Fe-C合金贝氏体相变热力学(KRC模型)
贝氏体相变
转变过程
图1贝氏体形成过程示意上贝氏体开始转变前，在过冷奥氏体的贫碳区先孕育出铁素体晶核。它处于碳过饱和 状态，碳有从铁素体中向奥氏体扩散的倾向，随着密排的铁素体条的伸长、变宽，生长着的铁素体中的碳不断地 通过界面排到其周围的奥氏体中，导致条间奥氏体的碳不断富集，当其碳质量分数足够高时，便在条间沿条的长 轴方向析出碳化物，形成典型的上贝氏体，如图1中（a）。
此外，在低中碳合金钢中，还往往会出现粒状贝氏体，其形成温度大致在上贝氏体转变温度区的上部。
贝氏体转变(六)
缺陷：贝氏体转变具有表面浮凸现象，因此具有马氏体转变中 的不变平面应变的特征。后来发现，在Ti-Cr合金中铁素体的析
出伴随着帐篷形浮凸，不具有不变平面应变的特征。
二、 贝氏体的组织形态（☺）
由于转变温度的不同，贝氏体有以下几种形态：
无碳化物贝氏体 上贝氏体
下贝氏体
粒状贝氏体
柱状贝氏体
析出，所以成为反常贝氏体。
Fe3C首先在原奥氏体晶粒内部 形核长大成薄片状，随后铁素 体在其周围形核长大，并将 Fe3C包围，最终形成含有渗碳
体为中脊的片状贝氏体。
反常贝氏体
贝氏体形态小结
无碳化物贝 氏体 Bs 粒状贝氏体
550℃
上 贝 氏 体
350℃
上贝氏体
230℃
下贝氏体
TIPS：钢中的贝氏体类组织往往与钢中
σs σ0 Kd
1 2
(三) 溶质元素的固溶强化作用
形成温度越低，过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高。
（四）位错亚结构密度
形成温度越低，位错密度越高，强度越高。
2. 贝氏体的韧性 下贝氏体的韧性高于上贝氏体 主要原因：
上贝氏体存在粗大的碳化物颗粒或断续的条状碳化物，也
可能存在高碳马氏体区，容易形成大于临界尺寸的裂纹。
典型固态相变之【贝氏体转变】………..
第六节 贝氏体相变
贝氏体转变：在过冷奥氏体到珠光体和马氏体转变之间的中温转变。 （碳钢的BS约为550℃左右）
转变产物称为贝氏体，记为B，是铁素体和碳化物组成的非片层状的机 械混合物。
主要特点：贝氏体中的铁素体相形成是无扩散的，按照马氏体转变的切变
机制进行，而碳化物的析出则是通过扩散进行的，因此贝氏体转变又称为半 扩散型转变。
Fe-c
Fe—C 2. Fe C合金中的基本相
Fe—Fe3C相图中，Fe—C Fe3C相图中 在Fe Fe3C相图中，Fe C合金在不同条件 成分，温度) 可有五 个基本相： (成分，温度)下，可有五（六）个基本相： L Fe3C相、（石墨 石墨G 相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨G）。 液相( （1）液相(L) Fe与 在高温下形成的液体溶液。 ABCD线 Fe与C在高温下形成的液体溶液。(Aห้องสมุดไป่ตู้CD线 以上) 以上) 高温铁素体（ （2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite） ferrite）]
（2）Fe—Fe3C相图的线 2 Fe Fe3C Fe3C相图的线 。
A.三条水平线 A.三条水平线
① HJB-- 包晶转变线 ： HJB-1459℃ （1459℃） L0.53+δ0.09 γ0.17 （LB+δH γ J）
转变产物为奥氏体 (austenit) 强度低， 强度低，塑性好
A.三条水平线 A.三条水平线
纯铁的同素异构转变
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
概念
铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙 固溶体。 奥氏体：碳在γ -Fe（面心立方结构的铁）中的间 隙固溶体。 渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （F+Fe3c 含碳0.8%） 莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳 4.3%）
Fe—C Fe C合金中的基本相
奥氏体（austenite） （3） 奥氏体（austenite） 奥氏体( A)是 Fe形成的间 奥氏体 ( γ 或 A) 是 C 溶解于 γ—Fe 形成的间 Fe 隙固溶体称为奥氏体（austenite）。 隙固溶体称为奥氏体（austenite） 奥氏体
贝氏体相变
3. 无碳化物贝氏体
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。
§5.3贝氏体转变的特点
（ 1 ）贝氏体转变速度比马氏体转变速 度慢得多。
（2）贝氏体转变的不完全性 等温温度降至某一温度时，奥氏体可 以全部转变为贝氏体； 等温温度即使降到很低的温度，仍不 能完全转变，仍有部分奥氏体残留下来。
随奥氏体化温度和保温时间的增加，贝 氏体转变速度先降后增。
（三）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 速度减慢；而在较低温度的形变却 使转变速度加快。
（四）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。
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（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。
3. 贝氏体转变通过形核及长大方式进行
贝氏体长大时，在平滑试样表面有浮凸现象发生，
这说明α -Fe可能按共格切变方式长大。
相变时C扩散重新分配，α 相长大速度受钢中C的
第五章 贝氏体相变
美国冶金学家 Edgar C. Bain
(Sept. 14, 1891 -- Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation
贝氏体 -- Bainite
奥氏体：austenite 珠光体：pearlite 马氏体：martensite 贝氏体：bainite 铁素体：ferrite 渗碳体：cementite
6. 转变的晶体学特征
Fe-C相图与非平衡相转变基础知识讲
Fe-C相图与非平衡相转变归纳总结钢通常被定义为一种铁和碳的合金，其中碳含量在几个ppm到2.11wt%之间。
其它的合金元素在低合金钢中可总计达5wt%,在高合金钢例如工具钢，不锈钢（>10.5%）和耐热CrNi钢（>18%）合金元素含量甚至更高。
钢可以展现出一系列的性能，这些性能依据于钢的组成，相状态和微观组成结构，而这些又取决于钢的热处理。
Fe-C相图理解钢的热处理的基础是Fe-C相图（图一）。
图一实际上有两个图：（1）稳定态Fe-C图（点划线），（2）亚稳态Fe-Fe3C图。
由于稳态需要很长时间才能达到，特别是在低温和低碳情况下，亚稳态往往引起人们更多的兴趣。
Fe-C相图告诉我们，在不同碳含量的组成和温度下，达稳态平衡或亚稳态平衡时哪些相会生成。
我们区别了a-铁素体和奥氏体，a-铁素体在727°C （1341°F）时最多溶解0.028%C，奥氏体在1148°C （2098°F）可溶解2.11wt%C。
在碳多的一侧我们发现了渗碳体（Fe3C），另外，除了高合金钢之外，高温下存在的a-铁素体引起我们较少的兴趣。
在单相区之间存在着两相混合区，例如铁素体和渗碳体，奥氏体和渗碳体，铁素体和奥氏体。
在最高温下，液相区可被发现，在液相区以下有两相区域液态奥氏体，液态渗碳体和液态铁素体。
在钢的热处理中，我们总是避免液相的生成。
我们给单相区一些重要的边界特殊的名字：（1）A1，低共熔温度，是奥氏体生成的最低温度；（2）A3，奥氏体区域的低温低碳边界，也即r/(r+a)边界；（3）Acm,奥氏体区域的高碳边界，也即r/(r+Fe3C)边界。
低共熔温度碳含量是指在奥氏体生成的最低温度时的碳含量（0.77wt%C）。
铁素体-渗碳体混合相在冷却形成时有一个特殊的外貌，被称为珠光体，可作为微观结构实体或微观组成物来进行处理。
珠光体是一种a-铁素体和渗碳体薄片的混合物，渗碳体薄片又退化为渗碳体颗粒散步在一个铁素体基质中，散步过程发生在铁素体基质扩散接近A1边界之后。
Fe-C相图
第十二节课铁碳相图从此开始，主要讲钢铁。
钢铁的内容看似繁杂，实际上也有一条主线，那就是：二元四火二图六体二元：铁，碳。
四火：退火，淬火，正火，回火。
二图：铁碳相图，TTT图。
六体：铁素体，奥氏体，渗碳体，珠光体，贝氏体，马氏体。
铁碳的关系。
为什么二者有如此亲密关系？确实是上帝造成的。
自然有：焦碳使氧化铁还原这层关系。
但它们的关系远不是这些。
这二者的主要关系在于碳能固溶在铁中，而产生相变，影响热处理。
铜，铝中均不能与碳固溶，也没有相应的相变，及碳的影响，更没有与碳的合金。
纯铁中的α←→γ相变，比较简单。
在短时间内就可以完成。
而碳钢中，则是α←→γ+Fe3C，比较复杂。
如果时间足够的话，还可以完成这一相变。
时间一短，则使此相变半途中止，出现马氏体。
α最多固溶0.02% C, γ可固溶2.11% C，相差近100倍。
只有钢铁的热处理产生千差万别的性质，而铜铝则没有这种固态相变和热处理。
首先在黑板上画出铁碳相图。
相图中有一个包晶反应，一个共析反应和一个共晶反应。
此铁碳相图只是碳含量至 6.68wt%的部分，不是如其他二元相图那样两种元素含量都到100%的成分。
讲解各相的意义，有α、γ、δ相，但没有β相。
以前曾以为α相中的居里点是相的转变，并命名为β相。
α、γ、δ相分别被称为α铁素体、γ奥氏体、δ铁素体。
此铁碳相图实际上是铁―Fe3C（渗碳体）相图。
即碳以渗碳体的形式存在。
碳也可能以石墨的形式存在。
所以还有一个铁―石墨相图。
为什么铁碳相图的右上方的渗碳体的熔点线是虚线？渗碳体的熔点的理论计算值为1227℃，为什么没有实验值？再画出冷却曲线。
讲解其中A0、A1、A2、A3、A4意义。
其顺序是按温度高低来排定的。
但在某一铁碳合金，如在纯铁中，并不是同时可以观察到所有这些点。
A0210℃，渗碳体的居里点。
A1727℃，共析温度。
A2770℃，α铁的居里点，纯铁的磁性转变温度A3912℃（纯铁），α←→γ重大的利用价值A41394℃（纯铁），γ←→δ实用材料中没有什么利用价值铁碳相图的5个点wt%：P 0.0218% C 最大α铁素体碳含量，共析相变左点S 0.77% C 共析点E 2.11% C 最大奥氏体碳成分，共析相变右点C 4.30% C 共晶点F 6.69% C 渗碳体成分转变的温度迟滞现象：加热时，α→γ转变在高于A3的某一温度进行，该温度称为：A c3冷却时，α←γ转变在低于A3的某一温度进行，该温度称为：A r3注意：A2没有温度迟滞现象。
Fe-C相图解析
铁碳合金中的根本组织
含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％ 的合金为白口铸铁。全部碳钢和白口铸铁在室温下的 组织均有铁素体〔F〕和渗碳体〔Fe3C〕这两个根本 相所组成。只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相 对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。
✓ 在铁碳合金中，当wc=0.77％，温度在727℃时，会 产生共析转变。所共析转变是指在某一恒定温度时，
合金⑤是碳的质量分数为共晶成分〔wc=4.3%〕的共晶铁碳合金。从相图上可 看到当温度在1点〔1148 C〕之上是均匀的液相状态，当温度降到1点之后发 生恒温共晶转变。即 L4.3→(A2.11+Fe3C)≡Ld。液相全部以共晶转变的方式结 晶成高温莱氏体〔Ld〕。组成高温莱氏体的奥氏体和渗碳体分别被称为共晶奥 氏体和共晶渗碳体。共晶奥氏体通常以树枝状分布在共晶渗碳体的基体上。但 当温度降到1点以下，随温度的下降，碳在奥氏体中溶解度的下降，Ld中的共晶 奥氏体也同样会析出Fe3CⅡ，并与Ld中作为基体的共晶渗碳体混成一体。在 1～2点之间合金⑤的显微组织是Ld。当Ld中的共晶奥氏体析出Fe3CⅡ，时其 本身的碳的质量分数也不断下降，当温度降到2点〔727℃〕时共晶奥氏体的wc ＝0.77%，随即发生共析转变，共晶奥氏体转变成珠光体，从2点直到室温，合 金⑤的显微组织是在渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体。这种显微组织称 为低温莱氏体，也称为变态莱氏体，符号是Fe3CⅡ+Ld` 。
室温组织 过共析钢其组织由珠光体和先共析渗碳体〔即二次渗碳体〕组 成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量就越多。图为含碳量1.2 ％的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体和网络状二 次渗碳体，经浸蚀后珠光体成暗黑色，而二次渗碳体则呈白色 网络状。
第五章贝氏体相变
3.贝氏体相变动力学
• 贝氏体相变也是一种形核 和长大过程。
• 与珠光体相变一样，贝氏 体可以在一定温度范围内 等温形成，也可以在某一 冷却速度范围内连续冷却 转变。
• 贝氏体等温形成时，需要 一定的孕育期，其等温转 变动力学曲线也呈“C"字 形。
4. 贝氏体相变的扩散性
• 贝氏体相变： 奥氏体() 铁素体（）+碳化物
（100）Fe3C /（/ 554）A
（010）Fe3C //(110）A (001 温度范围内形成的贝 氏体称为下贝氏体。
• 对于中、高碳钢，下 贝氏体大约在350℃ Ms之间形成。碳含量 很低时，其形成温度 可能高于350℃
2. 下贝氏体
富集而趋于稳定，并保留到室温成为一种特殊的上贝氏体— 准上贝氏体； ⑤T渗碳体更细密
1. 上贝氏体
⑥亚结构：位错—说明切变以滑移方式进行，形成温度 位错密度；
⑦具有一定晶体学取向关系和表面浮突效应；上贝氏体 铁素体的惯习面为{111}，与奥氏体之间的位相关系 为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}，与奥氏体之间 存在Pitsch关系。
关系，惯习面为{111}
5. 低碳低合金钢中的贝氏体
无
BI 600-500℃等温
碳 贝
慢速 连续冷却
氏 体
上
贝
500-450℃等温
氏
BII
体
中速 连续冷却
下
BIII 450℃-Ms等温
贝 氏
快速 连续冷却
体
机械性能好
5.3 贝氏体相变机制
• 贝氏体形成
– 铁素体与母相奥氏体之间保持第二类共格关系 – 具有一定的晶体学位向关系 – 在光滑试样表面产生浮突 **说明贝氏体中铁素体的形成是马氏体型相变
第五章 贝氏体相变
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
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D
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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。
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（2）下贝氏体
固 态 相 变 原 理 与 应 用
A 经典下贝氏体
在贝氏体相变的低温转变区 形成，大约在350℃以下。
原奥氏体晶 界 A A
BF
形成，由平行板条
铁素体束及板条间
图5-4 无碳化物贝氏体示意图
未转变的富碳奥氏
体组成。
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§5.1.2 贝氏体的组织形态
固 态 相 变 原 理 与 应 用
（1）上贝氏体
A 无碳化物贝氏体
BF 核在 A 晶界上形成后， 原奥氏体晶 向晶内一侧成束长大。 界 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 。
排列的ε-碳化物。
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BF中碳含量远远高于平衡碳含量，亚结构为
固 态 相 变 原 理 与 应 用
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。
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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固 态 相 变 原 理 与 应 用
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第五章
固 态 相 变 原 理 与 应 用
贝氏体相变
第6章 贝氏体相变PPT课件
第二节 贝氏体相变机制
相变机制： 马氏体型相变：
因为贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之间保持 第二类共格、有一定的晶体学位向关系、浮凸 现象等； 扩散型相变：由单相的奥氏体分解为碳浓度不 同的铁素体+碳化物； 结论：贝氏体相变是马氏体相变+碳原子的扩散。
一、恩金贝氏体相变假说 实验一：低碳钢形成的下贝氏体中的铁素体过饱
K-S，惯习面是{111}等 碳化物：-碳化物、-碳化物
（渗碳体），从过饱和铁素体中 析出。
3.粒状贝氏体
3. 粒状贝氏体 形成条件：低、中碳合金钢在上贝氏体相变区高
温范围内等温时形成。 组织形态：粒状富碳奥氏体分布在铁素体条中。 基体：条状铁素体合并而成，铁素体的含碳量很
低，接近平衡浓度，富碳奥氏体区含碳很高。 粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素
有碳原子的扩散，碳的扩散速度控制贝氏体转变速度并影 响组织形貌。
第一节 贝氏体相变的基本特征和组织形状
一、贝氏体相变的基本特征 1. 贝氏体相变的温度范围： 贝氏体相变的温度范围：Bs~Ms 贝氏体相变不能进行到底，有残余奥氏体存在。 2. 相变产物： B由铁素体与碳化物、马氏体、富碳残余奥氏体
等组成。而P由铁素体和碳化物组成。 贝氏体转变与珠光体有着本质的不同：非平衡、
位错密度高、各相无比例关系、相组成不同等。
贝氏体定义：钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产 物，它以贝氏体铁素体为基体，同时可能存在-渗碳体 或-碳化物、残余奥氏体等相构成的组织。贝氏体铁素 体的形貌多呈条片状，亚结构是位错。