固态相变课件

1、第四章 贝氏体相变第一节 贝氏体(B)转变的基本特征一. 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和下限温度Bf , 碳钢的BS约为550左右。二. 贝氏体转变产物 一般地，贝氏体转变产物为相与碳化物的二相混合物，为非层片状组织。相形态类似于M而不同于珠光体中的F。三. 转变动力学 由形核与长大完成，等温转变动力学图是C形。1四. 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AM，形成B+M+AR组织，其中AR为残余A。五. 扩散性 转变形成高碳相和低碳相，故有碳原子扩散，但合金元素和铁原子不扩散或不作长程扩散。六. 晶体学特征 贝氏体形成时，有表面浮突，位

2、向关系和惯习面接近于M。总之，贝氏体转变的某些特征与P相似，某些方面又与M相似。2第二节 贝氏体组织形态和晶体学贝氏体有下列主要的组织形态：一. 无碳化物贝氏体 在靠近BS的温度处形成这种贝氏体，是由F+A组成。其形态可见图，是在A晶界上形成了F核后，向晶内一侧成束长大，形成的平行的板条束，条间为富碳的A，板条宽度随转变温度下降而变窄. 继续冷却，A可能转变为M、P、B (其他类型)或保留至室温。F条形成时在抛光表面会形成浮凸. B与A的位向关系为K-S关系，惯习面为111A。3二. 上贝氏体(B上)B上在B转变的较高温度区域内形成，对于中、高碳钢, 此温度约在350550区间。组织为(F+碳

3、化物)的二相混合物。其形态在光镜下为羽毛状(见图)。在电镜下为一束平行的自A晶界长入晶内的F条。束内F有小位向差，束间有大角度差，F条与M板条相近。碳化物分布在铁素体条间，随A中含碳量增高，其形态由粒状向链状甚至杆状发展(见图)。F内亚结构为位错，惯习面为111A，与A之间的位向接近K-S关系，碳化物惯习面为227 A，与A有确定位向关系。4三. 下贝氏体B下在B转变的低温转变区形成，大致在350，组织为(F+碳化物)的二相混合物。F的形态与A碳含量有关: 碳量低时呈板条状(见图)。碳量高时，呈片状(见图)。片内存在细小碳化物，呈短杆状与F的长轴成55-60度， 成分为Fe3C或Fe2-3C。

4、四. 粒状贝氏体在一定的冷速范围内连续冷却得到的，组织为(F+A)的二相混合物。其形态为F基体上分布着小岛状的A(见图)。 富碳的A小岛在随后的冷却过程中有三种可能: 分解为F与碳化物; 转变为M; 以A态保留至室温。5第三节 贝氏体转变动力学一. 贝氏体等温转变动力学曲线 贝氏体等温转变动力学曲线也呈S形，但与珠光体转变不同，贝氏体等温转变不能继续到终了。根据贝氏体转变动力学曲线，可作出等温转变动力学图，如图。可见，此动力学图也呈C形。转变在BS温度以下才能实行，转变速度先增后减。 近年来，由于测试灵敏度的提高，人们发现贝氏体转变的C曲线是由二个独立的曲线，即上贝氏体转变和下贝氏体转变合并而

5、成，如图。 6二. 转变时碳的扩散 7三. 影响贝氏体转变的动力学的主要因素 1. 碳含量的影响 A中碳含量的增加，转变时需扩散的原子量增加，转变速度下降。 2. 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响 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; 奥氏体化温度越高，奥氏体晶粒越大，转变速度先降后增。 8第四节 贝氏体转变热力学及转变机制一. 贝氏体转变热力学 贝氏体转变可有三种可能:(1) 奥氏体分解为平衡浓度的+Fe3C，即+Fe3C(2) 奥氏体先析出先共析铁素体，即+1, 1在随后的冷却过程中进一步转变.(3) 奥氏体以马氏体相变方式先形成同成分的(过饱

6、和)，然后分解成Fe3C及低饱和度，即(过饱和)，+ Fe3C，经计算后发现：以方式(1)机制转变的相变驱动力最大，这就表示(2)、(3)中的1和都是热力学不稳定的，最终要分解为平衡相和Fe3C。以(3)中的切变方式转变，驱动力为180J/mol，而在BS时相变的阻力在600 J/mol以上, 阻力大于驱动力, 所以至少在贝氏体转变的上限温度(3)中的方式不可能而以(2)中的1扩散方式进行。 9二. 贝氏体转变过程 1. 无碳化物贝氏体 (高温范围转变)，组织为F+A(富碳). (1) A中形成贫碳及富碳区，首先是在贫碳区形成F核;(2) 由于转变温度较高，碳原子可在F中越过F/A界面向A扩散

7、，直至达到平衡浓度; (3) A、F界面上的碳原子向A中远离界面处扩散;(4) 继续形成F核，并长大成条;(5) A继续富化，当达到Fe3C浓度时会析出Fe3C，在继续冷却或保温过程中A也能发生转变，成为P、M、其它类型B或保留至室温成为残余奥氏体AR。整个过程可见图。102. 上贝氏体转变 (中温范围转变，在350550之间)，组织为F+ Fe3C.(1) 在A中贫碳区形成F核;(2) 碳越过F/A界面向A扩散;(3) 由于温度降低，碳不能进行远程扩散，而在A界面附近堆积， 形成Fe3C;(4) 同时F长大，形成羽毛状上贝氏体. 可见, 上贝氏体的转变速度受碳在A中扩散控制。 整个过程可见图

8、。 113 下贝氏体转变 (低温范围转变，低于350) (1) 在贫碳区形成F核，具有过饱和的碳;(2) 由于温度低，碳原子不能越过F/A界面扩散至A中;(3) 碳原子在F内扩散; (4) 在F内一定晶面上析出Fe3C，以降低能量, 同时铁素体长大.可见,下贝氏体转变速度受碳在F中的扩散所控制。整个过程可见图。12珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征冷却过程中的几种转变的主要特征见下表。13第五节 贝氏体的力学性能一.贝氏体的强度(硬度) 一般地,贝氏体的强度随形成温度的降低而提高,如图。贝氏体的硬度与形成温度的关系与此相似. 14影响贝氏体强度的因素:(1)F条(片)的粗细： F条(片)越细，

9、晶界越多，贝氏体强度越高。由于F条(片)的粗细决定于形成温度，也可认为，形成温度越低，条(片)越细，强度越高。 (2) 碳化物质点的大小与分布： 根据弥散强化理论，碳化物颗粒愈小，分布越弥散，贝氏体强度越高。下贝氏体中碳化物颗粒小，颗粒量多，故下贝氏体强度高于上贝氏体。贝氏体形成温度愈低时，碳化物颗粒愈小、越多，强度越高。 (3) F的过饱和度，位错亚结构密度：贝氏体形成温度低时，碳原子不易通过界面扩散，F的过饱和增加，位错密度增加，强度增加。 总之，贝氏体形成温度越低，强度越高。15二. 贝氏体的韧性 在350以上时，组织中大部分为上贝氏体时，冲击韧性会大大下降，如图。上贝氏体的冲击韧性低于

10、下贝氏体的原因有:(1) 脆性Fe3C分布于F条间，造成脆性通道;(2) 上贝氏体由彼此平行的F条构成，好似一个晶粒，而下贝氏体铁素体片彼此位向差很大, 能看作一个晶粒的部位尺寸很小, 所以上贝氏体的有效晶粒直径远远大于下贝氏体。 16第四章 习 题(1) 一般地, 贝氏体转变产物为_的二相混合物, 为非层片状组织.a. A与F b. A与碳化物 c. A与P d. 相与碳化物(2) 贝氏体形成时, 有_, 位向共系和惯习面接近于M.a.表面浮凸 b.切变 c.孪晶 d.层错(3) 简述无碳化物贝氏体形成过程.(4) 简述上贝氏体在光镜和电镜下形态.(5) 简述下贝氏体在光镜和电镜下形态.(6

11、) 简述粒状贝氏体的形成过程及形态.(7) 近年来, 人们发现贝氏体转变的C曲线是由二个独立的曲线, 即_和_合并而成的.a. P转变, B转变 b. B转变, P转变c. B上转变, B下转变 d. P转变, P转变(8) 贝氏体转变时, 由于温度较高, 会存在_的扩散.a.铁原子 b.碳原子 c.铁和碳原子 d.合金元素(9) 随A中碳含量增加, A晶粒增大, B转变速度_.a.下降 b.上升 c.不变 d.先降后增17(10) 贝氏体转变有几种可能, 试用热力学观点加以分析.(11) 试图解叙述无碳化物贝氏体的转变过程.(12) 试图解叙述上贝氏体的转变过程.(13) 试图解叙述下贝氏体

12、的转变过程.(14) 贝氏体的强度随形成温度的降低而_.a.降低 b.不变 c.无规律变化 d.提高(15) 碳钢在_以上等温淬火, 组织中大部分为上贝氏体时, 冲击韧性会大大降低.a.400 b.450 c.350 d.300(16) 下贝氏体的强度_上贝氏体, 韧性_上贝氏体.a.高于, 优于 b.高于, 不如 c.低于, 优于 d.低于, 不如18第五章 过冷奥氏体转变动力学图第一节 过冷奥氏体低温转变动力学图过冷A在非平衡条件下冷却, 可有如图的几种形式，其中：(a) dT/d= 0， 为等温冷却;(b) dT/d= C， 为连续冷却;(c) dT/d= f()，为实际冷却。一. 过冷

13、奥氏体等温转变动力学图的基本形式过冷奥氏体等温转变动力学图的基本形式，见图。纵坐标为温度，横坐标为时间，以对数分度。19图上部一条虚线表示临界点A1，下部一条实线表示马氏体转变开始点MS。两横线之间有三条C形曲线: 左边一条为转变开始线，右为转变终了线，中间一条为转变量为50%的线. 纵坐标和转变开始线之间的区域为孕育期。孕育期最短的部位，即转变开始线的突出部分，称为鼻子。转变产物依等温温度不同，大体可分为三个温度区: 高温区: 在临界点A1以下，珠光体型组织转变区，AP； 低温区: 在MS以下，发生马氏体转变的区域，AM； 中温区: 在A1以下、MS以上，发生贝氏体转变的区域，AB。在转变终

14、了线右边，对AP而言，A全部转变为P；在转变终了线左边，对AB而言，A不能全部转变为B，会保留有未转变的AR；在转变开始线和终了线之间为二相组织。20由于形状的缘故，上述C形曲线也称为C曲线， 或TTT曲线(Time Temperature Transformation 的缩写)。上图实际是共析钢的A等温转变图，对亚共析钢和过共析钢的A等温转变，在C曲线的右上方会有先共析相析出线，如图。其中，AF为先共析F析出线; AC为先共析碳化物析出线。常见的C曲线有四种形状，如图，其中:(a) 表示AP和AB转变线重叠;(b) 表示转变终了线出现的二个鼻子;(c) 表示转变终了线分开，珠光体转变的鼻尖离

15、纵轴远;(d) 表示形成了二组独立的C曲线。21二. 影响过冷奥氏体等温转变动力学图形状的因素1 碳含量的影响亚共析钢中, 随碳含量的上升, C曲线右移; 过共析钢中,随碳含量的上升, C曲线左移; 因此, 共析钢的C曲线离纵轴最远，共析钢的过冷A最稳定。2 奥氏体晶粒大小的影响奥氏体晶粒度增加，晶界面积增多，使晶界形核的P易于形核，有利于转变发生，C曲线左移, 但对晶内形核的B，影响不大。奥氏体化温度高，A晶粒粗大，使P难于形核, A均匀化程度高，浓度梯度下降，形核长大减慢，C曲线右移。要指明成分，晶粒度及奥氏体化温度, 才可查得相应的C曲线.三. C曲线测定方法常见测定方法有: 金相硬度法

16、； 膨胀法； 磁性法及电阻法等.22采用金相硬度法，测定的具体方法如下:用圆薄片(直径为15 mm，厚1.5 mm)试样一组，奥氏体化后，迅速置入恒温盐浴炉中，将各试样停留不同时间后，淬入盐水，则淬火后得到的马氏体量即等温过程中未及转变的奥氏体量(这些马氏体量可用硬度法和金相法配合进行测定)。 将不同停留时间下转变了的奥氏体量记录在时间-温度坐标中, 就制得了C曲线.23四. C曲线的应用 1等温淬火将加热到淬火温度的零件淬入350至MS点之间的恒温槽中, 长时间等温, 如图操作, 以得到下贝氏体; 2. 等温退火，用于合金钢锻、铸件，以消除冷却时形成的巨大应力。操作时将零件加热到完全退火的高

17、温区域, 再冷却到AP区域等温, 使发生P转变. 3形变热处理将合金钢加热到两条C曲线中间的A稳定区域变形，可提高缺陷密度及材料强度。24第二节 过冷奥氏体连续转变动力学图一. 过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式过冷奥氏体连续转变动力学图的基本形式见图, 该图的纵坐标为温度， 横坐标为时间，采用对数坐标。图内有各种产物存在的区域和各种速度的冷却曲线。冷却曲线终端的小圆圈内数字为转变产物的硬度值，可为洛氏硬度或维氏硬度。冷却曲线与转变终了线交点处的数字为该产物所占的百分数。马氏体转变开始线与等温转变动力学图不同, MS不再为水平线，而是向右下侧倾斜，这是由于P与B的转化，使A得到富化而使MS降

18、低的缘故。根据各冷却曲线通过的区域及其与转变终了线交点处的数字, 就可断定在该冷速下冷却可得到的转变产物及其所占的百分数.连续转变动力学图与奥氏体化条件(温度、时间)有关，与奥氏体晶粒度有关，原因同等温转变相似。不同的冷却速度可得到不同产物，此图也叫CCT图 (即Continuous Cooling Transformation)。2535CrMo钢的CCT图 AC326二. 另一种形式的CCT图 另一种形式的CCT图见图. 每一确定的冷速又对应了不同冷却条件(空冷、油冷、水冷)下的某一直径的心部冷速。如:700 时的冷速为50 /min，就相当于直径为50 mm空冷的圆棒，直径为250 mm

19、油冷的圆棒及直径为270 mm水冷的圆棒心部的冷速。图中的粗实线表示了不同的转变，其中，各平行线表示了转变的百分数。上图的应用如下：（1）了解和确定转变的范围，如在图中可读出，贝氏体转变发生在490至MS之间。又如已知了冷却介质和试样直径，从图上可直接读出心部组织。例如，可读出直径50 mm的试样，空冷后心部得到贝氏体组织。（2）确定临界直径和临界冷却速度。临界直径即淬火后，整个圆棒均为马氏体的最大直径；临界冷速即淬火后，整个圆棒均为马氏体的最小冷速。例如，由图可读出，空冷临界直径为10 mm，油冷临界直径为100 mm，水冷临界直径为120 mm。27该图的纵坐标为温度，横坐标为用700时心部的冷速来表示的。每一确定的冷速又对应了不同冷却条件(空冷、油冷、水冷)下的某一直径的心部冷速。如:700 时的冷速为50 /min，就相当于直径为50 mm空冷的圆棒，直径为250 mm油冷的圆棒及直径为270 mm水冷的圆棒心部的冷速。图中的粗实线表示了不同的转变，其中，各平行线表示了转变的百分数。28三. 过冷奥氏体连续转变动力学图