1、第五章 贝氏体转变 Bainite Transformation,王建刚,概述,中温转变：550MS 下贝氏体-良好的综合力学性能。等温淬火组织；贝氏体钢连续冷却。,概述,美国冶金学家 Edgar C. Bain (Sept. 14, 1891 - Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation贝氏体 - Bainite,概述 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 贝氏体转变过程及其热力学分析 5-4 贝氏体转变机理概述 5-5 贝氏体转变的动力学 5-6 贝氏体的机械性能 4-7 魏氏组织,主要内容,重点：1
2、. 贝氏体转变的主要特点；2. 影响贝氏体转变的因素；3.贝氏体的组织形态及力学性能；4. 魏氏组织及其形成机理。 难点：1.贝氏体转变的特点；2.魏氏组织及其形成机理。3. 影响贝氏体转变的因素。,重点与难点,5.1.1 上贝氏体,5.1 贝氏体的组织形态和亚结构,贝氏体为由条片状铁素体和碳化物组成的非片层状组织。 由于转变温度的不同，贝氏体有以下几种形态：上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体。,在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体。对于中、高碳钢来说，上贝氏体大约在350-550的温度区间形成。它是由成束的大致平行分布的条状铁素体和条间的粒状或条状的渗
3、碳体所组成的非片层状组织，在条状铁素体中有位错缠结存在。典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状、针状，少数呈椭圆形或矩形。,5.1.1 上贝氏体,光学金相(30CrMnSiA钢， 400等温30s),1000；,电子金相 (复型，60钢，900加热50/s冷却), 5000；,电子金相 (透射，暗场，60CrNiMo钢，495等温), 12500；,5.1.1 上贝氏体,碳含量：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状而成为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于相之间，而且可能分布于各相内部。 形成温度：随形成温度的降低，相变薄，渗碳体细化且弥散度增大。
4、 在含有较多 Si 或Al的钢中，由于它们具有延缓渗碳体沉淀的作用，使上贝氏体铁素体条之间的很少沉淀或基本上不沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏体的上贝氏体组织。,影响上贝氏体组织形态的因素：,5.1.2 下贝氏体,形成温度范围 一般在350-Ms之间的低温区。,是由铁素体和碳化物构成的复相组织。在低碳钢中，这种贝氏体铁素体的形态通常呈板条状，若干个平行排列的板条便构成一束，与板条状马氏体相似。高碳钢中，贝氏体铁素体则呈片状，各片之间成一定交角，与片状马氏体相似。中碳钢中两种形态都有。 碳化物为渗碳体或-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55-60角度与下贝氏体的长轴相
5、交，并且仅分布在F片内部。,组织形态,低碳低合金钢中的下贝氏体组织 (透射，975加热，油冷), 26400；,高碳钢T11中的下贝氏体组织(a) 光学金相，500；(b) 电子金相，5000；,中碳钢中的下贝氏体组织,下贝氏体形成时有表面浮凸效应。上贝氏体的表面浮突大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部伸展；而下贝氏体的表面浮突往往相交呈“”形，而且还有一些较小的浮突在先形成的较大浮突的两侧形成。下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝氏体铁素体中也有缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在。 下贝氏体中F相与A之间的位向关系为K-S关系，惯习面不
6、确定，可能是110A、254A及569A中的一种。,晶体学特征及亚结构,5.1.2 下贝氏体,5.1.3 其他各类贝氏体,(一) 无碳化物贝氏体,1.形成温度 无碳化物贝氏体是低碳钢在贝氏体转变区的最上部，在靠近BS的温度处形成的贝氏体。 右图为30CrMnSiA 钢，450等温20S,无碳化物贝氏体组织,100,5.1.3 其他各类贝氏体,2.组织形态无碳化物贝氏体是一种由板条状铁素体构成的单相组织，是由铁素体和富碳的奥氏体组成。板条状铁素体是在奥氏体晶界上形成了铁素体核后，自奥氏体晶界向晶内一侧成束向晶内平行生长，形成的平行的板条束，板条状铁素体之间没有碳化物析出，板条间为富碳的奥氏体，板
7、条宽度随转变温度下降而变窄。继续冷却，奥氏体可能转变为马氏体、珠光体，贝氏体(其他类型)或保留至室温。铁素体条形成时在抛光表面会形成表面浮凸。无碳化物贝氏体与奥氏体的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。亚结构为位错。,5.1.3 其他各类贝氏体,(二） 粒状贝氏体,1.形成温度低、中碳及其合金钢在上贝氏体转变区的上部，BS以下。在一定的冷速范围内（如热扎后空冷或正火）连续冷却得到的，组织为铁素体和奥氏体的二相混合物。,2.组织特征大块状或针状；其形态为铁素体基体内沿一定方向分布一些小岛，小岛为富碳的奥氏体，呈颗粒状或长条状。富碳的奥氏体小岛在随后的冷却过程中有三种可能：部分或全部分解为铁素
8、体和碳化物；部分转变为马氏体，形成奥氏体和马氏体双相组织；全部保留为残余奥氏体。,粒状贝氏体的形貌和亚结构 (18Mn2CrMoBA，975加热，空冷), (a) 5400；(b) 16000；,（三）反常贝氏体,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,5.1.3 其他各类贝氏体,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。,(四) 柱状贝氏体,5.2 贝氏体转变的特点和晶体学,5.2.1 贝氏体转变的特点 （1）贝氏
9、体相变也是一种形核和长大过程，可在一定温度范围内等温形成，或在某一冷却速度范围内连续冷却转变。其领先相一般为铁素体（反常贝氏体除外）。 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,（2）贝氏体形成时会产生表面浮凸； （3）贝氏体相变的温度范围 贝氏体相变也有一个上限温度Bs点和下限温度Bf点， 奥氏体必须过冷到Bs点以下才能发生贝氏体相变。 （4）贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至Bf温度，贝氏体转变也不能进行完全；随转变温度升高，转变的不完全性愈甚。 （5）贝氏体转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向关系。,5.2.1 贝氏体转变的特点,5.2.2 贝氏体转
10、变的晶体学,贝氏体转变的晶体学包含着奥氏体-贝氏体铁素体，奥氏体-碳化物及贝氏体铁素体-碳化物间的晶体学关系。 早期认为，上贝氏体的惯习面为111，符合西山关系；下贝氏体的惯习面一般为225，符合K-S关系。 近代研究发现，贝氏体中铁素体与奥氏体之间并不严格遵循K-S位向关系，还可以是G-T关系。,贝氏体中渗碳体与奥氏体以及贝氏体中渗碳体与铁素体之间亦存在一定的晶体学位向关系。 一般认为上贝氏体中的碳化物为Fe3C型，下贝氏体中碳化物取决于钢的成分、形成温度和持续时间。如钢中含硅量较高时，会形成碳化物。其它钢中的下贝氏体中碳化物为渗碳体与碳化物的混合。 上贝氏体中碳化物与铁素体符合皮奇关系，证
11、实渗碳体由奥氏体中直接析出；下贝氏体中铁素体与碳化物的位向关系与回火马氏体相近，认为下贝氏体中碳化物由过饱和铁素体中析出（还未完全证实）。,5.2.2 贝氏体转变的晶体学,珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较,5.3.1 贝氏体转变过程 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。 2. 奥氏体中碳的再分配恩琴提出了贫富碳理论假说：在贝氏体相变发生之前奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配，形成了贫碳区和富碳区。,5.3 贝氏体转变过程及热力学分析,3. 贝氏体铁素体的形成及其碳含量,5.3.1 贝氏体转变过程,当冷却至Ms点以上T1温度（b点）等温时，在孕育期内由
12、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点亦随之发生变化。当贫碳区的碳浓度减小到C1以下时，其Ms点就升高到T1以上温度，贫碳区（c点）在T1温度下就能转变为马氏体（过饱和相）。它在热力学上是不稳定的，在随后的等温过程中发生回火转变，分解成为相和渗碳体的机械混合物，即贝氏体。,5.3.1 贝氏体转变过程,5.3.1 贝氏体转变过程,4. 碳化物相的成分和类型,贝氏体中碳化物相可能是渗碳体或-碳化物，主要取决于钢的成分及转变的温度和持续时间。 合金在贝氏体转变中不进行再分配，碳化物与钢中的合金含量大致相同。,5.3.2 贝氏体转变的热力学分析,（一） 贝氏体转变的驱动力贝氏体
13、铁素体是按切变共格方式形成的，贝氏体转变的热力学条件与马氏体转变相似。,不同的是：贝氏体转变时， 奥氏体中碳发生了再分配，使贝氏体铁素体中碳含量降低，使铁素体的自由能降低，从而使在相同温度下的新、母相间自由能差增大。 贝氏体与奥氏体间比容差小，使因比容增大和维持切变共格所引起的弹性应变能减小，而且使周围奥氏体的协作应变能减小。 贝氏体形成的上限温度Bs高于马氏体形成温度Ms。,5.3.2 贝氏体转变的热力学分析,（二） Bs点及其与钢成分的关系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点反映了贝氏体转变得以进行所需要的最小过冷度。,试验得到：碳含量小
14、于0.5%时，F=0曲线可近似表示贝氏体形成的上限温度Bs，但碳含量大于0.5%后，Bs温度则保持不变。 (F=0曲线表示奥氏体与同成分铁素体自由能相等时对应的温度，即相当于T0温度。,碳钢的Bs点与其含碳量的关系 (a) 测验与热力学计算；(b) 金相法,5.4 贝氏体转变机理概述,贝氏体转变包括贝氏体铁素体的生长和碳化物的析出两个基本过程。碳化物的析出源问题前面已做过介绍。贝氏体铁素体生长机理主要有切变机理和台阶机理两大学派。,5.4.1 切变机理柯梭和Cottrell最早在贝氏体转变中发现浮凸效应，认为贝氏体转变与马氏体转变相似，从而提出了贝氏体转变的切变机理，认为：贝氏体转变温度比马氏
15、体转变温度高，碳原子有一定的扩散能力，贝氏体中铁素体在以切变共格方式长大的同时，还伴随着碳的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程。,5.4.1 切变机理,依据温度不同碳自铁素体中的脱溶可以有以下几种形式：(1) 温度较高时，碳在铁素体和奥氏体中都有一定的扩散能力，形成由板条状铁素体组成的无碳化物贝氏体，并且铁素体量较少，板条较宽，且板条间距离较大。铁素体板条之间的富碳奥氏体在随后的冷却过程中随速度不同可转变为马氏体或奥氏体的其它分解产物，也可全部保留下来。,5.4.1 切变机理,(2) 温度稍低时，碳在铁素体可顺利扩散，但在奥氏体中扩散却不能充分进行，形成的贝氏体铁素体较多，板条较密集。碳在铁
16、素体板条间以粒状或条状的碳化物形式析出，得到羽毛状的上贝氏体。转变温度越低，形成的铁素体量越多，而且板条越窄；同时随着碳扩散系数减小，碳化物也变得更细小。,5.4.1 切变机理,(3) 温度较低时，碳在铁素体和奥氏体中的扩散能力都受到限制，碳原子只能在铁素体中短程扩散，以碳化物形式析出，得到在片状铁素体上分布着与铁素体长轴呈一定交角，排列成行的碳化物复相组织，即下贝氏体。转变温度越低，碳化物沉淀的弥散度越大，且铁素体中碳的过饱和度也越高。,5.4.1 切变机理,切变共格理论无法解释上、下贝氏体都各自具有独立的转变动力学曲线和不同的转变激活能等现象。,人们在进一步的研究中发现，每个上、下贝氏体铁
17、素体条片都是由若干亚单元所组成，每个单元都是按切变共格方式形成，长大主要受碳原子扩散影响。,5.4.2 台阶机理,Aaronson认为贝氏体转变的浮凸与马氏体转变的浮凸不同，前者是由于转变产物的体积变化造成的，而并非由切变所致。认为贝氏体是非片层的共析反应物，与珠光体转变机理相同，提出了贝氏体铁素体的长大是按台阶机理进行，并受碳原子的扩散所控制。,上贝氏体束中单个亚单元生长的电影图片。但在下贝氏体的板条形成过程中并未观察到台阶。,5.5 贝氏体转变的动力学,5.5.1 贝氏体转变动力学的特点 贝氏体转变是一个形核，长大的过程，形核需一定的孕育期，长大速度慢，转变具有不完全性等。上、下贝氏体的全
18、激活能值不同；发生50%贝氏体转变的时间的对数与等温温度之间呈线性关系，350附件直线斜率发生变化。 说明上、下贝氏体是按不同转变机理得来的。,5.5.1 贝氏体转变动力学的特点,贝氏体转变不完全性： 贝氏体转变量增加使奥氏体中碳的浓度越来越高，增加了奥氏体的化学稳定性而使之难于转变；贝氏体的比容比奥氏体大，会产生一定的机械稳定化。,转变不完全性随温度升高而愈加显著，主要与温度较高时奥氏体和贝氏体间的自由能差减小，而使相变驱动力减小有关。另外转变温度越高，越有利于碳原子扩散而形成更多的柯氏气团，增强奥氏体的热稳定化。,5.5.2 贝氏体等温转变动力学图,与珠光体转变一样，贝氏体也有独立的等温转
19、变动力学图，呈“C”型。,普通碳素共析钢（示意图）,40CrMnSiMoVA钢（实测图）,5.5.3 影响贝氏体转变动力学的因素,（一）碳和合金元素 碳和除了铝、钴以外的合金元素均延缓贝氏体的形成，其中以碳、锰、铬、镍的影响最为显著。碳的影响：贝氏体长大速度是受碳扩散控制（碳在铁素体内的脱溶）。这是由于贝氏体转变时领先相为铁素体，随奥氏体中碳含量的增加，获得铁素体晶核几率下降。铁素体长大时，转变时需扩散的原子量增加，贝氏体转变之前铁素体转变速度下降，贝氏体转变也减慢，C曲线右移。合金元素的影响： 影响碳的扩散速度； 影响Bs点和Bs点以下的相变驱动力； 强碳化物形成元素减缓转变速度。,5.5.
20、3 影响贝氏体转变动力学的因素,（二）奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度 奥氏体晶粒大小对贝氏体转变速度影响较小。奥氏体化温度影响贝氏体转变的孕育期，提高温度可以孕育期增长，减慢转变速度，主要由于较高温度下奥氏体成分更趋均匀，从而延缓了碳的再分配过程。,（三）应力和塑性形变 拉应力能促使贝氏体转变加速，奥氏体中存在一定应力会显著促进贝氏体形核和加速碳原子的扩散。高温（8001000）进行塑性形变将使转变速度减缓，转变不完全程度增大；低温（Bs点以下）将加速转变过程。,拉应力对贝氏体转变动力学的影响,形变量为30%时形变温度的影响,5.5.3 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
21、温度停留,(1) 在珠光体-贝氏体区间的亚稳区停留将加速贝氏体的形成； (2) 在贝氏体区上部停留，使奥氏体部分地发生转变，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，使奥氏体部分地发生转变，将使随后在更高温度的贝氏体转变加速。,冷却过程中奥氏体在不同温度停留的工艺规程,5.6 贝氏体的机械性能,5.6.1 贝氏体的强度 （一）强度与转变温度的关系,5.6.1 贝氏体的强度,（二）影响贝氏体强度的因素 1. 贝氏体铁素体晶粒大小晶粒大小与材料屈服强度的关系可用Hall-Petch公式表示。 2. 碳化物的弥散度和分布状况弥散强化是最有效的强化手段之一。贝氏体中碳化
22、物的弥散强化作用在下贝氏体中占重要地位。,5.6.1 贝氏体的强度,3. 溶质元素固溶强化碳的固溶强化作用比合金元素大的多，转变温度越低强化越显著，但比马氏体小的多。 4. 位错密度位错密度与由之引起的屈服强度的增量之间的关系：0.2=1.210-41/2。,5.6.2 贝氏体的韧性,（一）上、下贝氏体的冲击韧性和韧脆转化温度下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体，而且下贝氏体的韧脆转化温度也总是比上贝氏体低。,5.6.2 贝氏体的韧性,（二）影响贝氏体冲击性能的因素 1. 铁素体板条和板条束的尺寸上贝氏体的铁素体板条束直径一般都比下贝氏体的大，所以前者的韧脆转化温度总是高于后者。 2. 碳化物的形态
23、和分布碳化物细小弥散分布时表现出较好的冲击性能。 3. M-A岛状组成物其组成主要为残余奥氏体时，有利于提高贝氏体的冲击韧性。但会使韧脆转化温度升高。 4. 奥氏体晶粒度细化奥氏体晶粒可使上贝氏体的冲击性能得到改善。,5.6.2 贝氏体的韧性,（三）等温淬火组织和普通淬火、回火组织在等强度条件下的冲击韧性在较高的强度水平下，在等强度（硬度）条件下相比，下贝氏体组织的冲击韧性一般要比淬火、回火组织高。,30CrMnSiA,40CrA,40CrNiMoA,5.6.2 贝氏体的韧性,5.7 魏氏组织,5.7.1 魏氏组织的形态和基本特征魏氏组织是先共析相得一种特殊形态。对亚共析钢来说，是指从晶界向晶
24、内生长形成的一系列具有一定取向的片（或针）状铁素体，通称魏氏铁素体；过共析钢，是指类似形态的渗碳体，通称魏氏渗碳体。魏氏渗碳体不多见，研究较少，仅讨论魏氏铁素体的问题，其主要特征： （1）形成时产生表面浮凸； （2）有一定惯习面，一般为1 1 1 ，取向关系符合K-S关系； （3）形成是形核和长大的过程；,钢中的魏氏体组织,魏氏铁素体,魏氏渗碳体,5.7.2 魏氏铁素体的形成条件和转变机理,魏氏铁素体形成规律： （1）可在等温条件下形成，也可在连续冷却条件下形成； （2）等温条件下，形成有上限温度Ws，Ws点随钢的碳含量和晶粒度不同而改变，碳含量越高，晶粒度越小，Ws点越低； （3）连续冷却条
25、件下，只有在一定的冷速范围内才形成； （4）易于在粗晶粒的奥氏体中形成； （5）碳含量超过0.6%时，难于形成； （6）Cr、Si、Mo有阻止魏氏铁素体形成的作用，Mo含量大于0.8%的钢不会生成魏氏铁素体；Mn会促进其形成。,（a）粗晶粒钢,（b）细晶粒钢,亚共析钢中先共析铁素体的形态与等温温度和碳含量的关系,亚共析钢中先共析铁素体的形态与冷却速度和碳含量的关系,G-网状铁素体；W-魏氏铁素体；M-块状铁素体；P-珠光体,5.7.3 魏氏铁素体对钢机械性能的影响,魏氏铁素体组织会引起钢的强度、韧性和塑性降低。,防止措施：热加工时尽量防止过热；魏氏组织严重时可采用退火或正火；程度严重可采用二次正火。,小结,贝氏体的形态及亚结构 影响贝氏体转变动力学的因素 影响贝氏体强度的因素 影响贝氏体冲击性能的因素 魏氏体的形成条件及防止方法,
