第五章 贝氏体相变

贝氏体相变第五章（550℃～MS）什么是贝氏体？“GB/T7232-1999金属热处理工艺术语”贝氏体：是钢经奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区域与Ms之间的中温区等温，或连续冷却通过中温区时形成的组织。贝氏体相变的基本特征1）B相变是过冷A在中温转变区发生的非平衡相变，转变温度范围宽，转变有孕育期。2）B转变过程主要是BF的形核和长大过程，在不同温度下得到不同类型的B组织形貌。3）B组织的相组成主要是B铁素体和碳化物，但当转变不完全时有残余A。4）B转变有表面浮凸现象。5）B转变是B铁素体的共格切变型相变和碳原子的扩散型相变，碳原子的扩散速度控制着B的转变速度。图5-1共析碳钢C曲线Mf高温中温低温§5.1贝氏体相变特点、组织形态和力学性能§5.1.1贝氏体相变的特点（1）贝氏体转变温度范围在A1以下，MS以上，有一转变的上限温度BS点和下限温度Bf

点，碳钢的BS点约为550℃。贝氏体转变产物为α相与碳化物的两相混合物，为非层片状组织。α相：α相（即贝氏体铁素体BF）形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。（2）贝氏体转变产物碳化物：上贝氏体，碳化物(渗碳体)分布在铁素体条之间；下贝氏体，碳化物既(渗碳体或ε-碳化物）分布在铁素体条内部。低、中碳钢中，当贝氏体形成温度较高时，也可能形成不含碳化物的无碳化物贝氏体。通过形核与长大进行，等温转变动力学图是C形。可以在一定温度范围内等温形成，也有孕育期；也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变（3）转变动力学图5-3合金钢C曲线图5-2共析碳钢C曲线示意图（4）转变的不完全性转变结束时总有一部分未转变的A，继续冷却A→M，形成B+M+AR组织。由单相转变形成低碳相和高碳相，故有碳原子的扩散，但铁和合金元素原子不扩散。相变速度取决于碳原子的扩散速度（5）扩散性（6）晶体学特征贝氏体形成时，有表面浮凸，铁素体按切变共格方式长大，位向关系和惯习面接近于马氏体。上贝氏体惯习面为，下贝氏体的惯习面为贝氏体中铁素体与母相奥氏体之间存在K-S关系，渗碳体与奥氏体以及渗碳体与铁素体之间也存在一定的晶体学位相关系。珠光体转变贝氏体转变马氏体转变转变温度范围Ar1~550℃550℃~Ms<Ms

扩散性铁与碳可扩散碳可扩散，铁不能扩散无扩散领先相渗碳体铁素体共格性无有有组成相两相组织α-Fe+Fe3C两相组织>350℃，α-Fe(C)+Fe3C<350℃，α-Fe(C)+FexC单相组织α-Fe(C)合金元素扩散不扩散不扩散表5-1珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较形成于低碳钢中，在靠近BS的温度处形成，由平行板条铁素体束及板条间未转变的富碳奥氏体组成。§5.1.2贝氏体的组织形态A无碳化物贝氏体（1）上贝氏体图5-4无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶界BFAA§5.1.2贝氏体的组织形态A无碳化物贝氏体BF核在A晶界上形成后，向晶内一侧成束长大。板条比较宽，板条间距离也较大，且两者均随形成温度的下降而变小。板条间为富碳的A，在随后冷却时转变为M或保留至室温成为AR

。（1）上贝氏体图5-4无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶界BFAABF与奥氏体的位向关系为K-S关系，惯习面为{111}A

图5-5无碳化物贝氏体组织，×1000

（30CrMnSiA钢，450℃等温20s）B粒状贝氏体低中炭钢以一定速度连续冷却，一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成，由块状贝氏体铁素体与岛状物组成，岛状物多为马氏体和奥氏体，称M-A岛。粒状贝氏体：贝氏体铁素体＋岛状物（M-A岛）在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢,大约在350~550℃区间。C经典上贝氏体图5-6(a)上贝氏体组织示意图

(b)T8钢中的上贝氏体组织(a)(b)形貌特征：其形态在光镜下为羽毛状。组织为一束平行的自A晶界长入晶内的BF板条。BF板条与M板条相近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。图5-6上贝氏体组织示意图珠光体板条马氏体上贝氏体

BF板条内亚结构为位错。与A的位向关系为K-S关系，惯习面为{111}A。碳化物惯习面为{227}A，与A有确定的位向关系。图5-6上贝氏体组织示意图

碳含量：随碳含量的增加，铁素体条增多并变薄，条间渗碳体数量增多，形态也有粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。当达到共析浓度时，部分渗碳体也在铁素体内部沉淀。图5-6上贝氏体组织示意图温度：随温度降低，上贝氏体铁素体条变薄，渗碳体细化且弥散度增加。组织影响因素：合金元素：含有Si或Al的钢中，由于Si和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，铁素体条之间的奥氏体由于富碳而趋于稳定，于是变为无碳化物贝氏体。图5-6上贝氏体组织示意图D

准上贝氏体

由条状贝氏体铁素体和条间的残余奥氏体薄膜组成，属于无碳贝氏体。在贝氏体相变的低温转变区形成，大约在350℃以下。A经典下贝氏体（2）下贝氏体图5-7(a)下贝氏体组织示意图

(b)GCr15钢的下贝氏体组织(a)(b)形核部位在奥氏体晶界或晶内。各个贝氏体之间都有一定的交角，立体形貌呈透镜片状。针状或片状贝氏体铁素体内分布呈一定角度排列的ε-碳化物。BF中碳含量远远高于平衡碳含量，亚结构为缠结位错，密度高于上BF，不存在孪晶。贝氏体铁素体与奥氏体的取向关系为K-S关系,惯习面有{110}f,{254}f,{569}f等。片状马氏体下贝氏体B

准下贝氏体在其贝氏体铁素体内按一定角度排列着残余奥氏体。将钢中可能出现的九种贝氏体归类:以上贝氏体为代表：无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体、准上贝氏体、上贝氏体；以下贝氏体为代表：柱状贝氏体、准下贝氏体、特殊下贝氏体、下贝氏体。贝氏体相变的驱动力也是化学自由能差。铁素体的Gibbs自由能随着碳过饱和度的增加而增加。§5.2贝氏体相变的热力学条件、相变机理§5.2.1贝氏体相变的热力学条件MsBs图5-8奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系

由于碳在BF中的不断脱溶，增加了新相与母相间的自由能差（ΔG）。

BF中碳的脱溶还使其比容降低，从而减少作为相变阻力的比容应变能，这些都会促进BF的进一步长大。影响贝氏体相变驱动力的因素：＋Ed§5.2.2贝氏体相变的机理(一)贝氏体相变机理的学术争论共识:

铁素体形成是马氏体型相变,并伴随有碳原子的扩散.

为什么在Ms点以上会有马氏体相变发生?

切变学派(恩金贝氏体相变假说)

扩散学派(柯俊贝氏体相变假说)切变学派(恩金贝氏体相变假说)主要论点：1）B组织与无扩散的M相似，BF实质上是低碳M；2）B相变浮凸现象与M相似；3）在晶体学位向关系上，B与M相似；4）B相变在动力学上类似于等温M；5）B转变也有不完全现象；转变机制：碳的重新分配（相变前）→贫碳区富碳区M相变低碳M快速回火过饱和铁素体渗碳体B先析出渗碳体*B相变=M相变+碳原子扩散为什么在Ms点以上会发生马氏体型相变？马氏体相变开始点Ms随碳浓度增加而下降！切变学派解释了贝氏体的形成，Bs点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随温度变化而变化等现象，但没有解释贝氏体的形态变化和组织结构等问题。扩散学派(柯俊贝氏体相变假说)主要论点：1）在B宽面上存在巨型台阶，以及B长大界面为非共格界面，说明B可能是按扩散台阶机制长大；2）B的表面浮凸不同与M，扩散台阶机制也可以形成表面浮凸现象；3）在晶体学关系上，B的惯习面与同一合金的M不同；4）对Fe-C合金系，B转变驱动力的计算，在热力学上B不可能以切变方式形成；5）热力学计算表明，在B相变时不能形成富碳区。转变机制：足够大弹性能减小自由能G温度GγHGα´HT0HMSHΔGVHGγLGα´LT0LMSLΔGVLT0HLMSHLΔGVHL自由能差ΔGv增加由于碳的脱溶，A与B比容差小于A与M比容差，所以弹性能E也减小！扩散学派认为:贝氏体相变是α相的不断长大和碳从α相中不断脱溶两个过程同时发生;贝氏体相变为有扩散(碳原子)和有共格的相变;贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能;

碳从α相中的脱溶方式有两种:

碳通过相界面从α相扩散到γ相中;

碳在α相内脱溶沉淀为碳化物.能够解释:(1)在Ms点以上温度α相可以通过马氏体型相变机制形成;(2)按马氏体型相变机制形成的贝氏体长大速度远低于马氏体长大速度;(3)在不同温度下形成的贝氏体有着截然不同的组织形态;贝氏体转变的领先相是铁素体，在转变温度下，奥氏体中存在浓度起伏，BF核在贫碳区形成。

较高温度时，BF在奥氏体晶界形核（上B）；

较低温度时(下B)，BF大多在奥氏体晶粒内形核。§5.2.2贝氏体相变的机理（一）贝氏体相变机理概述

BF以共格切变方式长大，但长大速度缓慢，这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控制。形成的BF为碳的过饱和α固溶体，形成温度越低，过饱和度越大。在BF形成的同时，将发生碳的脱溶，析出碳化物。（二）无碳化物贝氏体的形成机理高温范围转变，组织为BF+富碳A。图5-10无碳化物贝氏体形成机理示意图(1)

BF在奥氏体晶界形核，初形成的BF过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的BF板条束。(2)转变温度较高，在BF中的碳原子可以越过BF/A相界面向A中扩散，直至达到平衡浓度。图5-10无碳化物贝氏体形成机理示意图图5-10无碳化物贝氏体形成机理示意图(3)通过相界面进入A的碳能很快向远离界面处扩散，不至于在界面附近产生积聚，从而不会从A中析出碳化物。(4)在随后的冷却过程中，富碳奥氏体可以转变为马氏体，也可以保持到室温而成为富碳的残余奥氏体。图5-10无碳化物贝氏体形成机理示意图原奥氏体晶界BFAA中温范围转变，在350~550℃，组织为BF+Fe3C，形态为羽毛状。（三）上贝氏体的形成机理图5-6(a)上贝氏体组织示意图

(b)T8钢中的上贝氏体组织(a)(b)(1)BF在奥氏体晶界形核，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的BF板条束。Fe3C图5-11上贝氏体的形成机理示意图(2)碳原子越过BF/A相界面向A中扩散。Fe3C图5-11上贝氏体的形成机理示意图(3)转变温度降低，进入相界面附近A中的碳原子已不能向远处扩散，尤其是铁素体板条间奥氏体中的碳原子，在这些地方将产生碳的堆积。Fe3C图5-11上贝氏体的形成机理示意图（4）随着BF的长大，铁素体板条间奥氏体中的碳含量显著升高，当碳浓度升高一定程度时，将从奥氏体中析出碳化物（Fe3C），从而形成羽毛状上贝氏体。由于得不到奥氏体中碳原子的不断补充，这些渗碳体呈不连续的。Fe3C图5-11上贝氏体的形成机理示意图上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制。随形成温度的降低，条状铁素体变薄，条间析出的渗碳体颗粒细化。低温范围转变，<350℃。（四）下贝氏体的形成机理图5-7(a)下贝氏体组织示意图

(b)GCr15钢的下贝氏体组织(a)(b)（1）BF大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形成，形态为透镜片状。（四）下贝氏体的形成机理图5-12下贝氏体的形成机理示意图(2)由于温度低，BF中碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能越过BF/A相界面扩散到奥氏体中去，所以就在BF内部析出细小的碳化物。图5-12下贝氏体的形成机理示意图(3)随着BF中碳化物的析出，自由能进一步降低，比容降低，导致应变能下降，将使已形成的BF片进一步长大。同时，在其侧面成一定角度也将形成新的下贝氏体铁素体片。图5-12下贝氏体的形成机理示意图可见，下贝氏体的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。碳化物析出和铁素体长大两个过程同时进行，随温度下降，碳化物颗粒变得细小、弥散。综上所述，不同形态贝氏体中的铁素体都是通过切变机制形成的。只是因为形成温度不同，使铁素体中碳的脱溶以及碳化物的形成方式不同，从而导致贝氏体的组织形态不同。特点：也呈C形（与P相同）；有B转变上限温度Bs（与P—A1，M—Ms）；也存在一个“鼻子”（随温度降低，转变速度先增后减）；对于碳钢，P转变和B转变C曲线重叠在一起；

B转变的C曲线实际是由两个独立的C曲线合并而成的，即B上—C曲线和B下—C曲线，说明由两种机制形成。§5.3贝氏体相变的动力学影响因素§5.3.1贝氏体等温相变动力学曲线（1）温度等温温度越高，转变量越少；有孕育期；转变速度先增后减。§5.3.2影响贝氏体相变动力学的因素冷却时在不同温度下停留的影响图5-13冷却时不同温度停留的三种情况①曲线1：在珠光体相变与贝氏体相变之间的过冷奥氏体稳定区停留，会加速随后的贝氏体转变速度。

原因：在等温停留时从奥氏体中析出了碳化物，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，所以使贝氏体转变加速。②曲线2：在贝氏体形成温度的高温区停留，形成部分上贝氏体，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体发生了稳定化。③曲线3：先冷至低温，形成少量马氏体或下贝氏体，然后再升至较高温度，则先形成的少量马氏体和下贝氏体将加速随后的贝氏体转变速度。原因：较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，从而加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，等温转变C曲线右移，转变速度下降。（2）碳含量上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于前沿奥氏体中碳的扩散速度；下贝氏体的相变速度，主要取决于铁素体内碳化物的沉淀速度。除Al、Co外，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。（3）合金元素奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期越长，贝氏体转变速度下降。（4）奥氏体晶粒大小（5）应力和塑性变形的影响拉应力加快贝氏体转变;在较高温度的形变使贝氏体转变的孕育期延长，速度减慢；而在较低温度的形变却使转变的孕育期缩短，速度加快。§5.1.3贝氏体的机械性能（一）贝氏体的强度和硬度

贝氏体的强度和硬度随形成温度的降低而提高。①贝氏体铁素体细化强化（细晶强化）形成温度越低，贝氏体铁素体越细，强度越高。影响贝氏体强度的因素：BF的晶粒大小主要取决于奥氏体