁素体板条和板条束尺寸n第六节 贝氏体的力学性能（二）影响贝氏体冲击性能的因素 上贝氏体 分布在铁素体条间，两相具有明显的方向性，界面处易产生微裂纹，并易诱发解理裂纹 下贝氏体 分布在铁素体片内，尺寸细小，不易产生裂纹，即使裂纹产生，其传播被高密位错