金属材料及热处理11钢的热处理篇(6)

1、六、六、碳钢及钢的热处理碳钢及钢的热处理1、Fe-C相图与碳钢2、钢的加热转变（奥氏体化）3、 奥氏体的冷却转变（奥氏体分解， C曲线）4、 珠光体转变与钢的退火、正火5、 马氏体转变与钢的淬火6、 淬火钢的加热转变与钢的回火7、 贝氏体转变与钢的等温淬火8、 表面淬火9、 化学热处理10、热处理的工艺基础（略）7、 贝氏体转变与钢的等温淬火1）概述2）贝氏体3）贝氏体相变特点4）贝氏体转变热力学5）贝氏体转变晶体学6）贝氏体转变动力学7）贝氏体力学性能8）钢的等温淬火（下贝氏体）7、贝氏体转变与钢的等温淬火1 1）概述）概述贝氏体转变贝氏体转变：钢在珠光体转变温度的低温一侧或其以下，马氏体转

2、变温度以上的温度范围内，即，共析碳钢过冷奥氏体在约550至从Ms点的温度范围内，过冷奥氏体发生贝氏体转变，又称中温转变。在贝氏体转变的温度范围内，在温度上端的转变产物，叫上贝氏体；在温度下端的转变产物，叫下贝氏体。上贝氏体上贝氏体（550350)羽毛状，形态类似细小珠光体下贝氏体下贝氏体（350240) 针状（竹叶状），形态类似板条状马氏体下贝氏体具有较高的强度，硬度，又有较好的人性，塑性，所以为获得下贝氏体的热处理等温淬火等温淬火工艺得到了较广泛的应用。贝氏体转变是介于珠光体型与马氏体型转变之间的一种转变，晶体学机制为带有碳原子扩散的共格切变共格切变，被称之为中间型相变中间型相变。2 2）贝

3、氏体的特点）贝氏体的特点贝氏体是由有一定过饱和固溶体Fe素体和Fe3C两相组成混合物组织。因化学成分不同，转变温度不同， 贝氏体有各种不同形态：上贝氏体、下贝氏体、柱状贝氏体、无碳贝氏体（平行的铁素体板条+无碳化物）、岛状或粒状贝氏体（粗大的块状铁素体+孤立的“小岛” （富碳奥氏体 ）、反常贝氏体 。这里只讲上、下贝氏体 。上贝氏体上贝氏体光镜下，羽毛状，分不清F+Fe3C两相。电镜下，每个板条由亚板条构成，亚板条内为位错密度，在亚板条间有Fe3C；通常，T下降，T减小，板条密而细，渗碳体则变成不连续分布。常有残奥存在。下贝氏体下贝氏体 光镜下，竹叶状，难分清两相。电镜下，竹叶状Fe素体内含细

4、小碳化物，Fe3C碳化物大致平行排列，与铁素体呈60，F片由几个具有小角度晶界的亚片构成，板条中位错密度较高。下贝氏体上贝氏体贝氏体组织形态的描述贝氏体组织形态的描述上贝氏体组织上贝氏体组织，由平行的板条状铁素体+不连续的条状渗碳体。光镜下，羽毛状，分不清F+Fe3C两相。电镜下，由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的板条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的不连续的短杆状的渗碳体所组成。上贝氏体中铁素体的宽度随形成温度降低而变细。板条状铁素体内还包含着若干更细小的平行排列的亚板条与片状珠光体不同，上贝氏体中 Fe3C条断续地分布在F片之间，Fe3C主轴方向与F板条长轴平行，F含过饱和的碳，还有位错缠结

5、存在。上贝氏体中F的形态与亚结构和板条马氏体相似，但其位错密度比马氏体要低个数量级。下贝氏体组织，下贝氏体组织，也是由片状铁素体和碳化物组成。在光学显微镜下观察，下贝氏体呈黑色针状，各个针状物之间都有一定的夹角。它可以在奥氏体晶界上形成。但大量的是在奥氏体晶粒内沿某些晶面单独地或成堆的长成针叶状。片状铁素体内也包含着若干更细小的亚片。下贝氏体铁素体的立体形态，与高碳马氏体一样，也呈双凸透镜状。下贝氏体中的铁素体亚结构与片状马氏体不同，有高密度位错，没有孪晶亚结构存在，其位错密度比上贝氏体中铁素体的高。3 3）贝氏体转变特点）贝氏体转变特点介于珠光体型转变与马氏体型转变之间的一种中间型转变。过程

6、铁素体切变而成，Fe3C则扩散脱溶而成。转变过程：转变过程：首先过冷奥氏体贫碳区以共格切变形成铁素体，碳原子从铁素体脱出，奥氏体随着伸长变宽，C继续向奥氏体扩散，达到一定程度析出Fe3C。高温350，渗碳体于铁素体间，沿条长轴向析出，则形成上贝氏体；低温350-Ms，因碳扩散困难，只在片内沿一定晶面偏聚，析出粒子，则形成下贝氏体。贝氏体台阶长大机制贝氏体台阶长大机制 （略）（略）与奥氏体非共格的亚板条或亚片的台阶端面通过由扩散控制的连续运动逐渐向奥氏体中作纵向推进；与此同时，在亚板条或亚片的侧面则有新的亚板条或亚片的形核，使铁素体横向增厚，也作纵向氏大，整个铁素体就以这种台阶方式向奥氏体中长大

7、 。上贝氏体的形成过程上贝氏体的形成过程 （略）（略）铁素体（轻度过饱和的-固溶体）以共格切变方式长大 ，因此，上贝氏体中的铁素体与母相奥氏体符合西山关系。111/ 110 ， 211/ 110下贝氏体的形成过程下贝氏体的形成过程（略）（略）铁素体（高度过饱和的-固溶体）以共格切变方式长大 ，惯习面为225 ，铁素体与奥氏体的位向关系（K-S关系）， 111 / 110， 110 /111，渗碳体与铁素体的位向关系 ， ( 0 0 1 ) C M / / ( 2 1 1 ) a ， 1 0 0 C M / / 0 1 1 a ， 010CM/111a ，惯析面和取向关系：惯析面和取向关系：这里

8、只讲铁素体析出的惯析面和取向关系铁素体以共格切变方式形成，其惯析面和取向关系与马氏体转变的类似上贝氏体：惯析面111，取向服从西山关系(N关系) 111/110，/下贝氏体：惯析面225，取向服从K-S关系 111/110， /贝氏体转变是通过切变方式进行的：贝氏体转变是通过切变方式进行的：最有力的证据是表面浮凸效应表面浮凸效应。贝氏体中铁素体与奥氏体保持共格联系并在特定晶面上析出。贝氏体中铁素体与母相奥氏体保持严格的晶体取向关系。为了减少阻力，快速推进，铁素体一般为板状，这样可以减少应变能。这种形貌与切变进行的马氏体相似。贝氏体有自己的动力学曲线：贝氏体有自己的动力学曲线：对于碳钢，贝氏体的

9、C曲线与珠光体的重合，而合金钢的是分开的。贝氏体转变类似于马氏体转变，有转变开始温度Bs，亦有转变可能完成的最高（上限）温度Bf，贝氏体转变的终了或停止温度Bf 。值得注意的是，Bf与Ms不一定谁高，视成分不同而不同，在Bs-Bf之间 B转变不可能完全转变，只有冷却Bf以下才可能百分之百的转变，但MsBf时，在Ms以下，过冷奥氏体可能会转变为马氏体，冷到Bf以下，奥氏体亦不可能百分之百转变未完者，即有残余奥氏体存在。上、下贝氏形成温度有一个明显分界，分界温度随成分不同而不同，一般地讲，高碳钢（尤其是，共析钢和过共析钢）的分界温度大约为350。影响贝氏体动力学的因素：影响贝氏体动力学的因素：凡影

10、响奥氏体稳定性的影响因素均影响贝氏体，主要包括有成分、奥化工艺、冷却过程(停留)、塑变应力等合金元素对贝氏体转变的影响。与马氏体相变的相似。关于“对贝氏体转变的影响”主要包括：对相界线A1、 A3和Acm的影响 转变过冷度和驱动力；对碳的活度和扩散系数的影响 扩散过程；对奥氏体强度的影响 切变过程的难易程度；对碳化物的影响 在钢中能形成稳定合金碳化物时，由于合金碳化物的溶解度极低，较易析出，将影响贝氏体转变。对相界面的影响 合金元素可能富集在贝氏体组织的铁素体和尚未转变奥氏体的界面，从而影响了界面的迁移性。上述这些影响较为复杂，并且是交互影响的，要针对具体情况进行分析。贝氏体转变是一个形核与长

11、大过程（略）：贝氏体转变是一个形核与长大过程（略）：贝氏体是-Fe +Fe3C的复相组织，转变的化学反应式与珠光体一样，都是因成分进而结构和相发生了变化的转变： + Fe3C但是，贝氏体转变的温度低于珠光体转变，因而，过冷度T大，从式：v=THv / T0可以近似地看出，贝氏体转变的驱动力较大，而下贝氏体转变的驱动力更大。既然，贝氏体转变是成分发生了变化的转变，就需要原子扩散来完成这种转变。但是，贝氏体转变温度较低，也只有间隙原子能完成短程的扩散，Fe则无法扩散，象马氏体相变一样，以切变的方式有AF 。贝氏体转变也是一个形核与长大的过程。转变通常需要一定的孕育期，在孕育期内，由于碳在奥氏体中重

12、新分布，造成浓度起伏，随着过冷度增大，奥氏体成分越来越不均匀，进而形成富碳区和贫碳区，在含碳较低部位先形成铁素体晶核。上贝氏体中晶核一般优先在奥氏体晶界贫碳区上形成，下贝氏体由于过冷度大，铁素体晶核可在奥氏体晶粒内部形成。14贝氏体转变示意图（清华大学材料科学基础页铁素体形核后，当浓度起伏合适且晶核尺寸超过临界尺寸时便开始长大，在其长大的同时，过饱和的碳从铁素体中向奥氏体中扩散，并视温度不同，碳于铁素体板条之间或在铁素体内部沉淀析出Fe3C碳化物。显然，贝氏体中碳化物的形态与分布都和形成温度有关。这样，奥氏体在中温区不同温度保温可以形成不同类型的贝氏体。通常，上贝氏体的长大速度取决于碳在奥氏体

13、中的扩散，而下贝氏体的转变速度取决于碳在铁素体中的扩散。因此，贝氏体转变速度远比马氏体低。钢中贝氏体转变是带有碳原子扩散的共格切变，即贝氏体形成时，铁和合金元素不能扩散，而只有碳原子扩散，贝氏体中的铁素体是通过奥氏体的共格切变实现点阵改组而形成的，碳化物形成则依靠碳原子扩散达到。贝氏体转变是介于珠光体型与马氏体型转变之间的一种中间型相变。贝氏体转变过程概括（略）贝氏体转变过程概括（略） 4）贝氏体（略）（略） 设共析钢由奥氏体态T温度过冷至T温度，此时过冷奥氏体处于改成份钢的Ms点以上，因此，不会发生马氏体型切变。同时由于铁原子不能扩散，故不会发生珠光 体转变。但此时碳原子仍可扩散。因为过冷奥

14、氏体是处于Acm线ES的延长线SR 之下侧，所以有析出碳化物的趋势，引起 碳原子在奥氏体中的扩散和重新分布，形 成富碳区和贫碳区。这个过程可看作是贝氏体转变的孕育期。当贫碳区的奥氏体谈浓度（图中Z点）达到改成份奥氏体的Ms点温度时，便发生马氏体型的切变。可见，奥氏体中局部含碳量降低为贝氏体转变床罩了热力学条件，从而使相切变共格型转变能在Ms点以上温度进行。贝氏体中的铁素体可以通过马氏体机制形成图11-76材料科学基础清华大学出版社5）（略）（略） 贝氏体转变时形核和长大的过程。铁素体以共格切变方式长大，上贝氏体中的铁素体与母相奥氏体具有一定的位相关系，这一关系为111/110， /即符合西山关

15、系。下贝氏体的形成过程与上贝氏体相似，但铁素体晶核除了在奥氏体晶界形成之外，也可以在长大了的铁素体片的边界上形成；铁素体也是通过共格切变方式长大，但其惯习 面是225，铁素体与奥氏体的位相关系为（111）/（110），110/111，即符合K-S关系。试验表明，下贝氏体中的渗碳体与铁素体有如下的位相关系：(001)CM/(211)100CM/0-11和010CM/1-11 图6-35贝氏体形成示意图金属热处理页碳钢和某合金钢的图页图6）（略）（略） 贝氏体可以恒温形成，也可以在一定温度的连续冷却时形成，但对于共析和过共析碳钢，连续冷却时基本上不形成贝氏体。在恒温转变时，贝氏体转变的TTT图也呈

16、C字型，但碳钢中贝氏体转变的曲线与珠光体转变的曲线互相重叠（见上图），而在一些合金钢的图中，则可明显地看出贝氏体转变的曲线。（见上图）奥氏体必须过冷至一定的温度以下，并经过一段孕育期才能转变成贝氏体。贝氏体转变开始温度为s点，高于s点，奥氏体不能转变成贝氏体，而只能转变成珠光体型组织。此外，贝氏体转变尚有一个可能完全转变成贝氏体的上限温度，即f点。在转变的温度范围内，上贝氏体和下贝氏体的形成温度有一定的分界线。碳钢含碳量对上下贝氏体分界温度的影响。（见左图）至于合金钢，上下贝氏体的分界温度不仅与含碳量有关，而且与合金元素的种类及含量有关。7）贝氏体力学性能贝氏体的力学性能主要取决于其组织形态。

17、贝氏体混合组织中铁素体，渗碳体及其他相的相对含量，形态，大小和分布等都会影响贝氏体的性能。通常，上贝氏体的强度和韧性较差 ，由于 铁素体板条较宽 ，板条之间分布着不连续的条状渗碳体。下贝氏体的强度和韧性较好，由于 铁素体片细薄，碳化物弥散于片内。相比之下，下贝氏体不但强度高，而且韧性也很好，即具有优良的综合力学性能。因此，生产上广泛采用等温淬火工艺处理钢件，目的就是要得到这种强韧结合的下贝氏体组织。等温淬火一般要求得到下贝，等淬比一般淬火回火得到的组织具有较好的韧性。然而，值得注意的是，通常，下贝中混有上贝，与下贝相比，韧性下降；下贝中混有一定的马氏体，与上贝氏体相比，强度上升，但是韧性下降；

18、马中混有下贝，与马比，强度下降。上贝氏体形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体和碳化物分布有明显的方向性。这种组织状态是铁素体条间易产生脆断，铁素体本身也可能成为裂纹扩展的路径。下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，而且在铁素体内又沉淀析出细小，多量且弥散分布的碳化物，故位错密度高。因此，上贝中铁素体宽塑性变形抗力低，F片间存在间断或半连续的Fe3C，裂纹易传播，塑性低，抗拉强度、断裂强度均低；下贝铁素体板条细，细小碳化物分布弥散，F片内有高密度位错，强度，塑韧性均高，如转变温度下降，性能还会上升。下贝氏体8）钢的等温淬火等温淬火的优点：等温淬火

19、的优点：降低淬火应力（热应力小，组织应力小）；减少变形开裂；减少残奥提高组织稳定性可能取消回火等温淬火（下贝氏体等温淬火（下贝氏体 ）的工艺：）的工艺：工艺如图示等温淬火的温度选择（1）等温淬火的奥氏体温度原则与普通淬火的相同，然而，在保证奥氏体晶粒不粗化的条件下，提高奥氏体的稳定性，防P转变是十分重要的，可以适当提高等温淬火的奥氏体化加热温度（30-80），保证转变成下贝氏体。（2）等温贝氏体转变温度T与时间t由C曲线确定T一般要以实验来确定：一个“鼻子”的C曲线，通过试验（金相法）确定其下贝氏体的形成温度范围（上限温度） ，原则上看上下贝氏体的分界线温度。两个“鼻子”的C曲线（双C曲线），取第二个“鼻温”左为上、下贝氏体的分界温度。t一般要以实验来确定：原则以曲线开始线与终了线差而定，但转变先快后慢，过分长时无意义。（3）等温淬火的冷却介质熔盐、或熔碱、或熔金属。防冷速过慢而发生珠光体型转变，也要防冷速过大而掺杂马氏体，等温淬火的应用范围：等温淬火的