贝氏体

第四章贝氏体转变

在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间，过冷奥氏体将按另一种转变机制转变。由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原了还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于铁原子也能扩散的珠光体转变以及碳原子也基本上不能扩散的马氏体转变。一般是铁素和碳化物所组成的非层片状组织。

钢中贝氏体转变首先由美国著名冶金学家Bain等人于1930年作了研究和阐述，因此这种转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。我国柯俊教授在这方面亦曾信信作过有益的贡献，他和他的合作者发表的论文至今仍在国内外广为援引。

贝氏体转变既具有珠光体转变，又具有马氏体转变的某些特征，是一个相当复杂的到目前为止还研究得很不够的一种转变。由于转变的复杂性和转变产物的多样性，致使还未完全弄清贝氏体转变的机制，对转变产物贝氏体也还是无法下一个确切的定义。

虽然我们对贝氏体转变了解得还很不够，但贝氏体转变在生产上却很重要，因为在低温度范围内，通过贝氏体转变所得的下贝氏体具有非常良好的综合力学性能，而且为获得下贝氏体组织所采取的等温淬火工艺或连续冷却工艺均可减少工件的变形和开裂。为了获得贝氏体，除了采用等温淬火的方法以外，也可在钢中加入合金元素，冶炼成贝氏体钢，如我国的14CrMnMoVB和14MnMoVB等。这类钢在连续冷却条件下即可得到贝氏体。因此，对贝氏体转变进行研究和了解，不仅具有理论上的意义，而且还有着重要的实际意义。

考虑到贝氏体转变的复杂性，也考虑到对贝氏体转变机制还存在很多争议，这里首先着重介绍贝氏体转变的一些基本现象，在弄清楚基本现象的基础上，对目前还在争论中的贝氏体转变机制作一般介绍。

§4-1贝氏体转变基本特征

贝氏体转变兼有珠光体转变与马氏体转变的某些特征。归纳起来，主要有以下几点：一、贝氏体转变温度范围

对应于珠光体转变的A1点及马氏体转变的M S点，贝氏体转变也有一个上限温度B S点。奥氏体必须过冷到B S以下才能发生贝氏体转变。合金钢的B S点比较容易测定，碳钢的B S 点由于有珠光体转变的干扰，很难测定。贝氏体转变也有一个下限温度B f点，但B f与M f 无关，即，B f可以高于M S，也可以低于M S。

二、贝氏体转变产物

与珠光体转变一样，贝氏体转变产物也由α相与碳化物组成的两相机械混合物，但与珠光体不同，贝氏体不是层片状组织，且组织形态与转变温度密切相关，其中包括α相的形态、大小以及碳化物的类型及分布等均随转变温度而异，就α相形态而言，更多地类似于马氏体而不同于珠光体。因此，Hehemann称贝氏体为铁素体与碳化物的非层状混合组织。Aaronson 则称之为非层状共析反应产物或非层状珠光体变态。可以看出，Aaronson强调的是贝氏体转变与珠光体转变一样，都是共析转变，只是因为转变温度不同而导致转变产物的形态不同。

需要特别指出，在较高温度范围内转变时所得的产物中虽然无碳化物而只有α相，但从转变机制考虑，仍被称为贝氏体。

三、贝氏体转变动力学

贝氏体转变也是一个形核及长大的过程，可以等温形成，也可以连续冷却形成。贝氏体等温形需要孕育期，等温转变动力学曲线也呈S形，等温形成图也具有“C”字形。应当指出，精确测得的贝氏体转变的C曲线，明显地是由两条C曲线合并而成的，这表明，中温转变很可能包含着两种不同的转变机制。

四、贝氏体转变的不完全性

贝氏体等温转变一般不能进行到底，在贝氏体转变开始后，经过一定时间，形成一定数量的贝氏体后，转变会停下来。换言之，奥氏体不能百分之百地转变为贝氏体。这种现象被称为贝氏体转变的不完全性，也称为贝氏体转变的自制性。通常随着温度的升高，贝氏体转变的不完全程度增大。未转变的奥氏体，在随后的等温过程中，有可能发生珠光体转变，称之为二次“珠光体转变”。

五、贝氏体转变的扩散性

由于贝氏体转变是在中温区，在这个温度范围内尚可进行原子的扩散，因此，贝氏体转变中存在着原子的扩散。一般认为，在贝氏体转变过程中，只存在着碳原子的扩散，而铁及合金元素的原子是不能发生扩散的。碳原子可以在奥氏体中扩散，也可以在铁素体中扩散。由此可见，贝氏体转变的扩散性是指碳原子的扩散。

六、贝氏体转变的晶体学

在贝氏体转变中，当铁素体形成时，也会在抛光的试样表面上产生“表面浮凸”。这说明铁素体的形成同样与母相奥氏体的宏观切变有关，母相奥氏体与新相之间维持第二类共格（切变共格）关系，贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之间存在着一定的惯习面和位向关系。

七、贝氏体中铁素体的碳含量

贝氏体中铁素体的碳含量一般也是过饱和的，而且随着贝氏体形成温度的降低，铁素体中碳的过饱和程度越大。

由上述主要特征可以看出，贝氏体转变在某些方面与珠光体转变相类似，而要某些方面又与马氏体转变相类似。

§4-2 贝氏体的组织形态和晶体学

贝氏体的组织形态随钢的化学成分及形成温度的变化而变化。贝氏体按组织形态的不同区分为无碳化物贝氏体，上贝氏体，下贝氏体，粒状贝氏体以及柱状贝氏体等。由于目前对贝氏体的组织形态的划分还没有统一的标准，所以还有一些其它贝氏体形态的报导。这里仅对最主要的无碳化物贝氏体，上贝氏体，下贝氏体以及粒状贝氏体等的组织形态进行讨论。

一、无碳化物贝氏体（B无）

无碳化物贝氏体由板条铁素体束及未转变的奥氏体组成，在铁素体之间为定富碳的奥氏体，铁素体与奥氏体内均无碳化物析出，故称为无碳化物贝氏体，是贝氏体的一种特殊形态（图4-1）。

1、形成温度范围

在贝氏体转变的最高温度范围内形成。

2、组织形态

是一种单相组织，由大致平行的铁素体板条组成。铁素体板条自奥氏体晶界处形成，成束地向一侧晶粒内长大，铁素体板条较宽，板条之间的距离也较大。随着贝氏体的形成温度降低，铁素体板条变窄，板条之间的距离也变小。在铁素体板条之间分布着富碳的奥氏体。由于铁素体与奥氏体内均无碳化物析出，故称为无碳化物贝氏体。

富碳的奥氏体在随后的等温和冷却过程中还会发生相应的变化，可能转变为珠光体、其它类型的贝氏体或马氏体，也有可能保持奥氏体状态不变。所以说无碳化物贝氏体是不能单独存在的。

3、晶体学特征及亚结构

无碳化物贝氏体中的铁素体形成时也能在抛光试样表面形成浮凸。惯习面为{111}A ，铁素体与母相奥氏体的位向关系为K-S 关系。魏氏组织铁素体在形成时也能引起浮凸，惯习面{111}A ，也是位向关系也是K-S 关系，形态也与无碳化物贝氏体铁素体极其相似，因此多数人认为魏氏组织铁素体即无碳化物贝氏体。

(a) (b)

(c)

图4-1 无碳化物贝氏体

a) 20CrMo ，1150℃→535℃ ×800 b) 30CrMnSi ，900℃→550℃ ×1000

c)