第五章贝氏体转变

第五章贝氏体转变第1页，共64页，2023年，2月20日，星期三5.1贝氏体的形成特点及其组织形态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。第2页，共64页，2023年，2月20日，星期三一上贝氏体（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，此温度约在550～350℃温度区间，奥氏体转变为上贝氏体。

第3页，共64页，2023年，2月20日，星期三B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细条状羽毛状第4页，共64页，2023年，2月20日，星期三

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，自奥氏体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。第5页，共64页，2023年，2月20日，星期三

（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。

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（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。（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。

第7页，共64页，2023年，2月20日，星期三第8页，共64页，2023年，2月20日，星期三

（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。

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二下贝氏体（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。

第10页，共64页，2023年，2月20日，星期三B下:350～230℃;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+FexC细片状过饱和碳

α-Fe针叶状FexC细片状针叶状第11页，共64页，2023年，2月20日，星期三

3.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）。第12页，共64页，2023年，2月20日，星期三

（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。

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（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。

（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。

第14页，共64页，2023年，2月20日，星期三三无碳化物贝氏体

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。

右图为30CrMnSiA钢，450℃等温20S,无碳化物贝氏体组织,×100第15页，共64页，2023年，2月20日，星期三

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。

第16页，共64页，2023年，2月20日，星期三四粒状贝氏体

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。第17页，共64页，2023年，2月20日，星期三2.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。第18页，共64页，2023年，2月20日，星期三第19页，共64页，2023年，2月20日，星期三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的组织第20页，共64页，2023年，2月20日，星期三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。第21页，共64页，2023年，2月20日，星期三BⅠ、BⅡ、BⅢ

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。第22页，共64页，2023年，2月20日，星期三低碳低合金钢中贝氏体基本形态示意图第23页，共64页，2023年，2月20日，星期三5.2贝氏体转变理论一转变热力学钢中过冷奥氏体转变为贝氏体，必须满足：ΔG=GB-Gγ≤0贝氏体转变属于半扩散型相变，除新相表面能Sσ外，还有母相与新相比容不同产生的应变能和维持两相共格关系的弹性应变能εV，则贝氏体形成时系统自由能也可以表示为：ΔG=VΔgv+Sσ+εV≤0GTT0B0Ms图13-1GpGBGα′GγBsA1Ar1第24页，共64页，2023年，2月20日，星期三与马氏体相变比较，贝氏体转变时碳的扩散降低了α相的过饱和含碳量，弹性应变能εV减小；碳的脱溶使贝氏体与奥氏体的比容差降低，相变时由于体积变化引起的应变能减小，使α相的自由能降低，新相与母相自由能差ΔG增加，相变驱动力增大，因此贝氏体转变开始温度Bs在Ms之上。另外，与珠光体转变相比，贝氏体形成时α相的过饱和程度比珠光体α相的过饱和程度大，新相与母相的弹性应变能εV比珠光体转变时的弹性应变能εV大，贝氏体转变开始温度Bs在Ps之下。因此，贝氏体转变的开始温度介于Ms和Ps之间。第25页，共64页，2023年，2月20日，星期三二B转变特征

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通过形核和长大进行的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铁素体也为碳过饱和固溶体第26页，共64页，2023年，2月20日，星期三1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。

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2、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。

第28页，共64页，2023年，2月20日，星期三

3、贝氏体转变通过形核和长大方式进行

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。第29页，共64页，2023年，2月20日，星期三

4、贝氏体转变的不完全性

与珠光体转变不同，贝氏体转变一般不能进行彻底，在贝氏体转变开始后，经过一段时间形成一定数量的贝氏体后，贝氏体转变会停下来。转变温度愈接近Bs点，能够形成的贝氏体愈少。

5、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。第30页，共64页，2023年，2月20日，星期三6、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。

7、贝氏体中铁素体也为碳过饱和固溶体贝氏体中铁素体的碳含量一般均为过饱和，且过饱和程度随贝氏体形成温度的降低而增大，但低于马氏体的过饱和度。

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。第31页，共64页，2023年，2月20日，星期三三B转变动力学1.B等温转变动力学图

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。第32页，共64页，2023年，2月20日，星期三

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

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第33页，共64页，2023年，2月20日，星期三第34页，共64页，2023年，2月20日，星期三2.B转变动力学特点（1）形核长大过程，有孕育期；（2）转变速度比M慢的多；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。（3）贝氏体转变的不完全性（4）可部分与P、M转变重合。第35页，共64页，2023年，2月20日，星期三四贝氏体形成机理特点：1.共格切变方式，有表面浮凸现象；2.转变之前A发生C的预扩散，形成贫碳区、富碳区；3.新相和母相A有一定的位向关系，在一定惯习面上形成；4.F形成时有碳化物析出。第36页，共64页，2023年，2月20日，星期三贝氏体转变过程

（1）.贝氏体转变的两个基本过程贝氏体转变是一个形核和长大过程。贝氏体转变产物为铁素体相与碳化物的二相混合物，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。领先相为铁素体。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。

第37页，共64页，2023年，2月20日，星期三（2).铁素体的形成及其含碳量贝氏体中铁素体是按马氏体转变机制进行的，铁素体中含有过饱和的碳。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。贝氏体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。第38页，共64页，2023年，2月20日，星期三

(3).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。综上所述，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。第39页，共64页，2023年，2月20日，星期三

1、稍高温度时进行上贝氏体转变(中温范围转变，在350550℃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。第40页，共64页，2023年，2月20日，星期三形成上贝氏体过程如下：

(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。第41页，共64页，2023年，2月20日，星期三

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奥氏体向铁素体扩散，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。第42页，共64页，2023年，2月20日，星期三

形成下贝氏体过程如下：

(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碳化物，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。

第43页，共64页，2023年，2月20日，星期三5.3

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

第44页，共64页，2023年，2月20日，星期三

（一）奥氏体的成分

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。第45页，共64页，2023年，2月20日，星期三第46页，共64页，2023年，2月20日，星期三

2.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。第47页，共64页，2023年，2月20日，星期三合金元素对贝氏体转变与对珠光体转变的影响有所不同。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。第48页，共64页，2023年，2月20日，星期三

（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。第49页，共64页，2023年，2月20日，星期三

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。

2.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(下图)。第50页，共64页，2023年，2月20日，星期三（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第51页，共64页，2023年，2月20日，星期三（四）塑性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。在BS点较低温度（350～300℃）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。第52页，共64页，2023年，2月20日，星期三（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。第53页，共64页，2023年，2月20日，星期三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。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。第54页，共64页，2023年，2月20日，星期三5.4贝氏体的机械性能一般地，贝氏体的抗拉强度和屈服强度、随形成温度的降低而提高。1)随着形成温度的降低，上贝氏体中铁素体板条间的距离减小，下贝氏体的尺寸减小，铁素体的强度增高；2)随着形成温度的降低，铁素体中的位错密度增大，铁素体的强度增高；3)随着形成温度的降低，碳在铁素体中的过饱和度增大，碳的固溶强化作用增加，铁素体的强度增向，特别在350℃以下更为显著。第55页，共64页，2023年，2月20日，星期三影响贝氏体强度的因素：

(一)铁素体条(片)的粗细（贝氏体中铁素体晶粒的大小）铁素体条(片)的粗细决定于A的化学成分和形成温度。Hall－Petch公式。

(二)碳化物质点的大小与分布（碳化物弥散度和分布情况）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。第56页，共64页，2023年，2月20日，星期三(三)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。

（四）位错亚结构密度：