《钢的热处理》课件5贝氏体转变

第五章贝氏体转变贝氏体铁素体和渗碳体的机械混合物具有良好的综合机械性能贝氏体转变过冷奥氏体在介于珠光体和马氏体转变温度区间的转变，产物为贝氏体中温转变——在中间温度范围内发生半扩散型相变——碳原子能扩散，铁原子不能扩散概述贝茵EdgarC.Bain1891.9.14-1971.11.27UnitedStatesSteelCorporation贝氏体Bainite概述贝氏体的组织形态与亚结构贝氏体转变的特点与和晶体学贝氏体转变过程及热力学分析贝氏体转变机理概述贝氏体转变的动力学贝氏体的力学性能魏氏组织主要内容贝氏体的组织形态与亚结构第一节按组织常见上贝氏体下贝氏体粒状贝氏体不常见无碳化物贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体第一节贝氏体的组织形态与亚结构贝氏体分类形成温度贝氏体转变区的中高温区又称高温贝氏体中、高碳钢350~550℃一、上贝氏体（一）形成条件第一节贝氏体的组织形态与亚结构组成铁素体和渗碳体组成的二相非片层状机械混合物第一节贝氏体的组织形态与亚结构一、上贝氏体（二）组织特征金相特征羽毛状铁素体呈条状，自奥氏体晶界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电镜特征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碳化物分布于铁素体条间（随着碳含量升高，形态由粒状链状杆状发展）一、上贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构上贝氏体中的铁素体

上贝氏体中的碳化物呈断续、短杆状分布于铁素体条间，与铁素体条平行随温度降低而变细一、上贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征

亚结构

一、上贝氏体（三）晶体学特征与亚结构第一节贝氏体的组织形态与亚结构碳含量随着碳含量的增加铁素体板条更多、更薄渗碳体数量增多，不但分布于铁素体间，而且可能分布于各铁素体板条内部形成温度随着形成温度降低铁素体板条变薄渗碳体更小、更密集第一节贝氏体的组织形态与亚结构一、上贝氏体（四）影响组织形态的因素形成温度贝氏体转变的低温区共析钢

二、下贝氏体（一）形成条件第一节贝氏体的组织形态与亚结构组成铁素体和渗碳体组成的二相非片层状机械混合物第一节贝氏体的组织形态与亚结构二、下贝氏体（二）组织特征金相特征大量奥氏体晶粒内部沿某些晶向单独或成堆地长成竹叶状（黑色片状或针状）立体形态为双凸透镜状电镜特征

二、下贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构下贝氏体中的铁素体碳含量低时呈板条状碳含量高时呈片状下贝氏体中的碳化物

二、下贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征

亚结构较高密度位错（可形成缠结）位错密度高于上贝氏体无孪晶第一节贝氏体的组织形态与亚结构二、下贝氏体（三）晶体学特征与亚结构形成温度

对应合金低、中碳钢高含硅、含铝量的合金钢三、无碳化物贝氏体（一）形成条件第一节贝氏体的组织形态与亚结构组成由板条状铁素体组成的单相组织铁素体板条间是富碳的奥氏体三、无碳化物贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构金相特征铁素体板条自奥氏体晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大板条间为富碳的奥氏体板条宽随温度下降而变窄富碳的奥氏体在随后的冷却过程中可能转变为珠光体、贝氏体、马氏体或保持不变无碳化物贝氏体不能单独存在三、无碳化物贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构晶体学特征

亚结构铁素体内部有一定数量的位错三、无碳化物贝氏体（三）晶体学特征与亚结构第一节贝氏体的组织形态与亚结构形成温度

对应合金低、中碳钢及其合金钢四、粒状贝氏体（一）形成条件第一节贝氏体的组织形态与亚结构组成铁素体富碳奥氏体金相特征铁素体呈块状（由铁素体针片组成）富碳奥氏体呈岛屿状在铁素体基体上呈不连续分布铁素体碳含量很低，接近平衡状态奥氏体碳含量很高富碳奥氏体的后续转变可能部分或全部分解为铁素体和碳化物可能部分转变为马氏体（高碳、孪晶、片状），其余部分成为残余奥氏体可能全部保留下来，成为残余奥氏体四、粒状贝氏体（二）组织特征第一节贝氏体的组织形态与亚结构

第一节贝氏体的组织形态与亚结构四、粒状贝氏体（二）组织特征形成合金过共析钢形成温度

领先相魏氏渗碳体组织特征铁素体夹在两片渗碳体中间五、其它类型贝氏体（一）反常贝氏体第一节贝氏体的组织形态与亚结构形成合金高碳钢或高碳合金钢形成温度贝氏体转变区的较低温度范围组织特征铁素体呈放射状碳化物分布在铁素体内部形成是不产生表面浮突五、其它类型贝氏体（二）柱状贝氏体第一节贝氏体的组织形态与亚结构上贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体下贝氏体下贝氏体柱状贝氏体第一节贝氏体的组织形态与亚结构小结*贝氏体转变的特点第二节上限温度

下限温度

第二节贝氏体转变的特点与和晶体学一、转变温度组成由铁素体和碳化物组成的非片层状二相机械混合物组织特征

组织形态与温度铁素体相的形态、大小及碳化物类型及分布等均随转变温度而异第二节贝氏体转变的特点与和晶体学二、转变产物一般过程形核与长大等温或连续冷却形成等温形成需要孕育期动力学S曲线C曲线长大速度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第二节贝氏体转变的特点与和晶体学三、动力学

温度愈高，不完全性愈甚第二节贝氏体转变的特点与和晶体学四、不完全性扩散性转变产物有高碳相和低碳相非扩散性铁原子不扩散第二节贝氏体转变的特点与和晶体学五、半扩散性铁素体形成时产生表面浮突母相与新相间存在共格关系铁素体以切变机理产生新、母相间存在晶体学关系位向关系与惯习面接近马氏体晶体学关系

贝氏体中的碳化物性质上贝氏体：渗碳体型下贝氏体：亚稳碳化物（+渗碳体）取向上贝氏体：渗碳体从奥氏体中析出，与奥氏体有取向关系和惯习面下贝氏体：碳化物可能从奥氏体（或铁素体）中析出第二节贝氏体转变的特点与和晶体学六、晶体学贝氏体转变过程及热力学分析第三节基本过程铁素体形成碳化物析出基本相形态分布尺寸贝氏体组织形态性能第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（一）基本过程碳的再分配俄歇分析发现，过冷奥氏体在孕育期和转变期间，碳原子发生了再分配出现贫碳区和富碳区原因满足新相形成所需的浓度（成分）条件为使领先相（低碳的铁素体）形核，在过冷奥氏体中必须通过碳扩散形成贫碳区和富碳区贫碳区可满足铁素体形所需的浓度（成分）条件第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（二）奥氏体中碳的再分布影响碳再分布的因素碳含量合金元素含量转变温度影响规律随着碳、硅、锰、铬、镍含量的升高，析出碳化物的可能性越大影响机制通过影响贝氏体转变本身和碳化物析出两个过程第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（二）奥氏体中碳的再分布铁原子的自扩散系数和合金元素的异扩散系数小铁原子和合金元素不发生扩散铁原子和合金元素不发生再分配第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（二）奥氏体中碳的再分布切变形成柯俊恩琴……实验现象铁素体的碳含量过饱和，与该温度下马氏体转变的碳含量相似随着温度降低，碳的过饱和度增大结论贝氏体转变发生时，先从奥氏体的贫碳区形成低碳马氏体，随后析出碳化物第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（三）铁素体的形成第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变过程（三）铁素体的形成

碳原子再分布富碳区贫碳区切变形成低碳马氏体保温时析出碳化物贝氏体铁素体析出方式通过碳原子的扩散完成转变温度影响碳化物类型、位置，碳化物析出方式、析出机制碳化物类型

一、贝氏体转变过程（四）碳化物的析出第三节贝氏体转变过程及热力学分析奥氏体分解为平衡浓度的铁素体和渗碳体

奥氏体中先析出共析铁素体，剩余奥氏体随后冷却时进一步转变

奥氏体以切变方式形成相同成分的马氏体，马氏体分解成渗碳体和更低碳饱和度的铁素体

第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变的热力学（一）贝氏体转变的三种可能相变体系能量变化

贝氏体转变无需深过冷

第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变的热力学（二）贝氏体转变的驱动力

奥氏体和贝氏体两相间自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值时的温度

第三节贝氏体转变过程及热力学分析一、贝氏体转变的热力学

贝氏体转变机理概述第四节铁素体（领先相）形核在转变温度下，奥氏体中存在浓度起伏，BF核在贫碳区形成较高温度时BF在奥氏体晶界形核较低温度时BF大多在奥氏体晶粒内形核一、切变机理（一）概述第四节贝氏体转变机理概述铁素体长大共格切变方式长大长大速度缓慢受碳原子向周围奥氏体体的扩散所控制一、切变机理（一）概述第四节贝氏体转变机理概述铁素体的组成碳在铁中的过饱和固溶体形成温度越低，过饱和度越大碳化物析出铁素体形成时，碳原子脱溶，析出碳化物第四节贝氏体转变机理概述一、切变机理（一）概述组织铁素体+富碳奥氏体铁素体的形核BF在奥氏体晶界形核初生BF过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒一侧长大形成相互平行的BF板条束一、切变机理（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体第四节贝氏体转变机理概述碳原子的跨相界扩散

一、切变机理（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体第四节贝氏体转变机理概述富碳奥氏体的后续转变转变为珠光体转变为其它类型的贝氏体转变为马氏体保持到室温成为富碳的残余奥氏体第四节贝氏体转变机理概述一、切变机理（二）较高温度时形成无碳化物贝氏体组织铁素体+渗碳体形态为羽毛状铁素体的形核BF在奥氏体晶界形核一、切变机理（三）稍低温度时进行上贝氏体转变第四节贝氏体转变机理概述碳原子的跨相界扩散

上贝氏体转变速度受碳在奥氏体中的扩散所控制一、切变机理（三）稍低温度时进行上贝氏体转变第四节贝氏体转变机理概述形成温度与组织形态随着温度降低铁素体数量增加，板条变窄碳原子扩散系数降低，碳化物变得更细第四节贝氏体转变机理概述一、切变机理（三）稍低温度时进行上贝氏体转变组织铁素体+-碳化物透镜片状铁素体的形核BF大多在奥氏体晶粒内通过切变共格方式形核一、切变机理（四）较低温度时进行下贝氏体转变第四节贝氏体转变机理概述碳原子在铁素体中的扩散温度低，BF中碳的过饱和度很大，碳原子不能越过BF/A相界面扩散到奥氏体中去，在BF内部析出细小的碳化物铁素体片的长大碳化物析出后，自由能进一步降低，比容降低所导致的应变能下降，使已形成的BF片进一步长大下贝氏体转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制一、切变机理（四）较低温度时进行下贝氏体转变第四节贝氏体转变机理概述形成温度与组织形态随着温度降低碳化物的弥散度越大铁素体中碳的过饱和度越高第四节贝氏体转变机理概述一、切变机理（四）较低温度时进行下贝氏体转变对某些低碳合金钢先形成无碳化物贝氏体，无碳化物贝氏体的铁素体条长大到彼此汇合时，剩下的岛屿状富碳奥氏体便为铁素体所包围，沿铁素体条间呈断续分布因为碳含量低，岛屿状奥氏体不会析出碳化物一、切变机理（五）粒状贝氏体的形成第四节贝氏体转变机理概述贝氏体转变机制都相同铁素体都通过切变机制形成不同形态贝氏体的区别形成温度不同，使铁素体中碳的脱溶以及碳化物的形成方式不同切变机理的缺陷上、下贝氏体各自独特的转变动力学曲线和转变激活能？上贝氏体中铁素体内的表面浮突与马氏体不同的现象？贝氏体中不存在孪晶的现象？下贝氏体中碳化物分布特征与马氏体不同的现象？一、切变机理总结第四节贝氏体转变机理概述主要内容浮突是体积变化效应不是切变的产物转变机理与珠光体转变相同但组织为非片层状铁素体按台阶式长大长大受碳在奥氏体中的扩散控制缺陷无法解释下贝氏体的形成台阶存在的原因不清楚二、台阶机理第四节贝氏体转变机理概述贝氏体转变的动力学第五节实验现象

第五节贝氏体转变的动力学一、贝氏体转变的动力学特点（一）上、下贝氏体转变机制不同贝氏体转变速度比马氏体慢上贝氏体长大速度受碳在奥氏体中的扩散所控制下贝氏体长大速度受碳在铁素体中的扩散所控制第五节贝氏体转变的动力学一、贝氏体转变的动力学特点（一）上、下贝氏体转变机制不同原因

规律

第五节贝氏体转变的动力学一、贝氏体转变的动力学特点（二）贝氏体转变具有不完全性C曲线

二、贝氏体转变动力学图第五节贝氏体转变的动力学碳含量随奥氏体中碳含量的增加，贝氏体转变速度下降原因碳含量较高时，形成铁素体核心较困难从铁素体中向外排出碳的数量增多，增加了贝氏体形成的时间第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（一）化学成分合金元素除钴和铝以外，其它的合金元素都降低贝氏体转变速度使贝氏体转变温度区间下降使珠光体与贝氏体的C曲线上下分离原因影响碳在奥氏体和铁素体中的扩散影响相变驱动力碳化物形成元素在奥氏体中形成“原子集团”，使切变难以进行第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（一）化学成分非碳化物形成元素碳化物形成元素第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（一）化学成分奥氏体晶粒大小奥氏体晶粒增大，贝氏体转变孕育期延长原因晶界面积小，形成铁素体核心的几率小碳的扩散距离长第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（二）热处理条件奥氏体化温度奥氏体温度越高，贝氏体转变孕育期越长原因晶粒粗大……成分均匀，贫碳区少，影响铁素体形核第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（二）热处理条件应力拉应力促进贝氏体转变原因促进贝氏体形核加速碳原子扩散第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（三）应力和塑性变形塑性变形较高温度塑性变形延缓贝氏体转变较低温度塑性变形加速贝氏体转变原因较高温度（1000~800℃）变形增加奥氏体的缺陷密度，促进碳原子扩散，利于贝氏体转变奥氏体形变后产生多边化亚结构，不利于铁素体的共格生长以后者作用为主较低温度（350~300℃）变形增加奥氏体的缺陷密度，促进碳原子扩散形变使奥氏体应力增加，促进铁素体按马氏体型转变机制形成第五节贝氏体转变的动力学三、影响贝氏体转变动力学的因素（三）应力和塑性变形在珠光体和贝氏体转变的亚稳区停留加速随后的贝氏体转变原因等温停留时从奥氏体中析出了碳化物，降低了奥氏体中碳和合金元素的浓度，即降低了奥氏体的稳定性三、影响贝氏体转变动力学的因素（四）冷却时在不同温度的停留第五节贝氏体转变的动力学在高温区先进行部分上贝氏体转变使低温区下贝氏体的转变减速原因上贝氏体转变后，剩余的过冷奥氏体碳含量增高，稳定性增高高温区停留，促进奥氏体稳定化效应三、影响贝氏体转变动力学的因素（四）冷却时在不同温度的停留第五节贝氏体转变的动力学低温区形成少量马氏体或下贝氏体促进后续高温区的贝氏体形成原因少量马氏体或下贝氏体产生应力，促进较高温度下贝氏体晶核的形成三、影响贝氏体转变动力学的因素（四）冷却时在不同温度的停留第五节贝氏体转变的动力学贝氏体的力学性能第六节影响贝氏体力学性能的因素贝氏体形态、粗细、分布、亚结构一般规律下贝氏体强度高，韧性好上贝氏体强度低，韧性差注通常测定的贝氏体力学性能多是以某类贝氏体为主的混合组织的性能第六节贝氏体的力学性能概述一般规律随着温度降低，贝氏体强度升高下贝氏体强度高于上贝氏体一、贝氏体的强度（一）强度与转变温度的关系第六节贝氏体的力学性能铁素体条宽贝氏体铁素体晶粒越细小，贝氏体强度越高晶粒尺寸和屈服强度晶粒尺寸和抗拉强度第六节贝氏体的力学性能一、贝氏体的强度（二）影响贝氏体强度的因素细晶强化碳化物质点碳化物颗粒越细小，弥散度越大，贝氏体的强度越高下贝氏体强度远高于上贝氏体碳化物质点和屈服强度碳化物质点和抗拉强度第六节贝氏体的力学性能一、贝氏体的强度（二）影响贝氏体强度的因素弥散强化溶质元素碳的固溶强化作用远大于合金元素随着温度降低，铁素体中碳的过饱和度增大，固溶强化效果更强固溶强化作用小于等碳含量的马氏体位错密度

第六节贝氏体的力学性能一、贝氏体的强度（二）影响贝氏体强度的因素固溶强化亚结构强化一般规律冲击韧性下贝氏体优于上贝氏体韧脆转化温度下贝氏体低于上贝氏体第六节贝氏体的力学性能二、贝氏体的韧性（一）上、下贝氏体的冲击韧性和韧脆转化温度1——0.27C-1.02Si-1.00Mn-0.98Cr2——0.40C-1.10Si-1.21Mn-1.02Cr3——0.42C-1.14Si-1.04Mn-0.96Cr原因铁素体形态上贝氏体铁素体条间位向差小，好像一个晶粒下贝氏体铁素体片间位向差大上贝氏体有有效晶粒直径远大于下贝氏体碳化物形态上贝氏体中碳化物呈断续状分布于铁素体条间第六节贝氏体的力学性能二、贝氏体的韧性（一）上、下贝氏体的冲击韧性和韧脆转化温度铁素体板条和板条束尺寸上贝氏体板条间位向差小，界面对裂纹的传播阻碍作用小下贝氏体板条间位向差大，界面对裂纹的传播阻碍作用大第六节贝氏体的力学性能二、贝氏体的韧性（二）影响贝氏体冲击性能的因素碳化物的形态和分布上贝氏体分布在铁素体条间，两相具有明显的方向性，界面处易产生微裂纹，并易诱发解理裂纹下贝氏体分布在铁素体片内，尺寸细小，不易产生裂纹，即使裂纹产生，其传播被高密位错阻止第六节贝氏体的力学性能二、贝氏体的韧