CH7贝氏体转变与钢在冷却过程中的中温转变PPT(10级)

第七章贝氏体与

钢在冷却过程中的中温转变2023/2/31

贝氏体的分类与定义贝氏体转变的主要特征贝氏体的组织结构、形态和晶体学特征贝氏体转变机制贝氏体转变的热力学和转变过程贝氏体转变的动力学贝氏体的力学性能魏氏组织及其对钢的性能的影响本章内容2023/2/32贝氏体转变的主要特征(七个主要特征)贝氏体的组织形态和晶体结构贝氏体转变的热力学条件、转变(机制)过程贝氏体转变的动力学特点和影响因素贝氏体机械性能特点、上贝氏体和下贝氏体在形态和性能上的差异魏氏组织及其对钢的力学性能的影响本章基本要求2023/2/33概述

贝氏体转变：过冷奥氏体到珠光体和马氏体转变之间(550℃～230℃)的中温转变。转变产物称为贝氏体，符号记为B，是铁素体和碳化物组成的非片层状的机械混合物。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。上贝氏体下贝氏体2023/2/34

为获得贝氏体组织，可以采用等温冷却，也可采用连续冷却。除此外，还可通过加入合金元素，冶炼成贝氏体钢。贝氏体转变兼有珠光体和马氏体转变的特征，又有其独特之处。即贝氏体中的铁素体相形成是无扩散的，而碳化物的析出则是通过扩散进行的，因此贝氏体转变又称为半扩散型转变。2023/2/357.1贝氏体的分类和定义

7.1.1贝氏体的分类2023/2/367.1贝氏体的分类和定义

2023/2/371．广义显微组织定义：认为贝氏体为共析分解竞争性机制的产物，是非层状、非协同的共析分解产物，由铁素体和碳化物组成。与珠光体不同形态。与此对应的相变机制是两相以扩散机制形核长大，两相在形核长大过程不具有协调性，铁素体和渗碳体分阶段进行。7.1.2贝氏体的定义2023/2/382.整体动力学定义认为过冷奥氏体向贝氏体的转变在TTT相图中具有独自的C曲线，存在贝氏体相变开始温度和结束温度，贝氏体转变存在于一个温度范围，在这个温度范围转变不完全。适用于那些具有独立的贝氏体等温转变曲线的合金钢。认为普通碳钢的TTT图中单一的C曲线是由贝氏体转变C曲线和珠光体转变曲线重叠的结果。3.贝氏体表面浮突特征认为贝氏体是在马氏体相变温度区域以上形成的片状产物，相变过程伴随着表面浮突的形成。

4.其它定义2023/2/39

7.2

贝氏体组织结构和晶体学特征

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7.2.1

贝氏体的显微组织特征2023/2/310一、典型的上贝氏体(B上)

上贝氏体是在贝氏体转变区的较上部的温度范围(550～350℃)内形成的贝氏体。又称为高温贝氏体。

1.上贝氏体的组成上贝氏体是由铁素体和碳化物(主要为渗碳体)组成的二相非层片状混合物。

2.上贝氏体形成温度上贝氏体在贝氏体转变的较高温度区域内形成，对于中、高碳钢，此温度约共析钢在550～350℃温度区间，奥氏体转变为上贝氏体。

2023/2/311B上:550～350℃;40～45HRC;B上

=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状2023/2/3122023/2/313

3.上贝氏体形态特征

(1)上贝氏体光学显微镜下的特征为羽毛状上贝氏体中的铁素体多数呈条状，自A晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内伸展，渗碳体分布于铁素体条之间。从整体上看呈羽毛状。

上图为B上的光学显微组织(30CrMnSiA钢400℃等温30S，×1000)2023/2/314

(2)电子显微镜下的特征为一束平行的自奥氏体晶界长入晶内的铁素体条。束内铁素体有小位向差，束间有大角度差，铁素体条与马氏体板条相近。碳化物分布在铁素体条间，随奥氏体中含碳量增高，其形态由粒状向链状甚至杆状发展。

2023/2/315上贝氏体的电子显微组织左图为上贝氏体的复型组织，60钢，900℃加热，按50℃/s冷却，×1000；右图为上贝氏体的薄膜透射、暗场组织，60CrNiMo钢，495℃等温，12500)

2023/2/316准上贝氏体的显微组织

上图为40CrMnSiMoVA钢的准上贝氏体的显微组织,310℃等温15min，薄膜透射，36000×，左图为明场组织，右图为暗场组织。2023/2/317

(3)上贝氏体中的铁素体

铁素体呈大致平行的成束的板条状，条与条间的位向差大约为6～18°。板条的宽度随温度下降而变细，铁素体中含碳量处于过饱和状态但接近于平衡态浓度。2023/2/318

(4)上贝氏体中的碳化物

碳化物为渗碳体，呈断续的、短杆状分布于铁素体板条之间，其主轴方向与铁素体板条方向平行，呈非层片状。随温度下降，渗碳体更细。

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(5)上贝氏体中的亚结构铁素体内亚结构为位错(位错缠结)，密度约为108～109cm-2。(6)上贝氏体的形态还与形成温度有关随温度的下降，铁素体板条变细，渗碳体更细，组织外形由羽毛状变的不规则。

(7)惯习面和位向关系铁素体的惯习面为{111}A，与奥氏体之间的位向接近K-S关系，碳化物惯习面为{227}

A，与奥氏体有确定位向关系。2023/2/320二、典型的下贝氏体(B下)

下贝氏体是在贝氏体转变区的下部的温度范围(350～230℃)内形成的贝氏体。又称为低温贝氏体。1.下贝氏体的组成

由铁素体和碳化物(为ε-FexC)组成的二相非层片状混合物。2.下贝氏体形成温度在贝氏体转变的低温转变区形成，大致在350℃(共析钢在350℃～Ms温度区间)，奥氏体转变为下贝氏体。

2023/2/321B下:350～230℃;50～60HRC;B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状2023/2/3223.下贝氏体形态特征

(1)下贝氏体光学显微镜下的特征在低碳钢(低碳低合金钢)中，下贝氏体呈板条状，与板条马氏体相似。在高碳钢中，大量的在奥氏体晶粒内部沿某些晶面单独的或成堆的长成竹叶状(黑色片状或针状)，立体形态呈双凸透镜状(与孪晶马氏体相似)。2023/2/323(2)下贝氏体电子显微镜下的特征下贝氏体中铁素体针一边较为平直，碳化物呈细片状或颗粒状分布在铁素体针内，排列呈行，并与铁素体针长轴方向呈55～60°夹角。2023/2/324低碳低合金钢下贝氏体组织

左图为低碳低合金钢(15CrMnMoV)中的下贝氏体组织，薄膜透射，950℃加热，油淬，26400×2023/2/325中碳钢下贝氏体组织左图为光学显微镜下的金相，35CrMnSiA钢，325℃等温20S)，400×；右图为电子显微镜下的组织，30CrMnSiNi2A钢，薄膜透射，240℃等温1h，22400×2023/2/326高碳钢下贝氏体组织

上图为高碳钢(T11)下贝氏体组织，1150℃加热2h，油淬(左图为光学金相，500×；右图为电子金相(复型)，5000×)2023/2/327

(3)下贝氏体中的铁素体铁素体的形态与奥氏体碳含量有关：碳量低时呈板条状，碳量高时呈片状。铁素体呈竹叶状(黑色片状或针状)，铁素体中含碳量处于过饱和状态且过饱和度随温度下降而升高。2023/2/328

(4)下贝氏体中的碳化物

铁素体片内存在细小碳化物，碳化物为ε-FexC，上部为渗碳体＋ε-FexC，呈细片状或颗粒状分布于铁素体片内。其方向(短杆状)与铁素体的长轴成55-60°度。随温度下降，ε-FexC更细。

(5)下贝氏体中的亚结构位错(位错缠结)，密度约为比上贝氏体高，没有孪晶。2023/2/329上贝氏体和下贝氏体比较

左图为T8钢380℃等温淬火得到的上贝氏体组织OM和TEM照片

右图T8钢320℃等温淬火得到的下贝氏体的OM和TEM照片，下B呈黄绿，残余A为白色。2023/2/330三、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。图为30CrMnSiA

钢，450℃等温20S,无碳化物贝氏体组织,×1002023/2/33120号钢990℃盐水冷组织为无碳贝氏体，左图为金相组织，右图为基体为低碳马氏体(透射电镜二级复型)

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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{111}A。亚结构为位错。

2023/2/333四、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。2023/2/334粒状贝氏体的形貌和亚结构

上图为18Mn2CrMoBA钢(自930℃空冷)粒状贝氏体的形貌和亚结构；左图，复型，5400×；右图，薄膜透射(F亚单元可见，暗场不规则的多边形为富碳的A岛)，16000×2023/2/3352023/2/336粒状贝氏体的表面浮凸2023/2/337五.柱状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。右图为0.44C的电子金相，条件为315℃等温、2400MPa压力。2023/2/338六.反常贝氏体组织产生于过共析钢中，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。2023/2/339日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，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BⅠ、BⅡ、BⅢ分别表示。BⅠ约在600～500℃之间形成，无碳化物析出；BⅡ约在500～450℃之间形成，碳化物在F之间析出；BⅢ约在450℃～Ms之间形成，碳化物分布在F内部。七、低碳钢中的BⅠ、BⅡ、BⅢ低碳低合金钢中贝氏体基本形态示意图2023/2/340贝氏体形态小结

从形态特征上看，无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体等似应属于上贝氏体，而柱状贝氏体归属于下贝氏体。因此，贝氏体只有上贝氏体和下贝氏体两大类。钢中的贝氏体类组织往往与钢中的其他组织(如板条马氏体、片状回火马氏体、魏氏组织等)相似，要注意鉴别。2023/2/341

1.贝氏体铁素体中的亚单元单个贝氏体铁素体是由许多铁素体亚片条(亚单元)构成铁素体束。亚单元之间的晶界为小角度晶界。亚片条分为：亚片条，亚单元和超亚单元。7.2.2

贝氏体铁素体的精细结构亚单元奥氏体基体超亚单元超亚单元亚片条亚单元2023/2/342贝氏体铁素体亚单元尺寸和位错密度随温度的变化规律

2023/2/343贝氏体铁素体具有高位错密度。随温度降低，位错密度增大，导致点阵应变增加。在铁素体和奥氏体界面处和附近形成高密度的位错2.贝氏体铁素体中的位错

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在高碳钢中的下贝氏体铁素体内部，沿贝氏体长轴方向存在一条线，称为中脊。认为是等温过程先形成薄片状马氏体，然后通过激发形核机制，激发相邻区域形成贝氏体铁素体。3.贝氏体中的中脊

普通高碳钢中的下贝氏体形态和中脊(光学显微图像；TEM图像显示中脊)2023/2/345

具有两种形式浮凸：一是单倾型(N型)，也称为不变平面应变型；二是帐篷型或倒V型，无不变平面应变特征。实际上是贝氏体铁素体内部亚单元共同组成的浮突群。7.2.3

贝氏体的表面浮凸上贝氏体表面浮凸(低倍差分干涉显微图像；高倍差分干涉显微图像)2023/2/346由于贝氏体中碳化物的类型、形态和数量取决于形成温度和合金的成分。通常上贝氏体中的碳化物为渗碳体，下贝氏体中的碳化物为渗碳体或-碳化物。在一些中高合金钢中也有观察到其它类型的碳化物，但这些碳化物最终演化为渗碳体。7.2.4

贝氏体中的碳化物2023/2/3477.2.5贝氏体相变晶体学贝氏体转变产物为铁素体相与碳化物的二相混合物，碳化物有渗碳体和ε－碳化物，贝氏体形成时具有切变共格性和表面浮凸现象，新相贝氏体与母相奥氏体间存在晶体学关系，位向关系和惯习面接近于马氏体。贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机制进行的，切变形成浮凸。贝氏体转变晶体学关系包括奥氏体与贝氏体铁素体、奥氏体与渗碳体、奥氏体与ε-碳化物、贝氏体铁素体与渗碳体、贝氏体铁素体与ε-碳化物及三个相之间的晶体学关系。2023/2/348

贝氏体铁素体均为体心立方结构，但铁素体中含碳量处于过饱和状态且过饱和度随温度下降而升高。

共析钢中贝氏体在350℃形成时下贝氏体铁素体与奥氏体之间晶体学关系为K－S关系；而在350℃～450℃形成时上贝氏体铁素体与奥氏体之间晶体学关系为西山关系。惯习面上贝氏体铁素体接近于｛111｝A，下贝氏体铁素体为{225}A。

碳化物与奥氏体、铁素体间晶体学关系比较复杂。

2023/2/3497.2.6贝氏体(B)转变的基本特征贝氏体转变兼有珠光体和马氏体转变的特征，又有其独特之处，如下：

贝氏体转变温度范围(Bs～Bf)贝氏体转变产物贝氏体转变动力学贝氏体转变的不完全性贝氏体转变的扩散性贝氏体转变的晶体学特征贝氏体中的亚结构2023/2/350一、贝氏体转变温度范围(Bs～Bf)

贝氏体转变温度在A1以下，MS以上，有一转变的上限温度BS和下限温度Bf，过冷奥氏体必须冷到BS以下才能发生贝氏体转变。碳钢的BS约为550℃左右。

碳钢中各种组织的形成温度范围B上-上贝氏体，B下-下贝氏体，G-网状F或网状Fe3C，M-块状(等轴状)F，P-珠光体组织，W-魏氏体组织2023/2/351二、贝氏体转变产物一般地，贝氏体转变产物为铁素体相与碳化物的二相混合物，为非层片状组织。铁素体相形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。贝氏体形态及贝氏体中碳化物的形态与分布是随温度而变化的。随温度的下降，奥氏体分别转变为无碳化物贝氏体、上贝氏体、下贝氏体。上贝氏体中碳化物为渗碳体，分布于铁素体板条间。下贝氏体中碳化物为ε-FexC，分布于铁素体片内。左图为T8钢380℃等温淬火得到的上贝氏体组织

右图T8钢320℃等温淬火得到的下贝氏体组织

2023/2/352三、贝氏体转变动力学贝氏体转变是一个形核和长大过程，等温转变动力学曲线是S形，等温转变动力学图是C形。等温转变动力学图是由上贝氏体的等温转变动力学图和下贝氏体的等温转变动力学图合并而成。贝氏体转变是奥氏体分解、有孕育期和领先相。领先相为铁素体，贝氏体长大和碳化物析出受碳扩散控制。上贝氏体长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散，下贝氏体长大速度取决于碳在铁素体中的扩散。贝氏体转变比马氏体转变慢。说明中温转变是两种不同机制的转变。

2023/2/353贝氏体等温形成曲线：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。碳钢等温转变动力学图：贝氏体转变与珠光体转变合并成一条C曲线。2023/2/354四、贝氏体转变的不完全性贝氏体等温转变时只要等温温度降至某一温度，保温足够时间，奥氏体可以全部转变为贝氏体。有些钢在贝氏体等温转变时等温温度降至很低的温度，保温时间也很长，但转变结束时总有一部分未转变的奥氏体，继续冷却奥氏体转变为马氏体，形成贝氏体、马氏体和残余奥氏体混合组织。2023/2/355五、贝氏体转变的扩散性贝氏体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。上贝氏体长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散，下贝氏体长大速度取决于碳在铁素体中的扩散。2023/2/356五、贝氏体转变的晶体学特征贝氏体形成时，具有切变共格性和表面浮凸现象，新相贝氏体与母相奥氏体间存在晶体学关系，位向关系和惯习面接近于马氏体。贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机制进行的，切变形成浮凸。

七、贝氏体中的亚结构为位错贝氏体中的位错形成位错缠结。

总之，贝氏体转变的某些特征与珠光体相似，某些方面又与马氏体相似。2023/2/3577.3贝氏体相变机制

7.3.1贝氏体转变热力学

一.贝氏体转变的驱动力当奥氏体具有一般大小的晶粒度，完全奥氏体化后，奥氏体向贝氏体相变的驱动力为：△GA→B=－(ΔGV＋ΔGD)

2023/2/358

二.奥氏体向贝氏体相变的自由能的变化为：

ΔG=－(ΔGV＋ΔGD)+△GS＋△GE+ΣГ<0式中△GS—形成贝氏体增加了表面能，△GS=Sγ；△GE

—引起弹性引起弹性应变能；ΣГ—位错储存能、孪晶界面能、层错能及磁场能等能量之和。只有当ΔG≤0时，即化学驱动力△GA→M(前二项之和)大于等于阻力(后三项之和)时，贝氏体相变才能够发生。T<BS但BS>MS点。BS—贝氏体开始转变温度，物理意义是奥氏体与贝氏体两相的自由能差达到相变所需的最小驱动力时的温度。

Bf—贝氏体连续转变的最低温度点。2023/2/359三.贝氏体转变可有三种可能：

(1)奥氏体分解为平衡浓度的铁素体和渗碳体，即γ→α+Fe3C(2)奥氏体先析出先共析铁素体，即γ→α+γ1,γ1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α'(过饱和)，然后α'分解成Fe3C及低饱和度α''，即γ→α'(过饱和)，α'→α''+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γ1和α'都是热力学不稳定的，最终要分解为平衡相α和渗碳体。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600J/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γ→α＋γ1扩散方式进行。2023/2/3607.3.2贝氏体转变的切变理论

贝氏体转变的机制主要有两种：切变机制台阶机制。贝氏体转变的切变机制：贝氏体转变的切变机制是根据贝氏体转变的浮凸效应提出的。根据这一理论，认为贝氏体中铁素体的形成与马氏体转变相似，是按马氏体的切变机制进行的。贝氏体转变温度比马氏体转变高，碳原子有一定的扩散能力，当铁素体按切变机制进行时，并伴有碳的扩散和碳化物析出。因此贝氏体转变受碳扩散控制。2023/2/361一、贝氏体铁素体的形核长大(一般了解)1.柯俊假说(热力学学说)

相变时自由能的变化：ΔG=-ΔGV－ΔGD+ΔGS+ΔGE从上式来看，M相变可以发生的条件是ΔG<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ΔGv升高(即绝对值增大)使ΔGe(弹性应变能)降低，可以使ΔG降低，从而使M形的相变可以在Ms以上发生。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ΔGv升高，同时B与A之间的比容差较小，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ΔGe减小，使B转变可以在Ms以上的温度下进行，即Bs高于Ms。2023/2/3622.

Hehemann模型在贝氏体形成过程，首先形成过饱和铁素体。随后多余的碳以碳化物形式从过饱和的铁素体中析出，或扩散到奥氏体中，再从奥氏体中以碳化物析出。2023/2/3633.

Bhadeshia模型

贝氏体的形成经历了三个过程，即亚单元的重复形核、长大及碳化物的析出。碳化物从过饱和铁素体中的析出或碳向奥氏体中的扩散将影响整个反应速率。2023/2/3644、恩菌假说(低碳马氏体形成学说)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。2023/2/365贝氏体转变的切变机制具体过程：

奥氏体冷至BS点以下--→奥氏体中碳扩散--→贫碳区和富碳区；贫碳区--→通过切变形成低碳马氏体--→保温时分解析出碳化物--→贝氏体铁素体。然后通过碳的扩散和碳化物析出，形成贝氏体组织。2023/2/366二、贝氏体中碳化物的析出通过碳扩散来完成的。随温度的下降,碳化物析出的类型、位置、方式不同。上贝氏体中碳化物类型为渗碳体，分布于铁素体板条间。下贝氏体中碳化物类型为ε-FexC、上部为Fe3C＋ε-FexC，分布于铁素体片内。2023/2/3671.上贝氏体碳化物的析出

上贝氏体中碳化物从富碳奥氏体中析出，在铁素体内部不存在碳化物。碳化物是继贝氏体铁素体形成之后形成的上贝氏体中渗碳体颗粒是平行于贝氏体铁素体惯析面。

上贝氏体反应过程可以表达如下：

+（过饱和贝氏体铁素体）

（未饱和贝氏体铁素体）+（富碳）

未饱和贝氏体铁素体）++。2023/2/3682.下贝氏体碳化物的析出

下贝氏体中碳化物主要从过饱和的铁素体中析出，碳化物从过饱和铁素体的析出过程和马氏体在回火过程碳化物析出相似。下贝氏体中的碳化物有渗碳体和碳化物。

根据铁素体中位错密度的高低，将下贝氏体反应顺序分为两类：（1）在高位错情况：

＋（过饱和贝氏体铁素体）

（贝氏体铁素体内）+（未饱和的贝氏体铁素体）+（富碳）

（未饱和的贝氏体铁素体）＋＋（在铁素体板条间）＋（在铁素体板条内（2）在低位错情况：

＋（过饱和贝氏体铁素体）

（贝氏体铁素体内）+（未饱和的贝氏体铁素体）+（富碳）

（未饱和的贝氏体铁素体）＋（在铁素体板条内）＋＋（在铁素体板条间

（未饱和的贝氏体铁素体）＋（在铁素体板条内）＋（在铁素体板条间）＋2023/2/3697.3.3贝氏体转变的台阶理论（一般了解，自学）一、贝氏体铁素体的形核长大1.台阶机制2.台阶-扭转机制3.激发-台阶机制4.贝氏体台阶-激发形核机制二、贝氏体中碳化物的析出1.上贝氏体碳化物的析出2.下贝氏体碳化物的析出2023/2/3707.3.4贝氏体的形成过程贝氏体转变包括铁素体的形成和碳化物析出两个基本过程。先析出相为铁素体。这两个基本过程决定了贝氏体的两个基本组成相的形状、尺寸、分布。贝氏体转变过程中碳发生了再分配。贝氏体转变温度比马氏体转变高，碳原子扩散，铁原子不扩散，温度不同，碳的扩散能力不同，碳的脱溶方式不同，使得各种贝氏体的形成机制不同。2023/2/371贝氏体中铁素体是按马氏体转变机制进行的，铁素体的含碳量处于过饱和状态，且过饱和度随温度下降而升高。碳化物析出通过碳扩散来完成的。随温度的下降,碳化物析出的类型、位置、方式不同。上贝氏体中碳化物类型为渗碳体，分布于铁素体板条间。下贝氏体中碳化物类型为ε-FexC、上部为Fe3C＋ε-FexC，分布于铁素体片内。2023/2/372

1、较高温度时形成无碳化物贝氏体(高温范围转变)

组织：铁素体和奥氏体富碳。原因：较高温度时贝氏体的形成化学驱动力小，碳的扩散能力强，碳通过奥氏体与铁素体界面由铁素体向奥氏体充分扩散，得到无碳化物贝氏体。铁素体中含碳量降低，未转变的奥氏体中含碳量升高，保温时转变为珠光体或继续冷却转变为马氏体。组织为铁素体+奥氏体富碳。

2023/2/373

形成过程如下：

(1)奥氏体中形成贫碳及富碳区，首先是在贫碳区形成铁素体核；

(2)由于转变温度较高，碳原子可在铁素体中越过铁素体与奥氏体界面向奥氏体扩散，直至达到平衡浓度；

(3)奥氏体，铁素体界面上的碳原子向奥氏体中远离界面处扩散；

(4)继续形成铁素体核，并长大成条；

(5)奥氏体继续富化，当达到渗碳体浓度时会析出渗碳体，在继续冷却或保温过程中奥氏体也能发生转变，成为珠光体、马氏体、其它类型贝氏体或保留至室温成为残余A。

2023/2/374

2、稍低温度时进行上贝氏体转变(中温范围转变，在350～550℃之间)

组织：铁素体和渗碳体。

原因：稍低温度时贝氏体的形成化学驱动力增大，碳的扩散能力下降，碳仍能通过奥氏体与铁素体界面由铁素体向奥氏体扩散，扩散不充分，在铁素体板条间沉淀出渗碳体，得到羽毛状上贝氏体。

2023/2/375

形成上贝氏体过程：

(1)在奥氏体中贫碳区形成铁素体核；

(2)碳越过铁素体与奥氏体界面向奥氏体扩散；

(3)由于温度降低，碳不能进行远程扩散，而在奥氏体界面附近堆积，形成渗碳体；

(4)同时铁素体长大，形成羽毛状上贝氏体。可见,上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中扩散控制。2023/2/376

3、较低温度时进行下贝氏体转变(低温范围转变，低于350℃)

组织为铁素体+碳化物。

原因：较低温度时贝氏体的形成化学驱动力更大，碳的扩散更困难，碳不能通过奥氏体与铁素体界面由铁素体向奥氏体扩散，只能在铁素体片内的某些特定的晶面上偏聚，进而沉淀出ε-FexC，得到针叶状下贝氏体。2023/2/377

形成下贝氏体过程：

(1)在贫碳区形成铁素体核，具有过饱和的碳；

(2)由于温度低，碳原子不能越过铁素体与奥氏体界面扩散至奥氏体中；

(3)碳原子在铁素体内扩散；

(4)在铁素体内一定晶面上析出渗碳体，以降低能量,同时F长大。可见,下贝氏体转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制。2023/2/378不同温度下贝氏体转变机理示意图(a)无碳B

(b)上B(c)下B2023/2/379

4、粒状贝氏体的形成粒状贝氏体是低、中碳及其合金钢在奥氏体过冷到BS以下，稍高于上贝氏体转变区的温度范围内(如热扎后空冷或正火)连续冷却得到的。是由条状亚单元组成的铁素体和在其内沿一定方向分布一些富碳的奥氏体岛所构成的复相组织。

原因：当奥氏体过冷到BS以下，稍高于上贝氏体转变区的温度范围内时首先发生碳的再分配，接着在奥氏体的贫碳区形成彼此大体平行的条状铁素体，碳从铁素体中脱溶并通过奥氏体与铁素体界面由铁素体向奥氏体充分扩散，条状铁素体不断长大，最终造成一些富碳的奥氏体岛被铁素体包围其中，得到了粒状贝氏体。2023/2/380碳钢中贝氏体转变温度范围

碳钢中各种组织的形成温度范围(B上－上贝氏体，B下－下贝氏体，G－网状F或网状Fe3C，M－块状(等轴状)F，P－珠光体组织，W－魏氏体组织)2023/2/3817.4贝氏体转变动力学

7.4.1贝氏体等温转变动力学的几个问题上贝氏体转变和下贝氏体转变的转变机理不同贝氏体转变速度比马氏体转变慢贝氏体转变的不完全性贝氏体转变可能与马氏体转变、珠光体转变重合2023/2/382一、上贝氏体转变和下贝氏体转变的转变机理不同上贝氏体转变和下贝氏体转变二者转变时，温度不同，碳的扩散能力不同，化学驱动力不同，碳的脱溶方式不同，形成机制不同。上贝氏体化学驱动力小，碳的扩散能力大，碳能通过奥氏体与铁素体界面由铁素体向奥氏体扩散但扩散不充分(碳不能进行远程扩散，而在奥氏体界面附近堆积)，渗碳体在铁素体板条间沉淀析出。下贝氏体化学驱动力大，碳的扩散能力小，碳不能通过奥氏体与铁素体界面由奥氏体向铁素体扩散，只能在铁素体片内扩散并在铁素体片内的某些特定的晶面上偏聚，进而沉淀析出ε-FexC。

贝氏体转变可能与马氏体转变、珠光体转变重合2023/2/383

二、贝氏体开始转变温度BS奥氏体冷至BS点以下，贝氏体转变才可能。贝氏体转变是否完全，主要与转变的温度有关，有两种情况：

(1)只要等温温度降至某一温度，保温足够时间，奥氏体可以全部转变为贝氏体。

(2)等温温度降至很低的温度，保温时间也很长，奥氏体仍不能全部转变为贝氏体。继续冷却奥氏体转变为马氏体，形成贝氏体、马氏体和残余奥氏体混合组织。一般认为温度降低，贝氏体转变的不完全性增大。2023/2/384三、贝氏体转变的不完全性奥氏体冷至BS点以下，贝氏体转变才可能。贝氏体转变是否完全，主要与转变的温度有关，有两种情况：

(1)只要等温温度降至某一温度，保温足够时间，奥氏体可以全部转变为贝氏体。

(2)等温温度降至很低的温度，保温时间也很长，奥氏体仍不能全部转变为贝氏体。继续冷却奥氏体转变为马氏体，形成贝氏体、马氏体和残余奥氏体混合组织。一般认为温度降低，贝氏体转变的不完全性增大。2023/2/385四、贝氏体转变速度比马氏体转变慢贝氏体转变是奥氏体分解、有孕育期和领先相(铁素体)，贝氏体长大和碳化物析出受碳扩散控制(碳在铁素体内的脱溶)。上贝氏体长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散，下贝氏体长大速度取决于碳在铁素体中的扩散。低碳和高碳马氏体的长大速度分别为104mm/s和106mm/s数量级，贝氏体长大速度为10-2mm/s～10-4mm/s数量级。2023/2/386五.贝氏体转变时碳的扩散贝氏体中铁素体为低碳相，碳化物为高碳相，发生贝氏体转变必然有碳的扩散。并且贝氏体转变的孕育期内和转变过程中都发了碳的扩散。但铁和合金元素原子不扩散。贝氏体转变时，由于温度较高，会存在碳原子的扩散。根据钢中含碳量的不同，奥氏体中碳量(或点阵参数)会随时间的不同而发生不同的变化。对于中碳钢，在等温转变孕育期期间，奥氏体的碳含量已经有了明显的提高，这意味着在奥氏体中已出现了局部小范围的低碳区，为形成低碳的贝氏体铁素体作好了准备.以后随贝氏体转变的进行，奥氏体碳含量不断升高。2023/2/387

7.4.2贝氏体等温转变动力学一.贝氏体等温转变动力学曲线贝氏体转变是一个形核和长大过程.与P转变相同，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底。等温温度愈高，愈接近Bs点，等温转变量愈少。根据B转变动力学曲线，可作出等温转变动力学图。贝氏体转变等温转变动力学图也呈C形。转变在BS温度以下才能实行，转变速度先增后减。B等温转变动力学特点与P转变相似。

共析碳钢等温转变动力学图-贝氏体转变与珠光体转变合并成一条C曲线2023/2/388（a）单一C曲线，珠光体和贝氏体形成温区合并；（b）两个C曲线，珠光体和贝氏体形成温区明显分离2023/2/389近年来由于测试灵敏度的提高，人们发现B转变的等温转变动力学图是由二个独立的曲线，即上B转变等温转变动力学图和下B转变等温转变动力学图合并而成。

合金钢等温转变动力学图--贝氏体转变与珠光体转变已分离

40CrMnSiMoVA钢等温转变动力学图

2023/2/390二.影响贝氏体转变的动力学的主要因素

影响贝氏体等温转变动力学的因素奥氏体的成分：碳含量、合金元素奥氏体状态：奥氏体晶粒大小的影响、加热温度和保温时间原始组织应力塑性变形

过冷奥氏体在不同温度下停留2023/2/391

(一)奥氏体的化学成分溶质元素对转变动力学的影响有两个方面：相变驱动力和碳的扩散速率。降低相变驱动力和碳的扩散速率都降低过冷奥氏体分解速率，推迟高温和中温转变。同时降低马氏体开始转变温度。除Co和Al外，碳和其它合金元素都推迟贝氏体转变。2023/2/392

1.碳含量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曲线右移且鼻尖的温度下降。2023/2/3932.合金元素的影响凡是降低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能加速贝氏体转变以外所有合金元素都总是不同程度地降低B转变速度，使B转变的C曲线右移，且使B转变的温度下降。但作用不如C显著。合金元素对贝氏体转变与对珠光体转变的影响有所不同。2023/2/394

合金元素对贝氏体转变动力学影响的原因：合金元素对碳在奥氏体和铁素体中扩散的影响；改变了A→F转变速度；改变了BS点，影响在一定温度下的相间自由能差，影响驱动力；强碳化物形成元素减缓贝氏体转变速度。2023/2/395

(二)奥氏体状态1.奥氏体晶粒大小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，C曲线右移。2023/2/3962.加热温度和保温时间加热温度和保温时间主要是通过改变奥氏体成分和状态来影响贝氏体转变。奥氏体化温度越高，奥氏体成分均匀化程度高，减缓碳的再分配；同时奥氏体晶粒越大，贝氏体转变的孕育期越长，贝氏体转变的速度减慢，C曲线右移。呈现先增后减。3.原始组织主要影响奥氏体成分均匀性。原始组织愈细，加热后奥氏体成分愈均匀，C曲线右移。奥氏体成分不均匀，促进奥氏体分解，C曲线左移。2023/2/397(三)应力的影响在奥氏体状态下施加拉应力，促进奥氏体分解，C曲线左移。在奥氏体状态下施加多向压应力，减慢奥氏体分解，C曲线右移。下图为某钢在300℃时B转变与拉应力的关系。2023/2/398

(四)塑性变形形变温度对35CrNi5Si钢贝氏体转变得影响。形变量：1-0，2～7-30％；形变温度：2-1000℃，3-800℃，4-600℃，5-500℃，6-350℃，7-300℃，

(1)高温变形对贝氏体转变在高温(800～1000℃)进行塑性变形，贝氏体转变的孕育期越长，贝氏体转变的速度减慢，转变的不完全性增大，C曲线右移；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，人利于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。2023/2/399

(2)低温变形在BS点较低温度(600～300℃)范围内对A进行塑性变形将加速B的形成，C曲线左移。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。形变温度对35CrNi5Si钢贝氏体转变得影响。形变量：1-0，2～7-30％；形变温度：2-1000℃，3-800℃，4-600℃，5-500℃，6-350℃，7-300℃，2023/2/3100(五)过冷奥氏体在不同温度下停留在贝氏体转变－珠光体转变之间奥氏体的亚稳区停留将加速贝氏体转变，C曲线左移。若在BS点以上停留但不发生珠光体转变时对贝氏体转变无影响。原因：停留过程中A析出碳氮化物，降低了A的稳定性。冷却不同温度停留的三种情况上贝氏体转变对下贝氏体转变动力学的影响2023/2/3101在贝氏体转变区上部停留使奥氏体发生部分贝氏体转变，将减缓随后的在更低的温度的贝氏体转变，C曲线右移。原因：可能是一种A的稳定化现象，还不十分清楚。冷却不同温度停留的三种情况上贝氏体转变对下贝氏体转变动力学的影响2023/2/3102

在下贝氏体转变区或马氏体转变区停留，使奥氏体发生部分下贝氏体转变或马氏体转变，将加速随后的在较高的温度的贝氏体转变，C曲线左移。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。冷却不同温度停留的三种情况上贝氏体转变对下贝氏体转变动力学的影响2023/2/31037.4.3贝氏体连续转变动力学在连续冷却条件共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区。在连续冷却条件下往往不能得到单一的贝氏体组织，通常是高、中、低温转变组织的混合。当合金中含有较多的显著推迟珠光体转变和降低贝氏体转变温度的合金元素，合金可以在很宽的冷速范围得到贝氏体组织或贝氏体和马氏体的混合组织。亚共析钢CCT图与共析钢CCT图有很大的差别，亚共析钢CCT图出现了先共析F析出区和贝氏体转变区。2023/2/3104

7.5贝氏体的力学性能2023/2/3105

贝氏体的力学性能取决于贝氏体的组织形态。贝氏体的强度和韧性与形成温度有关，

一般地，贝氏体的抗拉强度、屈服强度和韧性随形成温度的降低而提高，下贝氏体强度、硬度和韧性高于上贝氏体强度和硬度，下贝氏体的韧脆转化温度低于上贝氏体。上贝氏体下贝氏体贝氏体组织的透射电镜形貌2023/2/31067.5.1影响贝氏体性能的因素(一)贝氏体中铁素体的影响贝氏体强度和硬度与铁素体的大小的关系符合Hall－Petch公式。贝氏体中铁素体晶粒的大小取决于A的化学成分、贝氏体的形成温度(铁素体板条长度)和奥氏体晶粒大小(铁素体板条厚度)。形成温度越低，铁素体板条整体尺寸减小，强度、硬度和塑性升高。形成温度越低，溶质元素的过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高，但塑性低。形成温度越低，位错密度，强度和硬度高。2023/2/3107

(二)贝氏体中碳化物的影响上贝氏体中的渗碳体呈不连续的短杆状分布在铁素体条之间，铁素体和渗碳体分布有明显的方向性，这种形态使铁素体条间成为脆性通道；下贝氏体中碳化物细小、大量、弥散的分布在铁素体片内，碳化物的方向与铁素体片的方向成一定的夹角。

根据弥散强化理论，碳化物颗粒愈小，分布越弥散，强度越高。下B强度高于上B。碳化物的弥散度对下B强度的贡献高于上B。2023/2/3108

(三)残余奥氏体贝氏体组织中有残余奥氏体，使冲击韧性提高，但也使韧脆转化温度增高。总之，贝氏体形成温度越低，铁素体晶粒的越小；碳化物颗粒愈细小、颗粒量越多、弥散度大；铁素体的含碳量的过饱和度增大，固溶强化作用大；贝氏体的强度越高。2023/2/31097.5.2贝氏体的强度和硬度

贝氏体的强度可以看作是不同组织因素本征强度的总和，包括了铁素体的强度、碳和合金元素的固溶强化、碳化物粒子强化和位错强化的贡献。2023/2/3110

影响贝氏体强度的因素：

(一)溶质元素的固溶强化作用形成温度越低，过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高。（a)合金元素固溶强化对强度的贡献；(b)贝氏体组织中各个部分对强度的贡献。2023/2/3111(二)铁素体条(片)的粗细(贝氏体中铁素体晶粒的大小)

铁素体板条对贝氏体拉伸强度的影响铁素体条(片)的粗细决定于A的化学成分和形成温度。贝氏体铁素体的有效晶粒尺寸大约是铁素体片厚度的两倍。2023/2/3112

(三)碳化物质点的大小与分布(碳化物弥散度和分布情况)

碳化物对贝氏体拉伸强度的影响根据弥散强化理论，碳化物颗粒愈小，分布越弥散，强度越高。下B强度高于上B。碳化物的弥散度对下B强度的贡献高于上B。2023/2/3113(四)位错亚结构密度：形成温度越低，位错密度，强度高。总之，贝氏体形成温度越低，铁素体晶粒的越小；碳化物颗粒愈细小、颗粒量越多、弥散度大；铁素体的含碳量的过饱和度增大，固溶强化作用大；贝氏体的强度越高。贝氏体板条界面对强度的贡献最大，其次是位错密度。

碳钢贝氏体抗拉强度与形成温度的关系贝氏体等温温度对贝氏体钢洛氏硬度的影响2023/2/3114一、贝氏体的塑性使在相同强度条件下，低碳贝氏体的塑性总是高于高碳贝氏体。可以通过降低碳含量来提高贝氏体的塑性，而通过合金元素的置换固溶强化来保证强度。

7.5.3贝氏体的塑性和韧性2023/2/3115二、贝氏体的冲击韧性在较高温度形成的上贝氏体的韧脆转变温度低，并且对回火不敏感。在较低温度形成的