贝氏体转变的说明

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 而碳原子还能进行扩散 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 为纪念美国著名冶金学家Bain 此转变被命名为贝氏体转变 转变所得产物则被称为贝氏体 英文名称Bainite 用B表示 1 4贝氏体转变 1 一 贝氏体转变的基本特征 一 贝氏体转变温度范围贝氏体转变也有一个上限Bs点 也有一个下限温度Bf点 Bf与Ms无关 二 贝氏体转变产物也是由 相与碳化物组成的机械混合物 但与珠光体不同 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 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 三 贝氏体转变动力学贝氏体转变也是一个形核长大过程 可以等温形成 也可以连续冷却形成 等温形成需要孕育期 等温转变动力学曲线具有S形 等温形成图也呈C字形 2 四 贝氏体转变的不完全性贝氏体转变一般不能进行到底 通常随转变温度的升高 转变的不完全程度增大 即转变具有自制性 在等温时有可能出现二次珠光体转变 五 贝氏体转变的扩散性贝氏体转变过程中存在有原子的扩散 但只有碳原子的扩散 而Fe及合金元素的原子均不发生扩散 六 贝氏体转变晶体学特征贝氏体中F形成时也能产生表面浮凸 这说明F在形成时同样与母相的宏观切变有关 母相与新相之间维持第二共格关系 但所产生的表面浮凸与马氏体形成所产生的表面浮凸不同 马氏体是N形的 贝氏体为V形的 七 贝氏体中F的碳含量贝氏体中F的碳含量也是过饱和的 且随转变温度的降低过饱和程度增大 3 二 贝氏体的组织形态和晶体学一 无碳化物贝氏体1 形成温度范围在B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F板条组成 F板条自A晶界形成 成束地向一侧晶粒内长大 在F板条之间为富碳的A F板条较宽 间距较大 随转变温度下降 F板条变窄 间距缩小 4 5 富碳的A在随后的冷却过程中可能转变为P B M或保持不变 所以说无碳化物贝氏体不能单独存在 3 晶体学特征及亚结构惯习面为 111 位向关系为K S关系 F内有一定数量的位错 二 上贝氏体1 形成温度范围在B转变区的较高温度范围内形成 对于中 高碳钢约在350 550 范围内形成 所以上贝氏体也称高温贝氏体 2 组织形态上贝氏体是一种两相组织 是由 相和渗碳体组成的 成束的大致平行的 相板条自A晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大 渗碳体 有时还有残余A 分布于 相板条之间 整体看呈羽毛状 6 7 影响组织形态的因素C 随钢中碳含量的增加 上贝氏体中的 相板条更多 更薄 Cem的形态由粒状 链球状而成为短杆状 Cem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 渗碳体更小 且更密集 3 晶体学特征及亚结构F的惯习面为 111 位向关系接近于K S关系亚结构为位错 位错密度较高 能形成缠结 8 三 下贝氏体1 形成温度范围一般在350 Ms之间的低温区 2 组织形态也是一种两相组织 由 相与碳化物组成 相的立体形态呈片状 或透镜片状 在光学显微镜下呈针状 与片状M相似 形核部位大多在A晶界上 也有相当数量位于A晶内 碳化物为Cem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交 并且仅分布在F片内部 钢的化学成份 A晶粒度和均匀化程度对下贝氏体的组织形态影响较小 9 10 3 晶体学特征及亚结构下贝氏体中 相与A之间的位向关系为K S关系 惯习面不确定 110 254 及 569 亚结构为位错无孪晶 相中碳的含量是过饱和的 随转变温度降低 过饱和程度增大 11 四 粒状贝氏体是1957年由Habraken首先确定的 主要是在低碳和中碳合金钢中以一定的速度连续冷却后获得的 如正火 热轧后的空冷 焊缝的热影响区中等 后来的研究 发现等温也可以形成 形成温度稍高于上贝氏体的形成温度 其组织是由F和富碳的A组成 F呈块状 由F针片组成 而富碳的A呈条状在F基体上呈不连续分布 F的C 很低 接近平衡状态 而A的C 确很高 12 13 14 富碳的A由于冷却条件和其稳定性的不同 在随后的冷却过程中 可能发生以下三种不同的转变情况 1 部分或全部分解为F和碳化物 2 可能部分转变为M C 很高 属于孪晶片状M M和残余A统称为 M A 组成物或 M A 组织 3 可能全部保留下来 15 五 反常贝氏体在过共析钢中可以见到 形成温度在350 稍上 F夹在两片Cem中间的组织形态 16 六 柱状贝氏体一般在高碳碳素钢或高碳中合金钢中当温度处于下贝氏体形成温度范围时出现 F呈放射状 碳化物分布在F内部 形成时不产生表面浮凸 17 七 B B B 日本的大森在研究低碳低合金高强时发现 在某些钢中的贝氏体可以明显地分为三类 分别把这三类B称为第一类 第二类和第三类贝氏体 并用B B B 分别表示 B 约在600 500 之间形成 无碳化物析出 B 约在500 450 之间形成 碳化物在F之间析出 B 约在450 Ms之间形成 碳化物分布在F内部 18 19 三 贝氏体转变动力学 一 贝氏体等温转变动力学1 贝氏体转变动力学的特点 1 贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢很多原因 一般认为B长大速度受碳原子从F中脱溶速度控制 2 贝氏体转变的不完全性一般B转变量随温度降低最大转变量增加 通常有两种情况 一是温度低于某一温度 A可全部转变为B 二是等温温度很低时也不能完全转变 20 残留下来的A可能发生下列变化 1 一直保持不变 2 当转变温度较高时发生二次珠光体转变 甚至到A全部转变 3 可能与珠光体和马氏体转变重叠1 与珠光体转变重叠 P转变在先 B转变在后 2 与马氏体转变重叠 当Ms较高时 在Ms以下可先形成一定数量的M 而后发生B转变 21 2 贝氏体等温形成图与P转变相同 B的等温动力学曲线也具有S形 但B等温转变不能进行到底 等温温度愈高 愈接近Bs点 等温转变量愈少 22 B转变的等温形成图也具有C字形 在Bs温度以下随等温温度降低 孕育期先增后减具有一个鼻子 对于碳钢 由于P转变与B转变C曲线重叠在一起 因此合并成一个C曲线 23 24 二 贝氏体转变时碳的扩散1 奥氏体中碳的扩散B转变是在碳原子还能扩散的中温范围内发生的 为了在A中形成低碳的F C必将在A中偏聚 当A的碳含量超过其溶解度时 ES及其处长线 碳将以碳化物的形式自A中析出 而使A的C 降低 在B转变过程中A的C 有可能升高 也有可能降低 具体情况取决于A的成份及转变温度而定 25 26 2 贝氏体中铁素体内碳的扩散F形成初期C含量是过饱和的 而B转变温度范围较M转变高 故B中F在形成后必然要发生分解 以碳化物的形式由B中的F内析出过饱和的碳 从而使F的C 下降 27 三 影响贝氏体转变动力学的因素1 碳含量规律 随A中碳含量的增加 B转变速度下降 原因 C含量高时 形成F核心 较困难 而从F中向外排出碳的数量增多 从而增加了B的形成时间 28 2 合金元素凡是降低C扩散速度 阻碍F共格长大 阻碍碳化物形成的元素 都使B转变速度下降 因此 除Co Al以外所有合金元素都降低B转变速度 使B转变的C曲线右移 但作用不如C显著 同时也使贝氏体转变温度范围下降 从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开 29 3 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度A晶粒大小 随A晶粒增大 B转变孕期延长转变速度下降 其原因是由于晶粒大晶界面积小 形成F核心的几率小 同时碳的扩散距离长 A化温度 A化温度高 晶粒粗大 成份均匀 贫碳区少 这都影响F的形核 使B转变的孕育期延长 转变速度下降 30 4 应力的影响拉应力使B转变速度增加 尤其对下B更显著 压应力的作用不清楚 5 塑性变形 1 在较高温度 1000 800 范围内对A进行塑性变形 将使A向B转变的孕育期增长 转变速度下降 转变的不完全程度增大 原因 一方面变形使A中的缺陷密度增加 有利于C原子的扩散 有利于B转变的进行 而另一方面 A形变后会产生多边化亚结构 这对B中F的共格生长是不利的 通常以后者的作用为主 31 2 在较低温度 350 300 范围内对A进行塑性变形将加速B的形成 原因 A晶体缺陷密度更大 促进C的扩散 并且形变会使A中的应力增加 有利于B中F按M型转变机制形成 结果使B转变速度加快 6 冷却在不同温度下停留 1 在P与B转变区之间的亚稳定区域内停留会加速随后的B转变 原因 停留过程中A析出碳氮化物 降低了A的稳定性 2 在高温区先进行部份上B转变 将会使低温区下B的转变速度降低 孕育期处长 不完全程度增大 原因 可能是一种A的稳定化现象 还不十分清楚 32 3 先在低温区形成少量M或下B 将促进后续高温区的B形成 转变速度加快 原因 可能是因为在较低温度下进行部份M和下B转变时 所产生的应力会促进以后在较高温度下进行B转变的晶核的形成 33 四 贝氏体转变热力学及转变机制 一 贝氏体转变热力学B转变是通过形核与长大过程进行的 转变时的领先相是通过形核与长大进行的 转变时的领先相是铁素体 转变过程中有碳原子的扩散 转变的驱动力同样是新旧两相之间的体积自由能之差 G GV GD GS GE 34 1 恩菌假说由于贫碳造成Ms升高而使B转变可以在原Ms温度以上的温度下发生 认为A在没转变为M之前已经发生了C原子的扩散再分布 形成了富碳A区和贫碳A区 在贫碳A区 由于C 低 而引起Ms点升高 而含碳高的富碳A区的Ms则降低 因此 在等温过程中贫碳A达到了Ms点温度则转变为M 而M再分解为低C的F和碳化物所组成的B 而富碳的A在等温过程中 由于C含量高而析出碳化物变成贫碳的A 然后再转变为M 该M在等温度过程中进一步分解为B 35 2 柯俊热力学说相变时自由能的变化 G GV GD GS GE从上式来看 M相变可以发生的条件是 G 0 但由于M相变的热滞较大 所以M相变只能在Ms以下的温度才能发生 如果在转变过程中 能使 Gv升高 即绝对值增大 使 Ge 弹性应变能 降低 可以使 G降低 从而使M形的相变可以在Ms以上发生 36 在B转变过程中 伴随着碳原子的扩散 从而降低了B中的F的碳含量 使F的自由能降低 引起 Gv升高 同时B与A之间的比溶差较小 使体积变化产生的应变能减小 形成温度高 长大速度慢 A强度低 使A塑变和共格界面移动克服的阻力减小 这些都引起 Ge减小 使B转变可以在Ms以上的温度下进行 即Bs高于Ms 37 二 贝氏体转变的切变机制贝氏体转变包括贝氏体铁素体的形成以及碳化物的析出 长期以来 围绕着这两个问题进行着争论 在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争 1 切变机制柯俊最先发现贝氏体转变与马氏体转变一样 在形成贝氏体铁素体时也能在抛光表面引起浮凸 以后又得出形成魏氏铁素体时也能引起浮凸 据此 认为魏氏铁素体即贝氏体铁素体 贝氏体铁素体与马氏体一样 也是通过切变机制形成的 由于贝氏体转变时碳原子尚能扩散 这就导致贝氏体转变与马氏体转变的不同以及贝氏体组织的多样性 38 39 1 高温范围的转变 无碳化物贝氏体 由于温度高 初形成的铁素体的过饱和度很小 且碳在铁素体和奥氏体中的扩散能力均很强 在贝氏体铁素体形成后 铁素体中过饱和的碳可以通过界面很快进入奥氏体而使铁素体的碳含量降低到平衡浓度 通过界面进入奥氏体的碳也能很快地向奥氏体纵深扩散 使奥氏体的碳含量都得到提高而不致集聚在界面附近 如果奥氏体的含碳量并不高 不会因为贝氏体铁素体的形成而析出碳化物 因此得到的是贝氏体铁素体及碳富化了的奥氏体 即无碳化物贝氏体 也包括魏氏铁素体在内 40 2 中温范围的转变 上贝氏体 在350 550 的中间温度范围内转变时 转变初期与高温范围的转变基本一样 但此时的温度已比较低 碳在奥氏体中的扩散已变得困难 通过界面由贝氏体铁素体扩散进入奥氏体中的碳原子已不可能进一步向奥氏体纵深扩散 尤其是板条铁素体束两相邻铁素体条之间的奥氏体中的碳更不可能向外扩散 故界面附近的奥氏体 尤其是两铁素体条之间的奥氏体中的碳将随贝氏体铁素体的长大而显著升高 当超过奥氏体溶解度极限时 将自奥氏体中析出碳化物而形成羽毛状的上贝氏体 41 3 低温范围的转变 下贝氏体 在350 以下转变与上述转变有较大的差异 由于温度低 初形成的铁素体的碳含量高 故贝氏体铁素的形态已由板条状转变为透镜片状 此时 不仅碳原子已难以在奥氏体中扩散 就是在铁素体中也难以作较长距离的扩散 而贝氏体铁素中的过饱和度又很大 而碳原子又不能通过界面进入奥氏体 只能以碳化物的形式在贝氏体铁素体内部析出 随着碳的析出 贝氏体铁素体的自由能将下降以及比容的缩小所导致的弹性应变能的下降 将使已形成的贝氏体铁素片进一步长大 得到下贝氏体组织 42 43 4 粒状贝氏体的形成一般认为在某些低碳钢中出现的粒状贝氏体是由无碳化物贝氏体演变而来的 当无碳化物贝氏体针长大到彼此汇合时 剩下的小岛状奥氏体便为铁素体所包围沿铁素体条间呈条状断续分布 因钢碳含量较低 剩余奥氏体的碳含量也不超过其溶解度极限 故不会析出碳化物 这就形成了粒状贝氏体 5 贝氏体的亚基元 44 45 6 切变机制存在的问题1 为什么贝氏体转变所引起的浮凸不同于马氏体所引起的浮凸 2 为什么贝氏体铁素体与奥氏体之间的晶体学位向关系不同于马氏体与奥氏体之间的位向关系 3 为什么透镜片状贝氏体铁素体中没有孪晶 4 为什么下贝氏体中的碳化物的分布与回火马氏体中碳化物分布明显不同 5 按切变机制 贝氏体铁素体应是片状 但为什么上贝氏体铁素体接近针状 46 三 贝氏体转变的台阶机制Aaronson等人强调贝氏体是非层状共析反应产物 亦即贝氏体转变是一种特殊的共析反应 他们认为 贝氏体转变与珠光体转变或马氏体转变不同 是通过台阶机制长大的 47 台阶的水平面为 的半共格界面 界面两侧的 与 有一定的位向关系 在半共界面上存在着柏氏矢量与界面平行的刃型位错 界面由位错和台阶组织成 台阶的端面为非共格界面 这样的界面活动能力很高 易于向侧面移动 从而使水平面向上推移 48 珠光体 贝氏体 马氏体转变主要特征 49 五 贝氏体的力学性能贝氏体的力学性能决定于其组织形态 但组织和性能又受多种因素影响 所以对贝氏体来说在组织和性能之间还很难建立起定量的关系 仅能定性的说明与两者之间的关系 一般来说 下贝氏体的强度较高 韧性也较好 而上贝氏体的强度低 韧性差 50 一 贝氏体的强度 硬度 影响贝氏体强度的因素有 1 贝氏体铁素体条或片的粗细如果将贝氏体条 片 的大小看作是贝氏体的晶粒 则可用