第六章-贝氏体与钢的中温转变课件

第六章贝氏体与钢的中温转变

本章内容6.1贝氏体的组织结构和晶体学特征

6.2贝氏体相变机制

6.3贝氏体相变动力学

6.4贝氏体的力学性能与应用贝氏体研究进展1930年，Bain首次发表过冷A中温转变产物金相照片20世纪40年代末，将A中温转变产物命名为贝氏体1952年，柯俊及S.A.Cottrell首次发现并提出贝氏体切变机制;

（切变学派）20世纪60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson提出贝氏体扩散机制，徐祖耀进一步发展。（扩散学派）柯俊，1917~中科院院士徐祖耀，1924~中科院院士B钢简介：上世纪50年代，B钢开始走向应用。成分工艺要素：微合金化+控轧控冷国内B钢发展：14CrMnMoVB

应用：桥梁、建筑、车辆、水轮机壳体、舰船、飞机构件及其它紧固件、轴类件等方面。高强度低碳贝氏体钢——国际上公认为21世纪钢种。6.1贝氏体的组织结构和晶体学特征

贝氏体是过冷奥氏体在介于高温珠光体转变和低温马氏体转变之间的中间转变产物。在多数情况下，贝氏体是由含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的非层片状组织。贝氏体的定义和分类贝氏体组织的分类和相关命名贝氏体的显微组织特征1、上贝氏体(B上)组成特点：铁素体+渗碳体形成温度：中温区的较高温度(550～350℃)

铁素体①晶界形核②晶粒长成板条状，大致平行分布

——形成温度越低，板条越细③是含碳过饱和的

——形成温度越低，过饱和度越大④亚结构是高密度位错。渗碳体呈粒状或短杆状分布在铁素体板条之间。B上

=条状α-Fe碳过饱和+粒状Fe3C条状α-Fe碳过饱和粒状Fe3CB上:550～350℃;40～45HRC;上贝氏体形态特征

上贝氏体中的铁素体多数呈条状，自奥氏体晶界的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。从整体上看呈羽毛状。——上贝氏体光学显微镜下形态特征：羽毛状——上贝氏体也称为羽毛状贝氏体

电子显微镜下的特征为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，束间有大角度差，铁素体条与马氏体板条相近。碳化物分布在铁素体条间，随奥氏体中含碳量增高，其形态由粒状向链状甚至杆状发展。

2、下贝氏体（B下）组成特点：铁素体+FexC形成温度：中温区的较低温度(350℃～Ms)

铁素体：①可以沿晶界或晶内缺陷处形核②针片状(高碳钢)，板条状(低碳，低合金钢)③含碳过饱和的，过饱和度很大，可达到0.1~0.15%C④亚结构是高密度位错，可达1010/cm2碳化物：呈粒状或短条状分布在铁素体片内B下:350～230℃;50～60HRC;针叶状α-Fe碳过饱和短条状或粒状Fe3CB下

=针叶状α-Fe碳过饱和+细片状Fe3C（1）下贝氏体光学显微镜下的特征

在低碳钢(低碳低合金钢)中，下贝氏体呈板条状，与板条马氏体相似。在高碳钢中，大量的在奥氏体晶粒内部沿某些晶面单独的或成堆的长成竹叶状（黑色片状或针状），立体形态呈双凸透镜状(与孪晶马氏体相似)。下贝氏体形态特征（2）下贝氏体电子显微镜下的特征下贝氏体中铁素体针一边较为平直，碳化物呈细片状或颗粒状分布在铁素体针内，排列呈行，并与铁素体针长轴方向呈55～60°夹角。下贝氏体形貌上、下贝氏体显微组织比较上贝氏体(a)OM,1300x(b)TEM,5000x下贝氏体(a)OM,600x(b)TEM,10000x——上、下贝氏体性能迥异，前者韧性差，后者较高强硬度同时，韧性良好。B上和B下的区别在于：B上B下铁素体形核位置铁素体形态碳化物位置B上A晶界平行板条状板条间B下A晶界；A晶内交叉针片状针片内3、无碳化物贝氏体组成特点：板条铁素体单相组织形成温度：中温区的最上部的温度范围无碳化物贝氏体不能单独存在，总是与其它组织共存形成于低、中碳钢中C贝氏体铁素体αA(随后转变为P,M,M+AR)A4、粒状贝氏体形成于一些低、中碳合金结构钢中组成特点：铁素体+奥氏体的混合组织形成温度：中温区的较高温度，稍高于B上形成温度铁素体上分布着颗粒状富碳的残余奥氏体小区域，象小岛似地分布在铁素体中，称为“粒贝”。随后转变为→P,M+AR，B上、B下FA低碳低合金钢中的BI、BII、BIII5、反常贝氏体过共析钢中，以渗碳体为领先相形成的贝氏体1.34%C钢在550℃等温1S的组织6、柱状贝氏体高碳钢或高碳合金钢在贝氏体转变温度范围内的低温区域形成的贝氏体；柱状贝氏体中的铁素体呈放射状，碳化物分布在铁素体内部沿一定方向分布排列，与下贝氏体相似。柱状贝氏体不产生表面浮凸。贝氏体形态小结

有无碳化物

有

碳化物位置

F形貌上、下B

无粒B、无碳化物B

F形貌+A分布贝氏体铁素体的精细结构1、贝氏体铁素体中的碳含量贝氏体铁素体中碳的质量分数范围通常为0.1%-0.17%无碳化物贝氏体和粒状贝氏体，其铁素体中碳的过饱和度最低，接近平衡碳含量；上贝氏体铁素体中碳的过饱和度较高；下贝氏体铁素体中碳的过饱和度更高；贝氏体铁素体中过饱和碳的固溶强化是贝氏体具有高强度、高硬度的主要原因之一。2、贝氏体铁素体中的位错贝氏体铁素体中通常有高密度的位错。位错密度随贝氏体形成温度的降低而增大；位错密度随含碳量的增加而增大。贝氏体铁素体和奥氏体界面处和附近的高密度位错3、贝氏体铁素体中的亚单元

在贝氏体铁素体内部存在复杂的亚结构，在光学显微镜下显示的单个贝氏体铁素体实际上由许多铁素体亚片条(亚单元)构成铁素体束。这些亚单元之间的位向差别很小，亚单元之间的晶界为小角度晶界。贝氏体中的碳化物贝氏体中碳化物的类型、形态和数量取决于形成温度和合金的成分。通常上贝氏体中的碳化物主要为渗碳体。下贝氏体中的碳化物通常为渗碳体或e-碳化物贝氏体铁素体的形成碳化物的析出贝氏体相变贝氏体相变机制贝氏体相变的领先相贝氏体铁素体的形核与长大碳化物的析出位置6.2贝氏体的相变机制贝氏体相变的切变理论1、Hehemann模型在奥氏体的贫碳区，以马氏体切变方式形成贝氏体铁素体。铁素体长大速度高于碳原子的扩散速度，形成的贝氏体铁素体中含碳量是过饱和的。铁原子和置换式合金元素原子不发生扩散。贝氏体铁素体形成

贝氏体转变分为：

碳的再分配、贝氏体铁素体的形成及碳的扩散与碳化物的析出

相变温度高碳原子在铁素体和奥氏体中都具有强的扩散能力无碳化物贝氏体富碳奥氏体(随后发生转变)碳的扩散与碳化物的析出

相变温度稍低碳在铁素体中扩散能力强,在奥氏体中扩散能力弱碳聚集在F-A相界面，析出碳化物上贝氏体组织碳以碳化物的形式从过饱和铁素体中析出，或扩散到奥氏体中，再从奥氏体中析出碳化物。

相变温度更低碳原子在铁素体扩散能力弱，不能扩散到A-F界面碳原子在铁素体内部一定晶面上偏聚，在此析出碳化物下贝氏体组织2、Bhadeshia模型亚单元的重复形核及长大碳化物的析出贝氏体相变的台阶——扩散理论

贝氏体转变温度区间，相变驱动力不能满足切变所需的能量要求

贝氏体转变是共析转变的变种，包括铁原子、置换式合金元素原子以及碳原子的扩散

贝氏体转变机理和珠光体转变机理相同，两者的区别仅在于珠光体是片层状，而贝氏体是非片层状贝氏体相变的台阶——扩散理论

新相贝氏体铁素体与母相奥氏体具有台阶状相界面

台阶的台面为共格或半共格界面，台阶的阶面为非共格界面

台阶的阶面在碳原子扩散的控制下迁移，导致台面向母相奥氏体推进贝氏体相变的台阶——扩散理论6.3贝氏体相变动力学贝氏体等温转变动力学1、贝氏体转变动力学曲线2、贝氏体转变动力学特点1、形核与长大2、转变有孕育期3、转变速度受碳的扩散控制，比M转变慢得多。

(M长大速度为106mm/s，而B为10-2-10-4mm/s)4、贝氏体转变有一上限温度Bs和一下限温度Bf5、转变的不完全性。3、影响贝氏体等温转变动力学的主要因素贝氏体转变的两个基本过程：①γ-Fe→α´-Fe切变共格方式进行；②碳的扩散和碳化物的沉淀。因此，一切影响这两个过程的因素都影响贝氏体转变。1、化学成分①C%强烈推迟B转变。②合金元素除Co、Al外，其它合金元素均推迟贝氏体转变。其中Cr、Mn、Ni最为显著。强于对珠光体转变的影响，why？因为F是领先相2、奥氏体晶粒大小、加热条件①晶粒越大，形核位置少，推迟转变；②加热温度越高，晶粒越粗大，成分越均匀化，越不利于B转变。3、应力和塑性变形①拉应力促进B转变，压应力阻碍B转变。②在Bs温度以下对过冷奥氏体进行塑性变形有利于B转变原因：形变产生高密度位往错以及大量滑移带，可能使B转变减缓，但同时有利形核，且可加快碳的扩散速度，促进B转变。贝氏体连续冷却转变动力学在连续冷却条件下，不能发生单一的贝氏体转变。6.4贝氏体的力学性能与应用

下贝氏体组织具有优良的力学性能；一般而言，在相同的强度水平下，贝氏体组织比回火马氏体组织具有更高的韧性

等温淬火得到贝氏体组织贝氏体的强度和硬度1、铁素体：①晶粒大小（板条或片的粗细和长短）：晶粒越小强度越高；②分布状态：分枝状强度高；③固溶碳量：过饱和大，强度越高；④位错密度：位错密度越高，强度越高。2、碳化物：弥散度和分布状态（在F内或F外）。

综合效果：1、无论B上或B下，形成温度降低时，强度、硬度升高形成温度↓，晶粒↓，F中固溶碳量↑，位错密度↑，碳化物弥散度↑，因此强度↑硬度↑。2、B下的强度＞B上的强度由于B下中晶粒更细小，F中过饱和碳量更多，位错密度更高，碳化物弥散度更大。3、粒状贝氏体相当于在基体上分布着很多较高强度的第二相小岛，可提高材料的强度。贝氏体的塑性和韧性1、贝氏体塑性①在相同强度下，低碳贝氏体钢的塑性总是高于高碳贝氏体②在相同强度下，低碳贝氏体钢的断后伸长率比回火马氏体高，高碳钢的情况相反；贝氏体钢的断面收缩率总是比回火马氏体钢低。

B下的韧性＞B上

2、贝氏体韧性

B下的韧性＞B上原因：

(1)由于B下铁素体片呈分枝状、较细小，而B上为板条状、片较粗。B上抗破断能力差。

(2)B上碳化物分布在板条间，因此削弱了F板条间的结合强度。(3)B下中碳化物更细小，弥散度更大。

因此，在实际应用中往往希望得到B下，而不希望出现B上。交叉点以左，下贝氏体比回火马氏体(回火屈氏体)有更高的冲击韧性

交叉点以右，上贝氏体比回火索氏体组织的冲击韧性低贝氏体组织的应用

(1)等温淬火制备要求小变形工件

B下具有较高的强度和很高的韧性，以获得B下的等温淬火得到广泛的应用

——等温淬火工件变形小，开裂倾向小(2)高强级贝氏体类结构钢内容P转变B转变M转变转变T（上限T)A1～55