贝氏体

一.贝氏体定义

钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中文转变产物，它以贝氏体铁素体为基体，同时可能存在θ-渗碳体或ε-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。

二．贝氏体组织形貌及亚结构

钢、铸铁的贝氏体组织相态极为复杂，这与贝氏体相变的中间过渡性有直接的关系。钢中的贝氏体本质上是以贝氏体铁素体为基体，其上分布着θ-渗碳体（或ε-碳化物）或残留奥氏体等相构成的有机结合体。是贝氏体铁素体(BF)、碳化物、残余奥氏体、马氏体等相构成的一个复杂的整合组织。

1.超低碳贝氏体的组织形貌

碳含量小于0.08%的超低碳合金钢可获得超低碳贝氏体组织。如果加大冷却速度能够获得完全条片状的组织，称其为超低碳贝氏体组织。冷却速度越大，转变温度越低，条片状贝氏体越细小。在控轧控冷条件下，超低碳贝氏体具有极为细小的片状组织形貌。

超低碳贝氏体实际上是无碳贝氏体，钢中所含的微量碳形成了特殊碳化物被禁锢下来，或者碳原子只分布在位错处，被大量位错禁锢。

2.上贝氏体组织形貌

上贝氏体是在贝氏体转变温度区上部（Bs—鼻温）形成的，形貌各异。

2.1无碳（化物）贝氏体

当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残留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，又称无碳贝氏体。这种贝氏体在低碳低合金钢中出现的几率较多。无碳贝氏体中的铁素体片条大体上平行排列，其尺寸间距较宽，片条间是富碳奥氏体，或其冷却过程的产物。

2.2粒状贝氏体

粒状贝氏体属于无碳化物贝氏体。当过冷奥氏体在上贝氏体温度区等温时，析出贝氏体铁素体（BF）后，由于碳原子离开铁素体扩散到奥氏体中，使奥氏体中不均匀的富碳，且稳定性增加，难以继续转变为贝氏体铁素体。这些奥氏体区域一般呈粒状或长条状，即所谓的岛状，分布在贝氏体铁素体基体上。这些富碳的奥氏体在冷却过程中，可以部分的转变为马氏体，形成所谓的M/A岛。这种由BF+M/A岛构成的整合组织即为粒状贝氏体。

在奥氏体岛中未形成马氏体之前，粒状贝氏体实际上是无碳化物贝氏体。因此，无碳化物贝氏体也是粒状贝氏体的一种特殊组织形态。反过来说，粒状贝氏体中由于不存在碳化物，因此本质上也是无碳贝氏体。

还有一种所谓的“准上贝氏体”组织，它也没有碳化物，其贝氏体铁素体条之间的富碳奥氏体是一层薄膜，它本质上也是无碳化物贝氏体。

2.3羽毛状上贝氏体

羽毛状贝氏体属于有碳化物贝氏体中的一类。羽毛状上贝氏体是由板条状铁素体和条间分布的碳化物组成。贝氏体铁素体片条间的碳化物是片状或颗粒状形态的、细小的渗碳体。经典上贝氏体的组织相貌呈现羽毛状，是BF+θ-M3C的整合组织。

如GCr15钢的羽毛状上贝氏体的扫描电镜照片，羽毛状贝氏体沿着奥氏体晶界向两侧生长，尚未转变的奥氏体在淬火后转变为贝氏体组织。贝氏体碳化物呈片状、短棒状分布在贝氏体铁素体基体上。

如高碳钢轨钢的羽毛状贝氏体组织，由贝氏体铁素体片条和渗碳体两相组成。该钢碳含量为0.73%，锰含量为0.95%，属于共析钢。钢轨在轧后冷却过程中，在奥氏体晶界上首先形成羽毛状贝氏体组织，然后晶内的奥氏体转变为粗大的片状马氏体。这种组织是由于加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，冷却较快造成的。

随着温度的降低和钢中碳含量的增高，羽毛状贝氏体条状贴的护体（BF）变薄，位错密度增高，渗碳体变细，或颗粒变小，弥散度增加。

3.下贝氏体组织形貌

下贝氏体是在贝氏体相变温度区的下部（贝氏体C-曲线“鼻温”以下）形成的。呈单个条片状，条片间经常互相呈交角相遇，如60Si2CrV 钢的下贝氏体组织为黑色片状，与回火马氏体相似。

有碳化物贝氏体在透射电镜下观察，片条内分布着碳化物。碳化物排列在片内，一般与长轴呈不同角度相交。由于下贝氏体由贝氏体铁素体和碳化物构成，因而极易被浸蚀，在金相显微镜下观察呈现黑

色片状形貌。

准下贝氏体是无碳贝氏体，是经典下贝氏体的一个特例。它不同于典型的下贝氏体，在它的铁素体BF内，按夹角排列的是残留奥氏体而不是碳化物。在准下贝氏体的铁素体片条内，可以见到许多亚板条，它常在含硅钢中出现。延长等温时间，奥氏体薄膜将分解，析出碳化物，而成为经典碳化物。下贝氏体是由贝氏体铁素体+ε-碳化物+残留奥氏体构成的整合组织。

4.贝氏体组织的复杂性和多样性

贝氏体组织形态多样，名称较多。比如无碳化物贝氏体、有碳化物贝氏体、上贝氏体、下贝氏体、羽毛状贝氏体、粒状贝氏体、准上贝氏体、准下贝氏体、逆贝氏体、柱状贝氏体等。贝氏体的组织多样性说明贝氏体相变在中温区转变过渡性和极其复杂性。

贝氏体相变是自组织的，同一钢种，在不同的热处理条件下，系统可以转变为不同形貌的贝氏体。

钢中贝氏体的形貌受转变温度、碳含量、合金元素等多种因素的影响。不同碳含量的铬鉬钢具有不同的贝氏体相貌。低碳铬鉬钢的贝氏体是条片状的无碳化物贝氏体，或者粒状贝氏体；高碳铬鉬钢可以获得典型的羽毛状贝氏体和针状的下贝氏体。

片条状贝氏体和低碳的板条状马氏体形貌相似，但是贝氏体中位错密度较马氏体低。高碳片状马氏体和针状下贝氏体的形貌相似，但前者的亚结构是孪晶+位错，而在下贝氏体中很少观察到孪晶，下贝氏体主要由亚片条、亚单元组成。

在工业用钢中，除了出现典型的贝氏体组织外，还同时出现形形色色的各种贝氏体，组成相多样化，除了贝氏体铁素体外，还存在碳化物、残留奥氏体、马氏体等相，组织形貌较为复杂。各种形貌的贝氏体有机的结合在一起，如上贝氏体和下贝氏体的有机结合，贝氏体和马氏体的有机结合等。实际工业用钢中经常出现贝氏体和马氏体的有机结合的组织。

无碳化物贝氏体和有碳化物贝氏体是贝氏体中的两大类别。某些低碳合金和含有Si、Al合金元素的合金钢易于得到无碳化物贝氏体；高碳钢和高碳铬钼钢易于获得有碳化物贝氏体组织。

三.贝氏体铁素体的亚结构

在马氏体当中存在高密度位错、精细孪晶、层错等亚结构，在贝氏体组织中也同样存在亚结构，包括贝氏体铁素体的亚片条、亚单元、超细亚单元、较高的位错密度、精细孪晶等。

1.贝氏体中的亚单元

实验表明，条片状的贝氏体铁素体是由亚片条组成，亚片条由更小的亚单元组成，亚单元有方形，多边形等多种形貌，尺度约在10—200nm范围内。亚单元通常在已经形成铁素体端部附近形核，通过纵向伸长与增厚的方式长大。亚单元长大受阻时，在激发形核，在铁丝提板条的侧面（上贝氏体）或铁素体针的顶端（下贝氏体）形成新的亚单元核心。亚单元重复形核长大构成了贝氏体铁素体的形核长大过程。近年来实验表明，亚单元由跟细小的基元或超亚单元组成，尺寸为几纳米到数十纳米。

随着温度的降低，铁素体亚单元、亚片条尺寸减少，铁素体片内部亚单元数量增加，亚单元的宽度随着温度的降低减少，亚单元的长宽比和铁素体片中亚单元的数量随着温度的降低而增大。位错密度随着温度的增高而降低。

2.贝氏体铁素体中的位错和孪晶

近年来研究发现，贝氏体铁素体中有较高密度的位错，在某些高碳高合金钢中有精细孪晶。在某些钢中，贝氏体铁素体片条由5—30nm细小孪晶组成，或铁素体亚片条就是细小的孪晶。贝氏体中的位错密度虽然不如马氏体中那样高，但也有较高密度的位错亚结构。

2.贝氏体中的中脊

20世纪80年代发现某些钢中的贝氏体存在中脊。在某些高碳合金钢中，在Ms点附近等温得到的片状贝氏体中形成中脊。贝氏体中脊形态特征为：

1）第一片贝氏体铁素体的中脊能够贯穿整个晶粒，随后形成的贝氏体中脊尺寸越来越小；

2）下贝氏体和羽毛状贝氏体中均存在中脊；

3）中脊的衬度与其存在的贝氏体基体不同，存在明显的界面。

在电镜观察时，将试样倾斜一定角度，发现中脊是一条有一定宽度的平直的空间薄片，中脊的两侧为贝氏体铁素体F，中脊平直，宽度约为0.1um。中脊本质上是独立是我贝氏体铁素体片条，由孪晶亚结构组成。

形成贝氏体铁素体时，首先产生中脊，中脊可以在晶界形核并向晶内长大，也可以在晶内形核并长大。当整条中脊迅速长大后，贝氏体铁素体载在其两侧长大。电镜观察发现，在中脊形成后，其两侧各形成一片贝氏体铁素体，在中脊和贝氏体铁素体片中没有观察到碳化物析出。在贝氏体铁素体内部存在残留奥氏体。

四．上贝氏体转变和珠光体分解的联系与区别

钢中的贝氏体相变同珠光体转变同样具有扩散性质，碳原子均能够长程扩散，故称为“半扩散型相变”。

上贝氏体在奥氏体晶界上形成贝氏体铁素体晶核，共析分解也可以在奥氏体晶界形核，两者有相似性。但是贝氏体与珠光体在转变机制上有区别，共析分解是铁素体+碳化物两相共析共生的过程。而贝氏体相变则是首先形成贝氏体铁素体，而渗碳体何时析出，以什么形态析出，要视具体条件而定。许多钢的共析分解与上贝氏体转变在一定温度范围内等温时可以重叠。，具有交叉性、重叠性和过渡性质。

在珠光体转变C—曲线的“鼻温”以下，随着温度的降低孕育期越来越长，共析分解越来越困难，直至难以在进行共析分解，共析共生的过程将会停止，即平衡转变及准平衡转变将终止，这时系统自组织功能将使之开始进行非平衡的上贝氏体转变。

上贝氏体铁素体在奥氏体晶界优先单独形核并长大，大量的合金结构钢贝氏体的C—曲线的开始线在珠光体的左方。20Cr2Ni2Mo钢在650摄氏度等温转变时，珠光体的孕育期约100S；在400摄氏度贝氏体孕育期是6S。贝氏体铁素体的析出竟然比共析分解快得多，

这表明贝氏体转变不同于共析分解。

有时贝氏体铁素体的形成比珠光体转变还要慢，即贝氏体转变曲线右移。

与共析分解不同，贝氏体C—曲线无论左移还是右移，渗碳体是不与铁素体共析共生的。如果铁素体片间析出，则得到羽毛状上贝氏体。如果渗碳体不析出，残留奥氏体将保留到室温，这就得到无碳化物贝氏体。如果在贝氏体铁素体基体上分布着的颗粒状的奥氏体在冷却过程中部分地转变为马氏体，形成所谓的M/A岛，则得到粒状贝氏体。因此上贝氏体转变不同于共析分解，它与共析分解有本质上的区别。

五.下贝氏体转变和马氏体相变的联系和区别

某些钢中下贝氏体组织形貌具有针形或片状特征，与马氏体相似。下贝氏体组织与马氏体组织一样存在孪晶结构。

马氏体点及其稍下的温度区往往与下贝氏体转变去重叠。过冷奥氏体在Ms稍下，开始时先形成一定量的马氏体，等温一段时间后，下贝氏体开始转变，余下的奥氏体转变为下贝氏体。这样在同样温度下得到马氏体+下贝氏体的整合组织。可能的原因有两点：1）在马氏体稍下的温度等温，首先发生无扩散的马氏体变温转变，同时，碳原子也在扩散，在已经形成的马氏体当中，

以及尚未转变的奥氏体当中，碳原子都在不断扩散，而且

碳原子扩散导致某些奥氏体微区贫碳，或者由于涨落而形

成贫碳区，形成下贝氏体铁素体。

2）马氏体形成时，在其邻近的奥氏体中，产生应变能，该能量能够激发下贝氏体形核并转变下贝氏体组织。

下贝氏体中可以析出碳化物，但碳化物析出困难时残留了较多的奥氏体。而马氏体相变也有残留奥氏体，因此下贝氏体转变打上了马氏体相变的“烙印”。

六.贝氏体相变动力学的特征

贝氏体相变动力学具有以下特征：

1）与钢中马氏体片长大速度（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图不跟珠光体的C—曲线重叠，两曲线分开，并形成海湾区；

3）许多合金钢的贝氏体相变有一个明显的上限温度，即所谓的Bs点。在此温度等温，奥氏体不能全部转变为贝氏体。七．钢中贝氏体的力学性能

贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。一般来说，下贝氏体强度高，韧性好。而上贝氏体强度低，韧性差些。

贝氏体的强度随着温度的降低而升高。

贝氏体铁素体条片越小，其强度越高。贝氏体条片的大小主要取决于贝氏体的形成温度。形成温度越低，贝氏体铁素体条片越小，贝氏体铁素体内的位错密度越高，因而强度越高。

根据弥散强化理论，碳化物颗粒直径越小，数量越多，强度越高。下贝氏体的碳化物颗粒细小，呈ε碳化物弥散分布于贝氏体铁素体的

针片上，所以下贝氏体强度高。而上贝氏体中碳化物颗粒较为粗大，呈不连续的短棒状分别在铁素体条片间，分布不均匀，因此上贝氏体脆性大，强度低。碳化物的数量主要取决于贝氏体形成温度以及奥氏体中碳的含量。一般来讲，贝氏体形成温度越低，碳化物颗粒越细小。

同种钢在热处理后当硬度相同时，等温淬火获得的贝氏体较淬火回火组织具有更高的疲劳强度因为贝氏体较其他组织具有更佳的强韧性配合，疲劳裂纹的产生和扩展都较困难；此外在重载和大的冲击载荷工作条件下，应选贝氏体作为使用组织，因为抗冲击耐磨损性能也应强韧性配合较佳的组织为好。