第八章_贝氏体转变和钢等温淬火

1、第八章 贝氏体转变 对贝氏体转变的基本了解： 钢中的贝氏体转变是发生在珠光体转变和马氏体转变温度范围之间的中温转变。它既不是珠光体那样的扩散型相变，也不是马氏体那样的无扩散型相变，而是“半扩散型相变”，即只有碳原子能够扩散，而铁原子及其他替换合金元素的原子难以扩散。图图5-1 共析碳钢共析碳钢 C 曲线曲线Mf高温高温中温中温低温低温第八章 贝氏体转变第八章 贝氏体转变第一节 贝氏体组织和性能 8.1.1 无碳化物贝氏体 (1)定义：当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残余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。也称BI型贝氏体。 (2)形状：无碳贝氏体中的铁素体片

2、条平行排列，其尺寸及间距较宽，片条间是富碳奥氏体，或其冷却过程的产物。 (3)形成钢种：在硅钢和铝钢中由于Si、Al不溶于渗碳体中，故延迟渗碳体的形成，室温时保留残余奥氏体。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，碳不断向奥氏体中扩散富集，使奥氏体趋于稳定而保留下来，形成无碳化物贝氏体。第八章 贝氏体转变8.1.2 上贝氏体 (1)形成温度：中、高碳钢大约在350550之间形成。 (2)形状特点：成束分布、平行排列的铁素体和夹于其间的断续的条状渗碳体的混合物。在中、高碳钢中，当上贝氏体形成量不多时，在光学显微镜下可以观察到成束排列的铁素体条自奥氏体晶界平行

3、伸向晶内，具有羽毛状特征 。上贝氏体中铁素体的亚结构是位错 。第八章 贝氏体转变第八章 贝氏体转变 (3)形成特点：随含碳量的增加，上贝氏体中的铁素体条增多、变薄，渗碳体数量增多、变细。随转变温度降低，上贝氏体中铁素体条变薄，渗碳体细化。在上贝氏体中的铁素体条间还可能存在未转变的残余奥氏体。尤其是当钢中含有Si、A1等元素时，由于Si、A1能使奥氏体的稳定性增加，抑制渗碳体析出，故使残余奥氏体的数量增多。8.1.3 下贝氏体 (1)转变温度：中、高碳钢约为350Ms之间。 (2)组成：由含碳过饱和的片状铁素体和其内部沉淀的碳化物组成的机械混合物。 (3)组织特点：下贝氏体的空间形态呈双凸透镜状

4、，与试样磨面相交呈片状或针状。当转变量不多时，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状，针与针之间呈一定角度 。在奥氏体晶界上形成，但更多的是在奥氏体晶粒内部形成。 下贝氏体中铁素体的亚结构为位错，其位错密度比上贝氏体中铁素体的高。下贝氏体的铁素体内含有过饱和的碳，其固溶量比上贝氏体高，并随形成温度降低而增大。 第八章 贝氏体转变8.1.4 粒状贝氏体 (1)形成：粒状贝氏体形成于上贝氏体转变区上限温度范围内。 (2)组织特征：在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立的小岛，小岛形态呈粒状或长条状等，很不规则。粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错。 (3)小岛在高温下原是富碳的奥氏体区，其后的转变可有三

5、种情况：分解为铁素体和碳化物，形成珠光体；发生马氏体转变；富碳的奥氏体全部保留下来。 第八章 贝氏体转变8.1.5 其他类型贝氏体 在工业用钢中，除了出现典型的贝氏体组织外，还有： 上贝氏体与下贝氏体的有机结合； 上贝氏体和粒状贝氏体有机结合； 贝氏体和马氏体有机结合的组织； 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较马氏体为低； 高碳针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观测到孪晶。第八章 贝氏体转变 8.1.6 贝氏体的力学性能 下贝氏体的强度较高，韧性也较好，而上贝氏体的强度低，韧性很差，且随贝氏体形成温度的降低，强度和韧性逐步提高，塑

6、性和韧性也同样随着形成温度的降低而提高 。第八章 贝氏体转变 1.贝氏体的强度 影响贝氏体强度的因素有： (1)贝氏体铁素体片或条的大小主要取决于贝氏体形成温度。贝氏体形成温度越低，则贝氏体铁素体片或条的直径越小。所以也可以说贝氏体的强度决定于形成温度，形成温度越低，贝氏体的强度越高。第八章 贝氏体转变 (2)弥散碳化物质点 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒量也较多，所以碳化物对下贝氏体的贡献也较大；而上贝氏体中的碳化物颗粒较粗，且分布在铁素体条间，分布及不均匀，所以上贝氏体的强度比下贝氏体低得多。 碳化物的大小、数量主要取决于贝氏体的形成温度和奥氏体的碳含量。一般说，贝氏体的形成温度越低，碳化

7、物颗粒越小、越多。所以贝氏体的形成温度越低，强度越高，其中也有碳化物的作用。 (3)其他因素的强化作用 对于贝氏体的强化，上述铁素体晶粒的细晶强化和碳化物的弥散强化是主要的。其他如碳和合金元素的固溶强化和位错亚结构的强化，无疑也有一定的作用。第八章 贝氏体转变 2.贝氏体的韧性 (1) 主要特点：随着贝氏体形成温度的降低，强度逐渐增加，塑性和韧性并不降低，反而有所增加。第八章 贝氏体转变 (2)上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的主要原因？ 合金组织为单相时，其韧性主要取决于晶粒大小。当有第二相存在时，韧性还与第二相的大小、形态和数量有关。当钢中有马氏体或贝氏体组织时，其韧性主要决定于“有效晶粒直

8、径”。有效晶粒直径一般用“解理小平面”或“裂纹断裂单元”来表示，它们与组织的片条束大小相对应。由于上贝氏体铁素体条彼此平行排列成束，条与条之间位向差很小，好像是一个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此之间位向差很大。即上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体的，加之上贝氏体的碳化物呈连续状分布于铁素体条间 。 (3)在相同强度的基础上，比较贝氏体与回火马氏体的韧性 在下贝氏体形成温度范围的中、上区域形成的贝氏体的韧性优于同强度马氏体的韧性。在具有回火脆性的钢中，贝氏体的韧性高于回火马氏体的韧性，如图8-6。在高碳钢中，回火马氏体的韧性低于同强度贝氏体的韧性。马氏体和贝氏体混合组织的韧性优于单一马氏体和单

9、一贝氏体组织的韧性。这是由于先形成的贝氏体分割了原奥氏体晶粒，使得随后形成的马氏体条束变小。第八章 贝氏体转变第八章 贝氏体转变第二节 贝氏体转变基本特征 8.2.1 贝氏体转变温度范围 (1)在碳素钢的TTT图中，贝氏体转变C曲线与珠光体转变C曲线重叠。而在合金钢中，贝氏体相变有单独的C曲线，如常见的高速钢TTT图，如图8-7所示。 (2)合金钢中珠光体C曲线与贝氏体C曲线完全分离。在中间有一个宽广的温度范围，过冷奥氏体长时间等温而不发生转变，此处称“河湾区”。在河湾区既不发生珠光体转变，也不发生贝氏体相变。 (3)贝氏体相变温度最上部，有一个不够明确的贝氏体相变开始温度，即所谓BS点。贝氏

10、体相变终了温度Bf也难以准确地测定，它可以延伸到MS以下。 第八章 贝氏体转变8.2.2 贝氏体转变产物 切变学派的R. F. Hehcmnn认为：贝氏体是指中温转变时形成的针状分解产物。有三点特征：(1)针状组织形貌；(2)浮凸效应；(3)有自己的TTT图和BS点，并将贝氏体定义为“铁素体和碳化物的非层片状混合组织”。 此定义不妥，理由有两个：(1)不是混合，而是整合。混合系统没有自组织功能；(2)铁素体和碳化物的非层片状组织不仅仅是贝氏体，粒状珠光体、回火索氏体也是铁索体和碳化物的非层片状组织。 扩散学派的H. I. Aaronson则反驳说：BS点和TTT图是合金元素对共析分解动力学的一

11、种影响表现，表面浮凸也不能作为切变的依据。他们只承认贝氏体是“扩散的、非协作的两种沉淀相竞争台阶生长的共折分解产物”。这一观点把贝氏体看成是共析分解的产物，很不妥当，不能把贝氏体转变看成是共析分解，二者转变性质不同，不能混为一谈；贝氏体与珠光体分解有着本质的区别。第八章 贝氏体转变 (1)珠光体由铁素体+碳化物两相组成，贝氏体可以由铁素体+碳化物组成，或铁素体+残留奥氏体组成，或铁素体+M/A岛组成，或铁素体+碳化物+奥氏体+马氏体等多相组成。 (2)珠光体晶核是两相，即F+碳化物；而贝氏体的晶核是单相，即贝氏体铁素体(BF)。 (3)珠光体共析分解反应式为：AF+Fe3C，贝氏体相变不能写成

12、此式。 (4)珠光体分解在晶界形核，而贝氏体相变的形核可在晶界也可在晶内。 (5)珠光体是过冷奥氏体在高温区平衡分解产物或接近平衡的分解产物，而贝氏体是中温区的非平衡相变产物。 (6)珠光体中铁素体可以是片状的(片状珠光体)，或等轴状的(粒状珠光体)，其中的位错密度低；而贝氏体铁素体由亚单元乃至超细亚单元构成，位错密度较高，甚至发现存在精细孪晶。 (7)珠光体中铁素体、渗碳体两相存在着比例关系，而贝氏体中各相没有固定的比例关系，碳化物析出量不定，还会夹杂着残余奥氏体等相。第八章 贝氏体转变 贝氏体转变产物的正确定义： 贝氏体转变与珠光体分解有着本质上的区别，贝氏体相变绝非共析分解。钢中贝氏体是

13、过冷奥氏体的中温转变产物，它以贝氏体铁素体为基体，同时可能存在渗碳体或碳化物、残留奥氏体等相构成的整合组织。贝氏体铁素体的形貌多呈条片状，内部有规则排列的亚单元及较高密度的位错等亚结构。第八章 贝氏体转变8.2.3 贝氏体转变动力学 (1)上贝氏体的形成：碳在铁素体中的扩散速度大于在奥氏体中的扩散速度，因而在温度较低的情况下，碳在奥氏体的晶界处就发生富集，当碳浓度富集到一定程度时，便在铁素体条间沉淀析出渗碳体，从而得到典型的上贝氏体组织。 (2)下贝氏体的形成：在下贝体形成温度范围内，由于转变温度低，首先在奥氏体晶界或晶内的某些贫碳区，形成铁素体晶核，并按切变共格方式长大，成片状或透镜状。由于

14、转变温度低，碳原子在奥氏体中的扩散很困难，很难迁移至晶界。而碳在铁素体中的扩散仍可进行。因此在铁素体共格长大的同时，碳原子只能在铁素体的某些亚晶界或晶面上聚集；进而沉淀析出细片状的碳化物。在一片铁素体长大的同时，其它方向上铁素体也会形成。从而得到典型的下贝氏体组织。第八章 贝氏体转变8.2.4 贝氏体转变的不完全性 与珠光体转变不同，贝氏体等温转变与马氏体转变一样，也不能进行到终了。转变温度愈靠近BS点，能够形成的贝氏体量愈少，但也有些钢，在靠近MS点等温时也呈现转变不完全性。8.2.5 贝氏体转变动的扩散性 贝氏体是由相及碳化物所组成的。这表明，贝氏体转变时必须有碳原子的扩散。 对于未转变的

15、奥氏体以及已形成的碳化物的成分进行测定的结果表明，贝氏体转变时，奥氏体的碳含量确实发生了变化，但合金元素的分布并没有发生改变。这表明贝氏体转变时只有碳原子的扩散而无合金元素的扩散，其中也包括铁原子。至少是合金元素原子与铁原子未发生较长距离的扩散。由此可见，贝氏体转变的扩散性指的是碳原子的扩散。第八章 贝氏体转变8.2.6 贝氏体转变动晶体学特征 实验证明，贝氏体形成时，在预先抛光的试样表面上形成浮凸，说明贝氏体转变时铁素体是通过切变机制完成的。 在转变过程中，贝氏体中的铁素体和奥氏体保持共格联系，并且贝氏体的铁素体是在奥氏体的一定晶面上以共格切变方式形成。上贝氏体的惯习面为111，下贝氏体的惯

16、习面为225。同时贝氏体转变过程中铁素体与母相奥氏体之间保持严格的晶体学位向关系。上、下贝氏体与奥氏体之间的晶体学位向存在K-S关系。 上、下贝氏体中渗碳体与母相奥氏体、渗碳体与铁素体之间也遵循一定的晶体学位向关系。第八章 贝氏体转变第三节 贝氏体转变动力学 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图不与珠光体的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。8.3.1 贝氏体等温转变动力学 (1)贝氏体转变与珠光

17、体转变一样，也可以等温形成。贝氏体等温转变动力学曲线也呈S形，但与珠光体转变不同，贝氏体等温转变不能进行到终了。等温温度愈高，愈接近BS点，等温转变量愈少。 (2)贝氏体等温转变动力学图也呈C形(图8-9a)。在某一温度以上观察不到贝氏体转变，该温度被称为BS点。在BS点以下，随转变温度降低，等温转变速度先增后减，与珠光体转变一样，在等温转变动力学图中也有一鼻子。第八章 贝氏体转变第八章 贝氏体转变8.3.2 贝氏体转变时碳的扩散 在中温区，贝氏体相变与碳原子的扩散有密切的关系，即贝氏体相变的进行依赖于碳原子的扩散。由Fe-Fe3C状态图可知，为了在奥氏体中形成低碳的铁素体，碳必将向奥氏体中富

18、集。当奥氏体中的碳含量超过Fe3C在奥氏体中的溶解度曲线ES线及其延长线时，碳又将以渗碳体形式自奥氏体析出，而使奥氏体的碳含量下降。由此可见，在贝氏体转变过程中，奥氏体的碳含量有可能升高，也有可能下降，视奥氏体成分及转变温度而定。8.3.3 影响贝氏体转变动力学的因素 1.碳含量的影响 随奥氏体中碳含量的增加，贝氏体转变速度下降。这是因为碳含量高，形成贝氏体时需要扩散的碳原子量增加。 2.合金元素的影响 除Al与Co外，其他合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时也使贝氏体转变的温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。 第八章 贝氏体转变 3.奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响

19、 一般来说，随奥氏体晶粒增大，贝氏体转变孕育期增长，转变速度减慢。随奥氏体化温度升高，贝氏体转变速度先降后增。奥氏体化时间对贝氏体转变速度也有类似的影响。 4.应力的影响 拉应力能加快贝氏体转变，随应力增加，贝氏体转变速度提高。 5.塑性变形的影响 一般认为在较高温度的变形可以使贝氏体转变速度减慢，而在较低温度的变形却使转变速度加快。 6.冷却时在不同温度下停留的时间 (1)过冷奥氏体按图8-12中曲线1在珠光体和贝氏体转变区之间的稳定区域内停留会加速随后的贝氏体转变速度。这可能是因为由于在等温停留过程中自奥氏体析出了碳化物，降低了奥氏体的稳定性。 第八章 贝氏体转变 (2)过冷奥氏体在贝氏体

20、形成温度区域的高温区停留，形成部分上贝氏体后再冷至低温区域，如图8-12中曲线2所示，则先形成的少量贝氏体将会降低下贝氏体转变速度。 (3)先冷至低温使形成少量马氏体或下贝氏体然后再升至较高温度(图8-12中曲线3)。则先形成的少量马氏体及少量贝氏体可以使随后的贝氏体转变加快。 第八章 贝氏体转变第四节 贝氏体转变机制8.4.2 贝氏体转变切变机制 切变学派根据贝氏体的表面浮凸效应判断贝氏体相变也是按切变长大机制进行的。切变包括滑移切变和孪生切变。第二类完全共格相界面可以通过切变使相界面迁移，直到共格破坏，成为含有错配界面位错的半共格相界面。这种半共格相界面通常具有晶体学位向关系，除了著名的K

21、-S关系外，还有西山关系。 图8-13所示为Bhadesh模型的示意图，指出每个亚单元的长大速率比较快，但是由于新的亚单元形成速率较慢，从而决定贝氏体束在整体上以较低的速率长大。第八章 贝氏体转变 如果界面位错的柏氏矢量平行于界面，则位错只能在界面内滑移，那么界面不可能因位错的滑移而迁移，因此属于不可动界面。如果界面位错的柏氏矢量不是平行于界面的，而且位错线正好是两相滑移面的交线，即界面位错，则此位错的滑移可以推动界面的迁移，如图8-14所示。第八章 贝氏体转变 按照切变机制，位错滑移切变或孪生切变形成下贝氏体相片条。那么，相变结果产生精细孪晶和高密度位错。据此可以推测，贝氏体可能是以滑移切变

22、及孪生切变方式形成亚单元，亚单元的重复产生逐级地形成下贝氏体片，如图8-15所示。在亚单元的边界上沉淀析出-碳化物，碳化物排列方向 与 下 贝 氏 体 片 的 主 轴 约 成5560夹角。第八章 贝氏体转变8.4.3 贝氏体转变的台阶机制 A. I. Aaronson首先提出台阶长大机制。徐祖耀等的电子显微镜研究结果证实了贝氏体铁素体宽面上长大台阶的存在。这种台阶的高度约几个纳米到几个微米。宽边为半共格界面，这种半共格界面的正向移动是靠台阶的横向迁移来进行的，如图8-16所示。台阶的移动受控于碳在奥氏体中的体积扩散。第八章 贝氏体转变第五节 贝氏体钢8.5.1 贝氏体钢的分类 1.按合金成分分

23、类 按合金成分主要分为Mo系或Mo-B系贝氏体钢、Mn-B系贝氏体钢两大系列。 (1)Mo系或Mo-B系贝氏体钢：Mo-B系空冷贝氏体钢中Mo对中温转变(B转变)推迟作用显著低于高温转变(P转变)，而B可显著推迟铁素体转变，对高温转变影响小。价格高、难于推广。 (2)Mn-B系贝氏体钢：突破了贝氏体钢必须加入Mo、W的传统设计思路。以适量Mn在获空冷贝氏体钢的同时，显著降低贝氏体相变温度(BS)，增加韧度和强度。突破了空冷贝氏体钢限于低碳为主的传统，研制出不同性能和用途的中高碳、中碳、中低碳、低碳贝氏体钢。 (3)其它贝氏体钢：多元微合金化空冷贝氏体钢 、Si-Mn-Mo系列准贝氏体钢 。第八

24、章 贝氏体转变 2.按生产工艺分类 按生产工艺可分为锻造用贝氏体钢、直接切削用贝氏体钢、冷镦锻成形螺栓用贝氏体钢、非调质冷拔高强度贝氏体钢丝及贝氏体组织高强度钢板等。 (1)锻造用非调质贝氏体钢 此种用途钢的强化作用主要来源于锻后经过高温状态下奥氏体的形变与再结晶，使冷却后得到均匀而细密的贝氏体组织。这种强化作用的大小主要取决于锻造工艺。其次来源于合金碳化物的弥散析出强化，主要应用于汽车前轴、连杆、转向节等锻造结构件。 (2)冷镦成形螺栓用贝氏体钢 此种用途钢经过热轧空冷后，其力学性能已达到螺栓的强度性能要求。直接加工成螺纹标准件后，只需进行回火就可使用，在保证性能的同时，可防止调质过程中产生

25、的氧化、脱碳现象，保证了螺纹的公差精度要求。第八章 贝氏体转变 3.按含碳量分 按含碳量可分为中高碳贝氏体钢、中碳贝氏体钢、低碳贝氏体钢三种。 (1)中高碳空冷贝氏体钢：此类钢均用少量普通元素(Mn、B)合金化，空冷后得到高强度的贝氏体/马氏体(以下简称B/M复相组织)复相组织。该钢种已在塑料和橡胶模具、电厂耐磨钢球、煤矿无链牵引刮板输送机齿条等产品上使用。 (2)中碳空冷贝氏体钢：此类钢采用Mn、B元素合金化，在空冷条件下成功地获得B/M复相组织。热成型后空冷再经中温回火，其韧度不仅高于回火马氏体组织，而且也优于等温淬火得到的B/M复相组织。适用于制造热成型空冷硬化后不需机械加工的零件以及形

26、状复杂的弹簧零件。 (3)低碳空冷贝氏体钢：此类钢以Mn、B元素合金化，空冷获得粒状贝氏体组织。可在锻、轧热加工后空冷态直接使用，可用于制造汽车零件，如前轴、连杆、转向节和半轴套管等。第八章 贝氏体转变8.5.2 空冷贝氏体钢的应用 1.应用于制造汽车前轴 空冷贝氏体钢应用于制造汽车前轴，由于其空冷淬透性好，且可免去淬火工序，不仅节省能源，降低成本，也避免了由于淬火引起的变形、开裂及脱碳等缺陷。 2.贝氏体钢耐磨钢球：(1)硬度高。表面硬度5662HRC，心部硬度5457HRC；(2)磨球从外到内硬度梯度变化小；(3)韧度高。无缺口韧度大于等于17Jcm-2；(4)破碎率低。落球冲击次数达1020万次，实际破碎率小于1%。 3.贝氏体钢在其他方面的应用 贝氏体钢还可应用于制作塑料模具、模块、贝氏体钢弹簧、建筑用高强度钢筋、铁路道岔、油田用抽油杆和作为工程结构用钢及标准件用钢等。第八章 贝氏体转变第六节 等温淬火及其应用8.6.1 等温