第五章贝氏体相变

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第5章 新2-4--贝氏体转变(2-4)

第5章 新2-4--贝氏体转变(2-4)
上贝氏体转变过程
上 贝 氏 体 转 变 过 程 观 察
当转变温度较低(350- 230℃) 时,铁素体在晶界或 晶内某些晶面上长成针状,由于碳原子扩散能力低, 其迁移不能逾越铁素体片的范围,碳在铁素体的一 定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。
下贝氏体转变
贝氏体转变属半扩散型转变,即只有碳原子扩散而 铁原子不扩散,晶格类型改变是通过切变实现的。
将减慢随后在更低温度的贝氏体转变。
3.在贝氏体区下部(或马氏体区停留),使奥氏体
部分的发生转变,将使随后在更高温度的贝氏体加 速。
影响贝氏体转变动力学的因素
(四)奥氏体冷却过程中在不同温度停留
第四节 贝氏体转变机理概述
一.切变机理
贝氏体转变的温度比马氏体要高,此时碳原子有一 定的扩散能力,因而当贝氏体中的铁素体在以切变 共格方式长大的同时,还伴随着碳原子的扩散和碳 化物从铁素体中脱熔沉淀的过程。
好,即具有良好的综合力学性能,是生产上常用的 强化组织之一。
上贝氏体 贝氏体组织的透射电镜形貌
下贝氏体
2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形
核和长大的过程。
发生贝氏体转变时, 首先在奥氏体中的 贫碳区形成铁素体 晶核,其含碳量介 于奥氏体与平衡铁 素体之间,为过饱 和铁素体。
当转变温度较高(550-350℃) 时,条片状铁素体从 奥氏体晶界向晶内平行生长,随铁素体条伸长和变 宽,其碳原子向条间奥氏体富集,最后在铁素体条 间析出Fe3C短棒,奥氏体消失,形成B上 。
火马氏体相近
贝氏体转变
1、贝氏体的组织形态及 性能
过冷奥氏体在550℃230℃ (Ms)间将转变为贝 上贝氏体 氏体类型组织,贝氏体 用符号B表示。

贝氏体转变的特点

贝氏体转变的特点

相变之间的中温区时,将发生贝氏体相变,亦称为典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状,少数呈椭圆形或矩形。

光镜下电镜下素体条增多并变薄,条间渗碳体的数量增多,其形态也由粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。

为间形成。

渗碳体,也可以是ε-碳化物,主要分布在铁素体条内部。

下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核,也可以在奥氏体晶粒内部形核。

光镜下电镜下下贝氏体中铁素体的碳含量远远氏体铁素体相似,也是往高于上贝氏体铁素体,而且未发现有孪晶亚结体相变区无碳化物贝氏体示意图)体相变区状(岛状)富碳奥氏体贝氏体相变是由一个单相(γ)转变为两个相(α相和碳化物)的过程,所以相变过程中子的扩散。

贝氏体相变时产生氏体保持一定的晶体学位向关系。

转变温度范围①转变的两个基本过程贝氏体的转变包含铁素体的成长和碳化物的析出两个过程。

Fe -Fe3C平衡状态图育期内由于碳原子的扩散重新分配,在奥氏体内形成富碳区和贫碳区,其Ms Bs奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系素体的碳含量减低,则使其自由能降低,增大了新、母相自由能的差值。

某合金钢等温转变动力学示意图贝氏体和珠光体的转变曲线轮廓合为一条某合金钢等温转变动力学示意图(珠光体转变与贝氏体转变已分离)生的,贝氏体相变主要受碳的扩散所控制。

中的扩散速度所控制。

1)化学成分的影响温转变为碳含量增高,形成贝氏体时需要扩散的碳的数量入多种合金元素,其相互影响比较复杂。

相变速度提高。

当应力超过其屈服强度时,贝氏体相变速度的提高尤为显著。

高,有利于碳的扩散,故使贝氏体相变((分上贝氏体后再冷却至贝氏体相变的低温区(曲线2)时,将使下贝氏体相变的孕育期延长,速度,减少最终贝氏体转变量。

要低,体时脆性转折温度突然下降,其原因可能是:。

第五章贝氏体转变

第五章贝氏体转变

反常贝氏体组织
产生于过共析钢中,形成温度在350℃稍上。领先相为Fe3C。 左下图为1.34%C钢在550℃等温1S的组织
柱状贝氏体
产生于高碳及其合金 钢中,在贝氏体转变 的较低温度转变区形 成。柱状贝氏体中的 铁素体呈放射状,碳 化物沿一定方向分布 排列,与下贝氏体相 似。柱状贝氏体不产 生表面浮凸。
低碳低合金钢中贝氏体基本形态示意图
5.2 贝氏体转变理论
• 一 转变热力学
• 钢中过冷奥氏体转变为贝 氏体,必须满足:
• ΔG=GB-Gγ≤0 • 贝氏体转变属于半扩散型
相变,除新相表面能Sσ外, 还有母相与新相比容不同 产生的应变能和维持两相 共格关系的弹性应变能εV, 则贝氏体形成时系统自由 能也可以表示为:
第五章 贝氏体转变
钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区转 变的产物,这由钢的冷却转变图(“C曲线” 或CCT曲线)得知。其转变温度位于珠光体 温度和马氏体转变温度之间,因此称为中 温转变。这种转变的动力学特征和产物的 组织形态,兼有扩散型转变和非扩散型转 变的特征,称为半扩散型相变。
一般将具有一定过饱和度的α相和Fe3C 组成的非层状组织称为贝氏体。
3、贝氏体转变通过形核和长大方式进行
贝氏体转变是一个形核和长大过程,等温 转变动力学曲线是S形,等温转变动力学图 是C形。等温转变动力学图是由上贝氏体的 等温转变动力学图和下贝氏体的等温转变 动力学图合并而成。
贝氏体转变是奥氏体分解、有孕育期和领 先相。领先相为铁素体,贝氏体长大和碳 化物析出受碳扩散控制。上贝氏体长大速 度取决于碳在奥氏体中的扩散,下贝氏体 长大速度取决于碳在铁素体中的扩散。贝 氏体转变比马氏体转变慢。说明中温转变 是两种不同机制的转变。

第5章 贝氏体转变8

第5章 贝氏体转变8

由于θ与A之间存在位向关系,所以一般认为上B中θ是从 A中析出的。 上B中,除FB 及θ外,还可能存在未转变的残A。硅、铝 多时,可延缓渗碳体的析出,使B板条间很少或无渗碳 体析出,成为特殊B形态。 形成温度对上B组织形态影响显著,形成温度降低,F板 条变薄、变小,θ也更细小密集。
9
二、下贝氏体
下B形成机制不同。
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三、贝氏体转变时碳的扩散
贝氏体转变是在碳原子尚能发生扩散的中温区范围内发 生的。与M转变不同,B转变依赖碳原子扩散。 FB初形成时是过饱和的,因转变温度较高,所以FB形成 后将发生分解,自FB析出碳化物而使F碳含量下降。→B转 变与碳原子扩散密切相关。 析出θ 析出θ
无θ析出
① P-B间的亚稳区域保温,加速随后B形成速度 ② 高温B转变区保温降低B转变 ③ 先降低到MS以下再升温增加B转变
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五、钢中贝氏体组织的获得
贝氏体等温淬火:将经A化的钢淬入稍高于Ms点的盐浴或 碱浴中,停留一定时间以获得下B组织,然后取出空冷。 常用方法 良好的综合力学性能,淬火应力小,适用于形状复杂及 要求较高的小型件。 贝氏体钢:通过连续冷却(空冷)获得贝氏体组织。在低 碳低合金钢焊缝组织中常获得粒状B。 只是一些特殊成分的钢
4、转变的不完全性 B等温转变一般不能进行到底,随温度升高,不完全增加 未转变的A,可能发生P转变,称为“二次珠光体转变”。 5、转变的扩散性 Fe及Me原子则不发生扩散,碳原子可发生扩散。 B转变的扩散性是指碳原子的扩散。 6、贝氏体转变的晶体学 表面浮凸:FB形成与母相A维持切变共格关系, FB与母相A之间存在惯习面和位向关系。 7、 FB也为碳过饱和固溶体 过饱和程度随B形成温度的降低而增加,但低于M过饱和程 4 度。

贝氏体相变

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

第五章贝氏体相变

第五章贝氏体相变

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4
表 5-1 珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较
转变温度范围 扩散性
珠光体转变
Ar1 ~ 550℃ 铁与碳可扩散
领先相
渗碳体
共格性

组成相
两相组织 α-Fe + Fe3C
合金元素
扩散
贝氏体转变 550 ℃~Ms 碳可扩散,铁不能扩散
铁素体 有
两相组织 > 350 ℃,α-Fe(C) + Fe3C < 350 ℃,α-Fe(C) + FexC
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(四)下贝氏体的形成机理
②与此同时,由于温度低,BF中 碳的过饱和度很大。同时,碳 原子已不能越过BF/A相界面扩 散到奥氏体中去,所以就在BF 内部析出细小的碳化物。
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③随着BF中碳化物的析出,自由能 进一步降低,以及比容降低所导 致的应变能下降,将使已形成的 BF片进一步长大。同时,在其侧 面成一定角度也将形成新的下贝 氏体铁素体片。
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上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的原因:
①上贝氏体由彼此平行的BF板条构成, 好似一个晶粒;而下贝氏体的BF片 彼此位向差很大,即上贝氏体的有效 晶粒直径远远大于下贝氏体。
②上贝氏体碳化物分布在BF板条间。
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总之,随着贝氏体形成温度的 降低,强度逐渐增加,韧性并不 降低,反而有所增加,使下贝氏 体具有优良的综合力学性能。
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(a)
(b)
图5-6 (a)上贝氏体组织示意图

第5章 贝氏体转变

第5章 贝氏体转变

2、粒状贝氏体
形成温度→接近Bs,高于上B 形成温度→接近Bs,高于上B转变温度 形态
板条F+富碳岛状 板条F+富碳岛状A 富碳岛状A 冷却转变:F+K;M+残余 残余A 残余A 冷却转变:F+K;M+残余A;残余A 有浮凸;C%接近平衡 接近平衡; 有浮凸C%接近平衡; F中有亚单元
成分:低、中碳合金钢(Cr、Ni 、Mo) Mo) 成分: 中碳合金钢(Cr、 冷却:焊接、正火、 冷却:焊接、正火、热轧连续冷却出现 与粒状组织区别: F+富 岛状A 与粒状组织区别:块F+富C岛状A(无取 向、无浮凸),与粒B共存 无浮凸),与粒 ),与粒B
§5 贝氏体转变的动力学
一、B转变的动力学特点 1、上、下B转变机制不同 实验→转变全激活能不同;C%↑→激活能 激活能↑ 实验→转变全激活能不同;C%↑→激活能↑ 2、根据实验数据计算: 根据实验数据计算: 的全激活能分别与碳在A 上、下B的全激活能分别与碳在A和F中的扩散 激活能相近→ 转变受C 中扩散控制; 激活能相近→上B转变受C在A中扩散控制; 转变受C 下B转变受C在F中扩散控制 中碳化物分别从A 析出(有争议) 上、下B 中碳化物分别从A和F析出(有争议)
§3 贝氏体转变过程及热力学
一、转变过程 一、转变过程 1、F生长和碳化物析出两个过程→组织、性 生长和碳化物析出两个过程→组织、 能变化 2、奥氏体中碳的再分配 俄歇分析→孕育期和转变期间→ 俄歇分析→孕育期和转变期间→碳的再分配 晶界、晶内有贫碳区(有利于F形核) 晶界、晶内有贫碳区(有利于F形核) Fe、合金元素无再分配现象 Fe、 合金% 碳%、合金%、转变温度影响碳的再分配 碳化物容易析出) (碳% 高→ 碳化物容易析出)

第五章贝氏体相变

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

BI 600-500℃等温
碳 贝
慢速 连续冷却
氏 体


500-450℃等温

BII

中速 连续冷却

BIII 450℃-Ms等温
贝 氏
快速 连续冷却

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
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(1)无碳化物贝氏体
BF核在A晶界上形成后,向晶内 一侧成束长大。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 。
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A
原奥氏体晶界
A
BF
图5-4 无碳化物贝氏体示意图
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(四)下贝氏体的形成机理
低温范围转变, < 350℃。
①BF 大 多 在 奥 氏 体 晶 粒 内 通 过 共格切变方式形成,形态为透 镜片状。
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(a)
(b)
图5-7 (a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
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图5-12 下贝氏体的形成机理示意图
贝氏体 -- Bainite
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高温
中温
低温
Mf
图5-1 共析碳钢 C 曲线 Nhomakorabea上海应用技术学院 材料工程系
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§5.1 贝氏体相变特点、组织形态和力学性能
§5.1.1 贝氏体相变的特点
(1)贝氏体转变温度范围 在A1以下,MS以上,有一转变
的上限温度BS点和下限温度Bf 点, 碳钢的BS点约为550℃。
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上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的原因:
①上贝氏体由彼此平行的BF板条构成, 好似一个晶粒;而下贝氏体的BF片 彼此位向差很大,即上贝氏体的有效 晶粒直径远远大于下贝氏体。
②上贝氏体碳化物分布在BF板条间。
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总之,随着贝氏体形成温度的 降低,强度逐渐增加,韧性并不 降低,反而有所增加,使下贝氏 体具有优良的综合力学性能。
图5-2 共析碳钢 C曲线示意图
图5-3 合金钢 C曲线
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§5.3.2 影响贝氏体相变动力学的因素
(一)碳含量及合金元素的影响
奥氏体中碳含量的增加,转变 时需要扩散的原子数量增加,转 变速度下降。
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(一)碳含量及合金元素的影响
除Al、Co外,合金元素都或多 或少地降低贝氏体转变速度,同时 也使贝氏体转变的温度范围下降, 从而使珠光体与贝氏体转变的C曲 线分开。
通过形核与长大进行,等 温转变动力学图是C形。
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图5-2 共析碳钢 C曲线示意图
图5-3 合金钢 C曲线
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(4)转变的不完全性
转变结束时总有一部分未 转变的A,继续冷却A→M, 形成B+M+AR组织。
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(5) 扩散性
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表 5-1 珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较
转变温度范围 扩散性
珠光体转变
Ar1 ~ 550℃ 铁与碳可扩散
领先相
渗碳体
共格性

组成相
两相组织 α-Fe + Fe3C
合金元素
扩散
贝氏体转变 550 ℃~Ms 碳可扩散,铁不能扩散
铁素体 有
两相组织 > 350 ℃,α-Fe(C) + Fe3C < 350 ℃,α-Fe(C) + FexC
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图5-5 无碳化物贝氏体组织, ×1000 (30CrMnSiA钢,450℃等温20s)
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(1)无碳化物贝氏体
BF与奥氏体的位向关系为 K-S关系,惯习面为{111}A 。
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(2)上贝氏体
在贝氏体相变的较高温度区 域形成,对于中、高碳钢, 大 约在350~550 ℃区间。
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(一)贝氏体相变机理概述
③ 形成的BF为碳的过饱和α固溶 体,形成温度越低,过饱和度 越大。在BF形成的同时,将发 生碳的脱溶,析出碳化物。
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(二)无碳化物贝氏体的形成机理
高温范围转变,组织为BF+富碳A。
①BF在奥氏体晶界形核,初形成的BF 过饱和度很小,以共格切变方式向 晶粒内一侧长大,形成相互平行的 BF板条束。
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(a)
(b)
图5-6 (a)上贝氏体组织示意图
(b)T8钢中的上贝氏体组织
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Fe3C
图5-11 上贝氏体的形成机理示意图
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②与 此 同 时 , 碳 原 子 越 过 BF/A 相界面向A中扩散。
③由于转变温度降低,进入相界 面附近A中的碳原子已不能向 远处扩散,尤其是铁素体板条 间奥氏体中的碳原子,在这些 地方将产生碳的堆积。
④在随后的冷却过程中,富碳 奥氏体可以转变为马氏体, 也可以保持到室温而成为富 碳的残余奥氏体。
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(三)上贝氏体的形成机理
中温范围转变,在350~550℃,组织 为BF + Fe3C,形态为羽毛状。
①BF在奥氏体晶界形核,以共格切变 方式向晶粒内一侧长大,形成相互 平行的BF板条束。
(一)贝氏体的强度
贝氏体的强度随形成温度 的降低而提高。
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影响贝氏体强度的因素:
① 贝氏体铁素体细化强化 形成温度越低,贝氏体铁素体 越细,强度越高。
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② 碳化物的弥散强化
下贝氏体中碳化物颗粒较小,颗 粒数量较多,且分布均匀,故下 贝氏体的强度高于上贝氏体。
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(二)奥氏体晶粒大小的影响
奥氏体晶粒越大,晶界面积越 少,形核部位越少,孕育期越长, 贝氏体转变速度下降。
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(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。
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(四)下贝氏体的形成机理
②与此同时,由于温度低,BF中 碳的过饱和度很大。同时,碳 原子已不能越过BF/A相界面扩 散到奥氏体中去,所以就在BF 内部析出细小的碳化物。
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③随着BF中碳化物的析出,自由能 进一步降低,以及比容降低所导 致的应变能下降,将使已形成的 BF片进一步长大。同时,在其侧 面成一定角度也将形成新的下贝 氏体铁素体片。
贝氏体形成温度越低,碳化物颗 粒越小、越多,强度越高。
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③ 固溶强化和位错强化
随贝氏体形成温度的降低, BF的碳过饱和度及位错密度 均增加,导致强度增加。
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(二)贝氏体的韧性
在350℃以上,组织中大部 分为上贝氏体时,冲击韧性 大大下降。
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§5.2 贝氏体相变的热力学条件、相变机理
§5.2.1 贝氏体相变的热力学条件
贝氏体相变的驱动力也是化学自 由能差。 铁素体的Gibbs自由能随着碳过饱 和度的增加而增加。
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Ms
Bs
图5-8 奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系
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(2)上贝氏体
其形态在光镜下为羽毛状。组 织为一束平行的自A晶界长入晶 内的BF板条。BF板条与M板条相 近,但在铁素体板条之间分布有 不连续碳化物。
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(2)上贝氏体
BF板条内亚结构为位错。与A 的位向关系为K-S关系,惯习面为 {111}A。碳化物惯习面为{227} A, 与A有确定的位向关系。
不扩散
马氏体转变 < Ms 无扩散
有 单相组织 α-Fe(C)
不扩散
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(2)贝氏体转变产物
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。
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(3)转变动力学
§5.3.1 贝氏体等温相变动力学
与珠光体转变不同,贝氏体 等温转变不能进行到终了。
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§5.3.1 贝氏体等温相变动力学
贝氏体等温转变动力学图也呈 C形,也有一鼻子。转变在BS点 温度以下才能进行,随转变温度 降低,转变速度先增后减。
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(3)下贝氏体
BF与A的位向关系为K-S关 系,惯习面为{110}A。碳化物 与BF间有确定的位向关系。
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(a)
(b)
图5-7 (a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
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§5.1.3 贝氏体的力学性能
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(二)无碳化物贝氏体的形成机理
③通过相界面进入A的碳能很快向 远离界面处扩散,不至于在界面 附近产生积聚,所以富碳A的碳 含 量 不 会 超 过 Acm 线 的 延 长 线 , 从而不会从A中析出碳化物。
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