第五章 贝氏体相变

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用贝氏体相变贝氏体相变第五章第五章材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（550550M MS S）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用

2、什么是贝氏体？什么是贝氏体？“GB/T7232-1999金属热处理工艺术语”贝氏体：贝氏体： 是钢经奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区域与Ms之间的中温区等温，或连续冷却通过中温区时形成的组织。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用贝氏体相变的基本特征贝氏体相变的基本特征1）B相变是过冷相变是过冷A在中温转变区发生的非平衡相变，在中温转变区发生的非平衡相变，转变温度范围宽，转变有孕育期。转变温度范围宽，转变有孕育期。2）B转变过程主要是转变过程主要是BF的形核和长大过程，在不同的形核和长大过程，在不同温度下得到不同类型的温度下得到不同类型的B

3、组织形貌。组织形貌。3）B组织的相组成主要是组织的相组成主要是B铁素体和碳化物，但当铁素体和碳化物，但当转变不完全时有残余转变不完全时有残余A。4）B转变有表面浮凸现象。转变有表面浮凸现象。5）B转变是转变是B铁素体的共格切变型相变和碳原子的铁素体的共格切变型相变和碳原子的扩散型相变，碳原子的扩散速度控制着扩散型相变，碳原子的扩散速度控制着B的转变速的转变速度。度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-1 共析碳钢共析碳钢 C 曲线曲线Mf高温高温中温中温低温低温材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理

4、 与与 应应 用用5.1 贝氏体相变特点、组织形态和力学性能贝氏体相变特点、组织形态和力学性能5.1.1 贝氏体相变的特点贝氏体相变的特点（1）贝氏体转变温度范围）贝氏体转变温度范围 在在A1以下，以下，MS以上，有一转变的上限以上，有一转变的上限温度温度BS点和下限温度点和下限温度Bf 点，碳钢的点，碳钢的BS点约点约为为550。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 贝氏体转变产物为贝氏体转变产物为相相与与碳化物碳化物的两相混合物，为非层的两相混合物，为非层片状组织。片状组织。相：相： 相（即贝氏体铁素体相（即贝氏体铁素体BF）形态类似于

5、马氏体而不同于）形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。珠光体中的铁素体。（2）贝氏体转变产物）贝氏体转变产物碳化物：碳化物： 上贝氏体，碳化物上贝氏体，碳化物(渗碳体渗碳体) 分布在分布在铁素体条之间；铁素体条之间； 下贝氏体，碳化物既下贝氏体，碳化物既(渗碳体渗碳体或或-碳化物碳化物）分布在）分布在铁素体条铁素体条内部内部。 低、中碳钢中，当贝氏体形成温度较高时，也可能形成低、中碳钢中，当贝氏体形成温度较高时，也可能形成不含碳化物的不含碳化物的无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 通过形核与长大进行，等温

6、转通过形核与长大进行，等温转变动力学图是变动力学图是C形。形。 可以在一定温度范围内等温形成，也有孕育期；也可以在一定温度范围内等温形成，也有孕育期；也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变（3）转变动力学）转变动力学材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-3 合金钢合金钢 C曲线曲线图图5-2 共析碳钢共析碳钢 C曲线示意图曲线示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（4）转变的不完全性）转变的不完全性 转变结束时总有一部分未转变结束时总有一部分

7、未转变的转变的A，继续冷却，继续冷却AM，形成形成B+M+AR组织。组织。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 由单相转变形成低碳相和高碳由单相转变形成低碳相和高碳相，故有碳原子的扩散，但铁和合金相，故有碳原子的扩散，但铁和合金元素原子不扩散。元素原子不扩散。相变速度取决于碳原子的扩散速度相变速度取决于碳原子的扩散速度（5） 扩散性扩散性材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（6）晶体学特征）晶体学特征111 贝氏体形成时，有表面浮凸，铁素体按切变共格方式长大，位向关系和惯习面接近于马氏体

8、。上贝氏体惯习面为 ，下贝氏体的惯习面为225贝氏体中铁素体与母相奥氏体之间存在K-S关系，渗碳体与奥氏体以及渗碳体与铁素体之间也存在一定的晶体学位相关系。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体转变珠光体转变贝氏体转变贝氏体转变马氏体转变马氏体转变转变温度范围转变温度范围Ar1 550550 Ms 350 ，-Fe(C) + Fe3C 350 ，-Fe(C) + FexC单相组织单相组织-Fe(C)合金元素合金元素扩散扩散不扩散不扩散不扩散不扩散表表 5-1 珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较材料科

9、学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用形成于低碳钢中，形成于低碳钢中，在靠近在靠近BS的温度处的温度处形成，由形成，由平行板条平行板条铁素体束铁素体束及板条间及板条间未转变的未转变的富碳奥氏富碳奥氏体体组成。组成。5.1.2 贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态A 无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体（1）上贝氏体）上贝氏体图图5-4 无碳化物贝氏体示意图无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶原奥氏体晶界界BFAA材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用5.1.2 贝氏体的组织形态贝氏体的组织形态A 无碳化物贝氏体无碳

10、化物贝氏体BF核在核在A晶界上形成后，晶界上形成后，向晶内一侧成束长大。向晶内一侧成束长大。板条比较宽，板条间距离板条比较宽，板条间距离也较大，且两者均随形成温也较大，且两者均随形成温度的下降而变小。度的下降而变小。板条间为富碳的板条间为富碳的A，在随，在随后冷却时转变为后冷却时转变为M或保留至或保留至室温成为室温成为AR 。（1）上贝氏体）上贝氏体图图5-4 无碳化物贝氏体示意图无碳化物贝氏体示意图原奥氏体晶原奥氏体晶界界BFAABF与奥氏体的位向关系为与奥氏体的位向关系为K-S关系，关系，惯习面为惯习面为111A 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与

11、与 应应 用用图图5-5 无碳化物贝氏体组织，无碳化物贝氏体组织， 1000 （30CrMnSiA钢，钢，450等温等温20s）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用B 粒状贝氏体粒状贝氏体低中炭钢以一定速度连续冷却，一般是在稍高低中炭钢以一定速度连续冷却，一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成，由块状贝氏体于上贝氏体的形成温度下形成，由块状贝氏体铁素体与铁素体与岛状物岛状物组成，岛状物多为马氏体和奥组成，岛状物多为马氏体和奥氏体，称氏体，称M-A岛。岛。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用

12、用粒状贝氏体：粒状贝氏体：贝氏体铁素体岛状物（贝氏体铁素体岛状物（M-A岛）岛） 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 在贝氏体相变的较高温度区域在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢形成，对于中、高碳钢, 大约在大约在350550 区间。区间。C 经典上贝氏体经典上贝氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-6 (a)上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图 (b)T8钢中的上贝氏体组织钢中的上贝氏体组织(a)(b)形貌特征：形貌特征：材料科学与工程学院材料科学与工程学院

13、固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 其形态在光镜下为其形态在光镜下为羽毛状羽毛状。组织为一束平行的。组织为一束平行的自自A晶界长入晶内的晶界长入晶内的BF板条。板条。BF板条与板条与M板条相板条相近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。图图5-6 上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用珠光体珠光体板条马氏体板条马氏体上贝氏体上贝氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n BF板条内亚结构为板

14、条内亚结构为位错位错。与。与A的位向关系为的位向关系为K-S关关系，惯习面为系，惯习面为111A。碳化物惯习面为。碳化物惯习面为227 A，与，与A有确定的位向关系。有确定的位向关系。图图5-6 上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 碳含量：碳含量：随碳含量的随碳含量的增加增加，铁，铁素体条增素体条增多多并变并变薄薄，条间渗碳体，条间渗碳体数量数量增多增多，形态也有粒状变为链，形态也有粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。珠状、短杆状、直至断续条状。当达到共析浓度时，部分渗碳体当达到共析浓度时，部分渗碳

15、体也在铁素体内部沉淀。也在铁素体内部沉淀。图图5-6 上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图n温度：温度：随温度随温度降低降低，上贝氏体铁素体条变，上贝氏体铁素体条变薄薄，渗，渗碳体细化且弥散度碳体细化且弥散度增加增加。组织影响因素：组织影响因素：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n合金元素：合金元素：含有含有Si或或Al的钢中，由于的钢中，由于Si和和Al具有延具有延缓渗碳体沉淀的作用，铁素体条之间的奥氏体由于富缓渗碳体沉淀的作用，铁素体条之间的奥氏体由于富碳而趋于稳定，于是变为碳而趋于稳定，于是变为无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体。图图5-

16、6 上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用D 准上贝氏体准上贝氏体 由条状贝氏体铁素体和条间的残余奥氏体薄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。膜组成，属于无碳贝氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 在贝氏体相变的低温转变区在贝氏体相变的低温转变区形成，大约在形成，大约在350以下。以下。A 经典下贝氏体经典下贝氏体（2）下贝氏体）下贝氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应

17、 用用图图5-7 (a)下贝氏体组织示意图下贝氏体组织示意图 (b)GCr15钢的下贝氏体组织钢的下贝氏体组织(a)(b)材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 形核部位在奥氏体晶界或晶内。形核部位在奥氏体晶界或晶内。各个贝氏体之间都有一定的交角，立体形貌各个贝氏体之间都有一定的交角，立体形貌呈呈透镜片状透镜片状。针状或片状贝氏体铁素体内分布呈一定角度针状或片状贝氏体铁素体内分布呈一定角度排列的排列的-碳化物。碳化物。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用BF中碳含量远远高于平衡碳含量，中碳

18、含量远远高于平衡碳含量，亚结构亚结构为为缠结缠结位错位错，密度高于上，密度高于上BF，不存在孪晶。，不存在孪晶。贝氏体铁素体与奥氏体的取向关系为贝氏体铁素体与奥氏体的取向关系为K-S关关系系,惯习面有惯习面有110f, 254f, 569f等。等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用片状马氏体片状马氏体下贝氏体下贝氏体材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用B 准下贝氏体准下贝氏体在其贝氏体铁素体内按一

19、定角度排列着残余奥在其贝氏体铁素体内按一定角度排列着残余奥氏体。氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用将钢中可能出现的九种贝氏体归类将钢中可能出现的九种贝氏体归类:以上贝氏体为代表：以上贝氏体为代表：无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体、准上贝氏体、上贝氏体；准上贝氏体、上贝氏体；以下贝氏体为代表：以下贝氏体为代表：柱状贝氏体、准下贝氏体、特殊下贝氏体、柱状贝氏体、准下贝氏体、特殊下贝氏体、下贝氏体。下贝氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应

20、用用n 贝氏体相变的驱动力也是贝氏体相变的驱动力也是化学自由能差。化学自由能差。n 铁素体的铁素体的Gibbs自由能随着碳过饱和度的自由能随着碳过饱和度的增加而增加。增加而增加。5.2 贝氏体相变的热力学条件、相变机理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热力学条件材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用MsBs图图5-8 奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 由于碳在由于碳在BF中的

21、不断脱溶，增加了新中的不断脱溶，增加了新相与母相间的自由能差（相与母相间的自由能差（G）。）。n BF中碳的脱溶还使其比容降低，从而中碳的脱溶还使其比容降低，从而减少作为相变阻力的比容应变能，这些减少作为相变阻力的比容应变能，这些都会促进都会促进BF的进一步长大。的进一步长大。影响贝氏体相变驱动力的因素：影响贝氏体相变驱动力的因素：Ed材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用5.2.2 贝氏体相变的机理贝氏体相变的机理(一一)贝氏体相变机理的学术争论贝氏体相变机理的学术争论共识共识: 铁素体形成是马氏体型相变铁素体形成是马氏体型相变,并伴随有碳

22、原子的扩并伴随有碳原子的扩散散. 为什么在为什么在Ms点以上会有马氏体相变发生点以上会有马氏体相变发生? 切变学派切变学派(恩金贝氏体相变假说恩金贝氏体相变假说) 扩散学派扩散学派(柯俊贝氏体相变假说柯俊贝氏体相变假说)材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用切变学派切变学派(恩金贝氏体相变假说恩金贝氏体相变假说)主要论点：主要论点：1）B组织与无扩散的M相似，BF实质上是低碳M；2）B相变浮凸现象与M相似；3）在晶体学位向关系上，B与M相似；4）B相变在动力学上类似于等温M；5）B转变也有不完全现象；转变机制：转变机制：碳的重新分配（相变前）

23、碳的重新分配（相变前）贫碳区贫碳区富碳区富碳区M相变相变低碳低碳M快速回火快速回火过饱和铁素体过饱和铁素体渗碳体渗碳体B先析出渗碳体先析出渗碳体* B相变相变 = M相变相变 + 碳原子扩散碳原子扩散材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用为什么在Ms点以上会发生马氏体型相变？ 马氏体相变开始点马氏体相变开始点Ms随碳浓度增加而下降！随碳浓度增加而下降！切变学派解释了切变学派解释了贝氏贝氏体的形成，体的形成，Bs点的意点的意义义和和贝氏体中铁素体贝氏体中铁素体的碳浓度随温度变化的碳浓度随温度变化而变化而变化等现象，但没等现象，但没有解释有解释贝

24、氏体的形态贝氏体的形态变化和组织结构变化和组织结构等问等问题。题。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用扩散学派扩散学派(柯俊贝氏体相变假说柯俊贝氏体相变假说)主要论点：主要论点：1）在B宽面上存在巨型台阶，以及B长大界面为非共格界面，说明B可能是按扩散台阶机制长大；2）B的表面浮凸不同与M，扩散台阶机制也可以形成表面浮凸现象；3）在晶体学关系上，B的惯习面与同一合金的M不同；4）对Fe-C合金系，B转变驱动力的计算，在热力学上B不可能以切变方式形成；5）热力学计算表明，在B相变时不能形成富碳区。转变机制：转变机制：足够大弹性能减小材料科学与

25、工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用自由能自由能G温温 度度GHG HT0HMSHGV VHGLG LT0LMSLGV VLT0HLMSHLGV VH HL自由能差自由能差Gv增加增加由于碳的脱溶，由于碳的脱溶，A与与B比容差小于比容差小于A与与M比容差，所以弹性能比容差，所以弹性能E也减小也减小！材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用扩散学派认为扩散学派认为:l 贝氏体相变是贝氏体相变是相相的不断长大和碳从的不断长大和碳从相中不断脱溶两个过程同时发生相中不断脱溶两个过程同时发生;l 贝氏体相变为有

26、扩散贝氏体相变为有扩散(碳原子碳原子)和有共格的相变和有共格的相变;l 贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能;l 碳从碳从相中的脱溶方式有两种相中的脱溶方式有两种: 碳通过相界面从碳通过相界面从相扩散到相扩散到相中相中; 碳在碳在相内脱溶沉淀为碳化物相内脱溶沉淀为碳化物.能够解释能够解释: (1) 在在Ms点以上温度点以上温度相可以通过马氏体型相变机制形成相可以通过马氏体型相变机制形成; (2) 按马氏体型相变机制形成的贝氏体长大速度远低于马氏体长大速度按马氏体型相变机制形成的贝氏体长大速度远低于马氏体长大速度; (3) 在不同温

27、度下形成的贝氏体有着截然不同的组织形态在不同温度下形成的贝氏体有着截然不同的组织形态;材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 贝氏体转变的领先相是贝氏体转变的领先相是铁素体铁素体，在转变温，在转变温度下，奥氏体中存在浓度起伏，度下，奥氏体中存在浓度起伏，BF核在贫核在贫碳区形成。碳区形成。 较高温度时，较高温度时，BF在奥氏体晶界形核（上在奥氏体晶界形核（上B）；）； 较低温度时较低温度时(下下B)，BF大多在奥氏体晶粒内形大多在奥氏体晶粒内形核。核。5.2.2 贝氏体相变的机理贝氏体相变的机理（一）贝氏体相变机理概述（一）贝氏体相变机理概述

28、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 BF以以共格切变方式共格切变方式长大，但长大速度缓慢，长大，但长大速度缓慢，这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控制。制。 形成的形成的BF为碳的过饱和为碳的过饱和固溶体，形成温度固溶体，形成温度越低，过饱和度越大。在越低，过饱和度越大。在BF形成的同时，将形成的同时，将发生碳的脱溶，析出碳化物。发生碳的脱溶，析出碳化物。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（二）无碳化物贝氏体的形成机理（二）无碳化物贝氏体的形成

29、机理n 高温范围转变，组织为高温范围转变，组织为BF+富碳富碳A。图图5-10 无碳化物贝氏体形成机理示意图无碳化物贝氏体形成机理示意图(1) BF在奥氏体晶界形核，初形成的在奥氏体晶界形核，初形成的BF过饱和过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，度很小，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的形成相互平行的BF板条束。板条束。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(2) 转变温度较高，在转变温度较高，在BF中的碳原子可以中的碳原子可以越过越过BF/A相界面向相界面向A中扩散，直至达到中扩散，直至达到平衡浓度。平衡浓度。图图5-

30、10 无碳化物贝氏体形成机理示意图无碳化物贝氏体形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-10 无碳化物贝氏体形成机理示意图无碳化物贝氏体形成机理示意图 (3) 通过相界面进入通过相界面进入A的碳能很快向的碳能很快向远远离界面处扩散离界面处扩散，不至于在界面附近产，不至于在界面附近产生积聚，从而不会从生积聚，从而不会从A中析出碳化物。中析出碳化物。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 (4) 在随后的冷却过程中，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，富碳奥氏体可以转变为马氏体，也

31、可以保持到室可以转变为马氏体，也可以保持到室温而成为富碳的残余奥氏体。温而成为富碳的残余奥氏体。图图5-10 无碳化物贝氏体形成机理示意图无碳化物贝氏体形成机理示意图原奥氏体原奥氏体晶界晶界BFAA材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n中温范围转变，在中温范围转变，在350550，组织为，组织为BF + Fe3C，形态为形态为羽毛状羽毛状。 （三）上贝氏体的形成机理（三）上贝氏体的形成机理材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-6 (a)上贝氏体组织示意图上贝氏体组织示意图 (b)T

32、8钢中的上贝氏体组织钢中的上贝氏体组织(a)(b)材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(1) BF在奥氏体晶界形核，以在奥氏体晶界形核，以共格切变共格切变方式方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的向晶粒内一侧长大，形成相互平行的BF板条束。板条束。Fe3C图图5-11 上贝氏体的形成机理示意图上贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(2) 碳原子越过碳原子越过BF/A相界面向相界面向A中中扩散扩散。Fe3C图图5-11 上贝氏体的形成机理示意图上贝氏体的形成机理示意图材

33、料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(3)转变温度降低，进入相界面附近转变温度降低，进入相界面附近A中的碳中的碳原子已不能向远处扩散，尤其是铁素体板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，在这些地方将产条间奥氏体中的碳原子，在这些地方将产生碳的生碳的堆积。堆积。Fe3C图图5-11 上贝氏体的形成机理示意图上贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（4）随着）随着BF的长大，的长大，铁素体板条间铁素体板条间奥氏体中的奥氏体中的碳含量显著升高，当碳浓度升高

34、一定程度时，碳含量显著升高，当碳浓度升高一定程度时，将从奥氏体中将从奥氏体中析出碳化物析出碳化物（Fe3C），从而形成），从而形成羽毛状上贝氏体。由于得不到奥氏体中碳原子羽毛状上贝氏体。由于得不到奥氏体中碳原子的不断补充，这些渗碳体呈的不断补充，这些渗碳体呈不连续不连续的。的。Fe3C图图5-11 上贝氏体的形成机理示意图上贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用u 上贝氏体的转变速度受上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中碳在奥氏体中的扩散的扩散所控制。随形成所控制。随形成温度的降低温度的降低，条，条状铁素体状铁素体变薄变薄，

35、条间析出的渗碳体颗粒，条间析出的渗碳体颗粒细化细化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 低温范围转变，低温范围转变， 350。（四）下贝氏体的形成机理（四）下贝氏体的形成机理材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用图图5-7 (a)下贝氏体组织示意图下贝氏体组织示意图 (b)GCr15钢的下贝氏体组织钢的下贝氏体组织(a)(b)材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（1）BF大多在奥氏体晶粒内通过共格大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形

36、成，形态为切变方式形成，形态为透镜片状透镜片状。（四）下贝氏体的形成机理（四）下贝氏体的形成机理图图5-12 下贝氏体的形成机理示意图下贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(2) 由于温度低，由于温度低，BF中碳的过饱和度很中碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能越过大。同时，碳原子已不能越过BF/A相相界面扩散到奥氏体中去，所以就在界面扩散到奥氏体中去，所以就在BF内部内部析出细小的碳化物。析出细小的碳化物。图图5-12 下贝氏体的形成机理示意图下贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态

37、相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(3)随着随着BF中碳化物的析出，自由能进一中碳化物的析出，自由能进一步降低，比容降低，导致应变能下降，步降低，比容降低，导致应变能下降，将使已形成的将使已形成的BF片进一步长大片进一步长大。同时，。同时，在其侧面成一定角度也将形成新的下贝在其侧面成一定角度也将形成新的下贝氏体铁素体片。氏体铁素体片。图图5-12 下贝氏体的形成机理示意图下贝氏体的形成机理示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用u 可见，下贝氏体的转变速度受可见，下贝氏体的转变速度受碳在铁碳在铁素体中素体中的扩散所控制。的扩散所控制

38、。碳化物析出和铁素碳化物析出和铁素体长大两个过程同时进行，随温度下降，碳体长大两个过程同时进行，随温度下降，碳化物颗粒变得细小、弥散。化物颗粒变得细小、弥散。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 综上所述，不同形态贝氏体中的铁综上所述，不同形态贝氏体中的铁素体都是通过素体都是通过切变机制切变机制形成的。只是形成的。只是因为形成温度不同，使因为形成温度不同，使铁素体中碳的铁素体中碳的脱溶脱溶以及以及碳化物的形成碳化物的形成方式不同，从方式不同，从而导致贝氏体的组织形态不同。而导致贝氏体的组织形态不同。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固

39、 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用特点：特点： 也呈也呈C形（与形（与P相同）；相同）；有有B转变上限温度转变上限温度Bs（与（与PA1，MMs）；）；也存在一个也存在一个“鼻子鼻子”（随温度降低，转变速度先增后减）；（随温度降低，转变速度先增后减）； 对于碳钢，对于碳钢，P转变和转变和B转变转变C曲线重叠在一起；曲线重叠在一起； B转变的转变的C曲线实际是由两个独立的曲线实际是由两个独立的C曲线合并而成的，即曲线合并而成的，即B上上C曲线和曲线和B下下C曲线，说明由两种机制形成。曲线，说明由两种机制形成。5.3 贝氏体相变的动力学影响因素贝氏体相变的动力学影响因素5.3.1 贝

40、氏体等温相变动力学曲线贝氏体等温相变动力学曲线材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（1）温度）温度 等温温度越高，转变量越少；等温温度越高，转变量越少；有孕育期；有孕育期；转变速度先增后减。转变速度先增后减。5.3.2 影响贝氏体相变动力学的因素影响贝氏体相变动力学的因素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用冷却时在不同温度下停留的影响冷却时在不同温度下停留的影响图图5-13 冷却时不同温度停留的冷却

41、时不同温度停留的三种情况三种情况材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 曲线曲线1：在珠光体相变与贝氏体相变之间的：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过冷奥氏体稳定区停留，会，会加速加速随后的贝氏随后的贝氏体转变速度。体转变速度。 原因原因：在等温停留时：在等温停留时从奥氏体中析出了碳化物，从奥氏体中析出了碳化物，降低了奥氏体中碳和合金降低了奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性，所以使贝氏体的稳定性，所以使贝氏体转变加速。氏体转变加速。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相

42、变变 原原 理理 与与 应应 用用 曲线曲线2：在贝氏体形：在贝氏体形成温度的高温区停留，成温度的高温区停留，形成部分上贝氏体形成部分上贝氏体，然，然后再冷至贝氏体相变的后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体转变的速度，即奥氏体发生了发生了稳定化稳定化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 曲线曲线3：先冷至低：先冷至低温，温，形成少量马氏体形成少量马氏体或下贝氏体或下贝氏体，然后再，然后再升至较高温度，则先升至较高温度，则先形成的少量马氏体和形成的少量马氏体和下贝氏体将下贝氏体将加速加速随后随后的

43、贝氏体转变速度。的贝氏体转变速度。原因：原因：较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，从而加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。从而加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 奥氏体中碳含量的增加，转变奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，等时需要扩散的原子数量增加，等温转变温转变C曲线右移，转变速度下曲线右移，转变速度下降。降。（2）碳含量）碳含量n 上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于前沿奥氏上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于前沿奥氏体中体中碳的扩散速度碳

44、的扩散速度；下贝氏体的相变速度，主要取；下贝氏体的相变速度，主要取决于铁素体内决于铁素体内碳化物的沉淀速度碳化物的沉淀速度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 除除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低外，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度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的C曲线分开。曲线分开。（3）合金元素）合金元素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 奥氏体晶粒越大，晶界

45、面积越少，形奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位越少，孕育期越长，贝氏体转变核部位越少，孕育期越长，贝氏体转变速度下降。速度下降。（4）奥氏体晶粒大小）奥氏体晶粒大小材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用（5）应力和塑性变形的影响）应力和塑性变形的影响n 拉应力加快贝氏体转变拉应力加快贝氏体转变;n 在在较高温度较高温度的形变使贝氏体转变的孕的形变使贝氏体转变的孕育期延长，速度育期延长，速度减慢减慢；而在；而在较低温度较低温度的的形变却使转变的孕育期缩短，速度加快。形变却使转变的孕育期缩短，速度加快。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固

46、固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用5.1.3 贝氏体的机械性能贝氏体的机械性能（一）贝氏体的强度和硬度（一）贝氏体的强度和硬度n 贝氏体的强度和硬度随形成温度贝氏体的强度和硬度随形成温度的降低而提高。的降低而提高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 贝氏体铁素体细化强化（细晶强化）贝氏体铁素体细化强化（细晶强化）形成温度越低，贝氏体铁素体越细，强形成温度越低，贝氏体铁素体越细，强度越高。度越高。n 影响贝氏体强度的因素：BF的晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒大小和的晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒大小和形成温度。形成温度。 形成温

47、度越低，铁素体条的厚度越薄；形成温度越低，铁素体条的厚度越薄； 形成温度越低，位错密度增大，强度和韧性增高；形成温度越低，位错密度增大，强度和韧性增高； 形成温度越低，亚结构尺寸越小强度和韧性也提高。形成温度越低，亚结构尺寸越小强度和韧性也提高。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用n 下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量较多，且分布均匀，故下贝氏体的量较多，且分布均匀，故下贝氏体的强度高于上贝氏体。强度高于上贝氏体。n 贝氏体形成贝氏体形成温度越低温度越低，碳化物颗粒越，碳化物颗粒越小、越多，强度越高。小、越多，强度越高。 碳化物的弥散强化（第二项强化碳化物的弥散强化（第二项强化）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原