西工大材料学院研究生复试 热处理-第五章

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二、贝氏体转变晶体学
包含：A—BF；A—BC；BF—BC （BC指贝氏体碳化物） 1、A—BF B上：K-S关系，惯习面{111}γ B下：K-S关系、西山关系，惯习面{111}γ、{225}γ等 2、A—BC B上中的碳化物为Fe3C，具有Pitsch关系， (001)Fe3C // (225)γ ，[010] Fe3C //[110]γ ，[110] Fe3C // [554]γ ； 惯习面(304) Fe3C // (227)γ ，表明Fe3C析出自A 3、BF—BC B下中的碳化物为Fe3C和ε-碳化物，形成温度越低，ε越多 BF与Fe3C间具有Bagaratski关系和Isaichev关系 BF与ε-碳化物间具有Jack关系
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二、下贝氏体（ B下） 1、形成温度：贝氏体转变区下部温度范围 2、形态： • 低碳钢：板条状BF平行排列成束 • 高碳钢：片状BF，各片间呈一定交角 • 中碳钢：板条、片状兼而有之
BF下中分布有细小碳化物，与BF的长轴呈55~60°角
低碳钢
高碳钢
中碳钢
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3、BF下的含碳量：过饱和 4、形成时有表面浮突 5、 BF下与γ之间具有K-S关系、西山关系 6、 BF下中有位错亚结构，位错密度高 7、钢的成分和形成温度对组织形态有影响： • C含量增大，碳化物量增加 • Al、Si含量增大，条内碳化物变为薄膜状富碳 奥氏体——准下贝氏体 • 形成温度越低， 碳的过饱和度越大，碳化物 分布越弥散
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准贝氏体中的AR分为两类：ARI分布在BF条间 并与BF长轴平行；ARⅡ分布在BF条内且与BF长 轴约呈15~25°角。
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在光学显微镜下， 准贝氏体组织呈粒 状和针状形貌，冷 速慢，粒状较多， 冷速快，针状较明 显。准贝氏体组织 具有优异的力学性 能。
慢冷 快冷
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如果在贝氏体温度区长期等温，准贝 氏体中仍可析出BC，便形成了典型贝氏 体。透射电镜高温原位观察证实BC既可 从AR中析出，也可从BF中析出。 根据析出源及分布，将BC分三类： BC1析自ARⅠ,与BF平行，类似典型上贝 氏体；BC2析自ARⅡ,与BF呈15~25°角， 为非典型下贝氏体；BC3析自BF内，与 BF呈55~60°角，为典型下贝氏体(这也证 明BF是过饱和碳的）。这是贝氏体转变 的第二阶段。其力学性能下降。
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二、贝氏体转变动力学图 • 呈C形，相变驱动力和扩散能力的矛盾所致 • P、B上、B下、等温M都有各自独立的C曲线
图5-22
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三、影响贝氏体转变动力学的因素
1、C和合金元素 • C延缓B形成 • 合金元素除Co、Al外，均延缓B形成 • 合金元素的复合作用大于其单独影响的代数和 原因分析：Me降低C的扩散速度；影响Bs点，降低相变 驱动力；在奥氏体中强碳化物形成元素与碳形成原子 团，使共格界面移动困难。 2、奥氏体晶粒度和奥氏体化温度 • 晶粒度影响不大 • 奥氏体化温度越高，贝氏体转变越慢
BC既可以自奥氏体中析出，也可以自铁素体中析出， 其晶体学关系尚无定论。
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§5-3 贝氏体转变机理概述
贝氏体转变包括BF的成长和BC的析出二个基本过程。 关于贝氏体的转变机理，国际上争论不休，主要有切 变机制和扩散控制的台阶机制两大学派。
一、切变机制 1、柯俊和Cottrell（50年代初）发现贝氏体相变有表面
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2、B长大速度与温度和含碳量的关系 • 温度越高，长大速度越快 • 350°C发生突变（上、下贝氏体长大速度不同） • 含碳量越高，长大速度越小
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3、B转变不完全性的原因 • 形成富碳奥氏体，化学稳定性增加 • 贝氏体的比容较大，奥氏体产生机械稳定化 • 转变温度高，相变驱动力小 • 转变温度高，已形成柯氏气团，奥氏体热稳 定化 • 当Bf<Ms时，因M形成的机械稳定化作用，温 度越低，B转变越少
一、相变驱动力 柯俊认为贝氏体铁素体按切变机制形成，贝氏 体相变热力学与马氏体相变热力学相似，相变 驱动力∆GV必须补偿表面能∆GS、弹性应变能 ∆GE 、塑性应变能∆GP等： ∆G=- ∆GV+ ∆GS + ∆GE + ∆GP
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与马氏体的不同： • BF含碳量低，使奥氏体与贝氏体铁素体的化 学自由能差增大，驱动力-∆GV大 • BF与奥氏体的比容差小，相变时因比容增大 和维持切变共格所引起的弹性应变能∆GE小 • BF与奥氏体的比容差小，相变时使周围奥氏 体的协作形变能∆GP小 所以，不需要马氏体转变时那么大的驱动 力，则Bs>Ms Bs 贝氏体开始转变的上限温度
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二、Bs点及其与钢的成分的关系 • Bs点是表示奥氏体和贝氏体间自由能差达 到相变所需的最小化学驱动力值时的温 度，或者说Bs点反映了贝氏体相变得以进 行所需要的最小过冷度，高于Bs点则贝氏 体转变不能进行。
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碳含量小于0.5%，∆F=0线为Bs点，即碳含量越低，Bs点越高 碳含量大于0.5%，Bs为一恒定值： Bs(°C)=830-270(%C)-90(%Mn)-37(%Ni)-70(%Cr)-83(%Mo) 适用于C=0.1~0.55%, Cr≤3.5%, Mn=0.2~1.7%, Mo≤ 1.0% , Ni ≤5%
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§5-5 贝氏体转变动力学
一、贝氏体转变的动力学特点
形核长大过程、有孕育期、长大速度慢、转变不完全 1、B转变的全激活能Q
• 激活能随碳含量增加而增大 • 350°C（B上、B下过渡温度）,lgτ50与1/T曲线的斜率变化 • QB上=126kJ/mol、 QB下=75kJ/mol，分别与C在奥氏体和铁素体 中的扩散激活能相当
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§5-1 贝氏体的组织形态和亚结构
一、上贝氏体（ B上）
1、形成温度：贝氏体转变区较上部温度 2、形态：成束、大体平行的板条状铁素体（BF）和条间 碳化物（粒状或条状）组成的非层片状组织，自晶界向 晶内生长，呈羽毛状。束的平均尺寸为有效晶粒尺寸， 束间位向差较大，板条间位向差小
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3、BF上的含碳量：接近平衡态的浓度 4、形成时有表面浮突 5、 BF上与γ之间具有K-S关系 6、 BF上中有位错亚结构 7、钢的成分和形成温度对组织形态有影响： • C含量增大，板条变薄，碳化物量增加，由粒 状、链状变为短杆状 • Al、Si含量增大，条间碳化物变为薄膜状富碳 奥氏体——准上贝氏体 • 形成温度降低， BF上变薄，碳化物变细密
第五章 贝氏体转变
§5-1 贝氏体的组织形态和亚结构 §5-2 贝氏体转变的特点和晶体学 §5-3 贝氏体转变机理概述 §5-4 贝氏体转变热力学分析 §5-5 贝氏体转变的动力学 §5-6 贝氏体的机械性能 §5-7 魏氏组织
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• 贝氏体转变又称为中温转变 • 贝氏体具有良好的综合机械性能，变形、开裂倾向小， 贝氏体等温淬火是一种重要的热处理工艺 • 连续冷却也能得到贝氏体组织 • 贝氏体组织复杂、多样，对其转变机理分歧很大，对贝 氏体的定义尚无统一的认识。 • 一般认为贝氏体是条片状铁素体和碳化物组成的非层片 状组织 • 掌握贝氏体转变的基本特点、规律、组织形态、性能及 其影响因素
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（二）粒状贝氏体
1、形成温度：稍高于B上形成 温度，在低、中碳钢中存在 2、形态：条状亚单元组成的 板条状铁素体和在其上呈一 定方向分布的富碳奥氏体 岛(有时还有少量碳化物) 3、碳含量：近于平衡态 4、有表面浮凸效应 5、有位错亚结构 6、富碳奥氏体会部分转变为 马氏体，变为M-A岛
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（三）反常贝氏体
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三、准贝氏体 为了避免BC的出现,在贝氏体钢中加入 Si、Al等阻碍碳化物析出的合金元素， 使得贝氏体转变明显分为两个阶段。在 贝氏体孕育期内，过冷奥氏体形成贫碳 区与富碳区，BF在过冷奥氏体的贫碳区 切变形成，其间分布着富碳的残余奥氏 体薄膜(AR)，此时处于贝氏体转变的初 期阶段，此类贝氏体即为准贝氏体。
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二、扩散ห้องสมุดไป่ตู้制的台阶生长机制
Aaronson (60年代) 利用热离子发射显微镜观察到先共析 铁素体台阶的形成和长大，得到上贝氏体台阶长大的照 片，认为贝氏体是非层片的共析反应产物，提出贝氏体 转变的台阶生长机制，台阶移动速度受碳在奥氏体中的 扩散控制。
γ α
台阶机制长大示意图
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§5-4 贝氏体转变的热力学分析
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3、应力和塑性变形 • 拉应力加速贝氏体转变 • Bs以上高温变形，延缓 B转变； Bs以下低温变 形，加速B转变 原因：高温变形产生多边 化亚结构，破坏了晶粒的 延续性，BF共格生长受 阻；低温变形，产生大量 位错，加快C扩散，A中存 在应力也有利于B形核。
图5-23
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图5-24
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4、奥氏体冷却中在不同温度的停留 • 在P-B区间的亚稳定区停留(Bs点以下)，加速B形成(规程1)。原 因：停留时，奥氏体中碳化物析出，降低了奥氏体的含碳量。 • 在B区上部停留，使A部分转变，减慢随后在更低温度的B转变(规 程2)。原因：高温区部分B上转变后，使A中碳量增高；高温区停 留，促进了A的热稳定化。 • 在贝氏体区下部或马氏体区停留，使A部分地发生转变，将使随 后在更高温度的B转变加速(规程3)。原因：较低温度发生的转变 在A中产生的应力，促进了随后在较高温度的B转变的形核。
浮突效应，认为与马氏体的相似，提出了贝氏体相变 的切变机制。认为：BF以切变共格方式形成并长大， 同时还有碳原子的扩散及其碳化物的析出，所以整个 过程受碳原子的扩散所控制。
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• 温度较高，C的扩散能力强， 可从BF中扩散出去，也可扩 散离开周围的奥氏体，形成 无碳化物贝氏体 • 温度稍低，碳可从BF中扩散 出去，但在奥氏体中扩散不 充分，因而在BF板条间富 集，析出碳化物，形成上贝 氏体 • 温度较低，碳在铁素体中的 扩散也很难，只能在BF的某 些晶面或缺陷处偏聚，并析 出碳化物，形成下贝氏体
一、贝氏体转变特点