第四周貝氏體的轉(zhuǎn)變

熱處理的定義:熱處理是將材料通過特定的加熱和冷卻方法獲得所需的組織和性能的工藝過程。時間溫度臨界溫度熱加保溫冷卻奧氏體化珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體化目前一頁\總數(shù)四十六頁\編于八點在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間，過冷奧氏體將按另一種轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變。由于這一轉(zhuǎn)變在中間溫度范圍內(nèi)發(fā)生，故被稱為中溫轉(zhuǎn)變。在此溫度范圍內(nèi)，鐵原子已難以擴(kuò)散，而碳原子還能進(jìn)行擴(kuò)散，這就決定了這一轉(zhuǎn)變既不同于鐵原子也能擴(kuò)散的珠光體轉(zhuǎn)變以及碳原子也基本上不能擴(kuò)散的馬氏體轉(zhuǎn)變。為紀(jì)念美國著名冶金學(xué)家Bain，此轉(zhuǎn)變被命名為貝氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變所得產(chǎn)物則被稱為貝氏體。英文名稱Bainite，用B表示目前二頁\總數(shù)四十六頁\編于八點研究貝氏體轉(zhuǎn)變的重要意義等溫淬火：將工件加熱到奧氏體狀態(tài)后快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變成貝氏體組織，這種熱處理工藝稱為等溫淬火。等溫淬火工件除了能獲得良好的綜合機(jī)械性能外，還可避免在一般淬火時由于急冷而易于產(chǎn)生變形和開裂等問題。目前三頁\總數(shù)四十六頁\編于八點等溫淬火：將加熱至奧氏體狀態(tài)的工件淬入溫度稍高于Ms點的鹽浴中等溫，保持足夠長時間，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，然后在空氣中冷卻的淬火方法。各種淬火方法冷卻曲線示意圖目前四頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（一）上貝氏體1、形成溫度范圍在B轉(zhuǎn)變區(qū)的較高溫度范圍內(nèi)形成，對于中、高碳鋼約在350~550℃范圍內(nèi)形成，所以上貝氏體也稱高溫貝氏體。2、組織形態(tài)上貝氏體是一種兩相組織，是由板條鐵素體和滲碳體組成的，成束的大致平行的鐵素體板條自A晶粒晶界的一側(cè)或兩側(cè)向A晶粒內(nèi)部長大，滲碳體（有時還有殘余A）分布于α相板條之間，整體看呈羽毛狀。一、貝氏體的組織形態(tài)目前五頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前六頁\總數(shù)四十六頁\編于八點3、影響組織形態(tài)的因素C%：隨鋼中碳含量的增加，上貝氏體中的α相板條更多、更薄，滲碳體的形態(tài)由粒狀、鏈球狀而成為短桿狀，滲碳體數(shù)量增多，不但分布于α相之間，而且可能分布于各α相內(nèi)部。形成溫度：隨形成溫度的降低，α相變薄，滲碳體更小，且更密集。目前七頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（二）下貝氏體1、形成溫度范圍一般在350℃~Ms之間的低溫區(qū)。2、組織形態(tài)也是一種兩相組織，由鐵素體與碳化物組成。鐵素體的立體形態(tài)呈片狀（或透鏡片狀），在光學(xué)顯微鏡下呈針狀，與片狀M相似。形核部位大多在A晶界上，也有相當(dāng)數(shù)量位于A晶內(nèi)，碳化物為滲碳體或ε-碳化物，碳化物呈細(xì)片狀或顆粒狀，排列成行，約以55°~60°角度與下貝氏體的長軸相交，并且僅分布在F片內(nèi)部。鋼的化學(xué)成份、A晶粒度和均勻化程度對下貝氏體的組織形態(tài)影響較小。目前八頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前九頁\總數(shù)四十六頁\編于八點3、晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)

下貝氏體中α相與A之間的位向關(guān)系為K—S關(guān)系，慣習(xí)面不確定，{110}γ、{254}γ及{569}γ。亞結(jié)構(gòu)為位錯無孿晶，α相中碳的含量是過飽和的，隨轉(zhuǎn)變溫度降低，過飽和程度增大。目前十頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（三）、無碳化物貝氏體1、形成溫度范圍在B轉(zhuǎn)變的最高溫度范圍內(nèi)形成。2、組織形態(tài)

是一種單相組織，由大致平行的F板條組成，F(xiàn)板條自A晶界形成，成束地向一側(cè)晶粒內(nèi)長大，在F板條之間為富碳的A。F板條較寬、間距較大，隨轉(zhuǎn)變溫度下降，F(xiàn)板條變窄、間距縮小。富碳的A在隨后的冷卻過程中可能轉(zhuǎn)變?yōu)镻、B、M或保持不變。所以說無碳化物貝氏體不能單獨存在。3、晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)慣習(xí)面為{111}，位向關(guān)系為K—S關(guān)系；F內(nèi)有一定數(shù)量的位錯。目前十一頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前十二頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（四）粒狀貝氏體是1957年由Habraken首先確定的。主要是在低碳和中碳合金鋼中以一定的速度連續(xù)冷卻后獲得的，如正火、熱軋后的空冷、焊縫的熱影響區(qū)中等。后來的研究，發(fā)現(xiàn)等溫也可以形成，形成溫度稍高于上貝氏體的形成溫度。其組織是由F和富碳的A組成。F呈塊狀（由F針片組成），而富碳的A呈條狀在F基體上呈不連續(xù)分布。F的C%很低，接近平衡狀態(tài)，而A的C%確很高。富碳的A由于冷卻條件和其穩(wěn)定性的不同，在隨后的冷卻過程中，可能發(fā)生以下三種不同的轉(zhuǎn)變情況：1、部分或全部分解為F和碳化物；2、可能部分轉(zhuǎn)變?yōu)镸，C%很高，屬于孿晶片狀M，M和殘余A統(tǒng)稱為“M—Aˊ”組成物或“M—Aˊ”組織；3、可能全部保留下來。目前十三頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前十四頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前十五頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（五）反常貝氏體在過共析鋼中可以見到，形成溫度在350℃稍上，F(xiàn)夾在兩片Cem中間的組織形態(tài)。目前十六頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（六）柱狀貝氏體一般在高碳碳素鋼或高碳中合金鋼中當(dāng)溫度處于下貝氏體形成溫度范圍時出現(xiàn)，F(xiàn)呈放射狀，碳化物分布在F內(nèi)部，形成時不產(chǎn)生表面浮凸。目前十七頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（七）BⅠ、BⅡ、BⅢ日本的大森在研究低碳低合金高強(qiáng)時發(fā)現(xiàn)，在某些鋼中的貝氏體可以明顯地分為三類，分別把這三類B稱為第一類、第二類和第三類貝氏體，并用BⅠ、BⅡ、BⅢ分別表示。BⅠ約在600~500℃之間形成，無碳化物析出；BⅡ約在500~450℃之間形成，碳化物在F之間析出；BⅢ約在450℃~Ms之間形成，碳化物分布在F內(nèi)部。目前十八頁\總數(shù)四十六頁\編于八點貝氏體轉(zhuǎn)變

上貝氏體

形成溫度:550~350℃相組成：成束分布、平行排列的鐵素體和夾與其間的斷續(xù)的條狀滲碳體顯微組織：羽毛狀亞結(jié)構(gòu)：位錯性能：強(qiáng)度和韌性均較低獲得：（工藝不合理，避免）

下貝氏體350℃~Ms含碳過飽和的片狀鐵素體和其內(nèi)部沉淀的碳化物針狀或片狀位錯（密度較高）強(qiáng)度高，韌性好等溫淬火小結(jié)貝氏體轉(zhuǎn)變的主要特點：中溫相變目前十九頁\總數(shù)四十六頁\編于八點二、貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)及轉(zhuǎn)變機(jī)制（一）貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)B轉(zhuǎn)變是通過形核與長大過程進(jìn)行的，轉(zhuǎn)變時的領(lǐng)先相是通過形核與長大進(jìn)行的；轉(zhuǎn)變時的領(lǐng)先相是鐵素體；轉(zhuǎn)變過程中有碳原子的擴(kuò)散，轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力同樣是新舊兩相之間的體積自由能之差。

ΔG=ΔGV+ΔGp+ΔGS+ΔGE目前二十頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（二）貝氏體轉(zhuǎn)變的切變機(jī)制貝氏體轉(zhuǎn)變包括貝氏體鐵素體的形成以及碳化物的析出。長期以來，圍繞著這兩個問題進(jìn)行著爭論。在爭論中最主要的是切變機(jī)制與臺階機(jī)制之爭。1、切變機(jī)制柯俊最先發(fā)現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變一樣，在形成貝氏體鐵素體時也能在拋光表面引起浮凸，以后又得出形成魏氏鐵素體時也能引起浮凸。據(jù)此，認(rèn)為魏氏鐵素體即貝氏體鐵素體，貝氏體鐵素體與馬氏體一樣，也是通過切變機(jī)制形成的，由于貝氏體轉(zhuǎn)變時碳原子尚能擴(kuò)散，這就導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變的不同以及貝氏體組織的多樣性。目前二十一頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（1）高溫范圍的轉(zhuǎn)變（無碳化物貝氏體）由于溫度高，初形成的鐵素體的過飽和度很小，且碳在鐵素體和奧氏體中的擴(kuò)散能力均很強(qiáng)。在貝氏體鐵素體形成后，鐵素體中過飽和的碳可以通過界面很快進(jìn)入奧氏體而使鐵素體的碳含量降低到平衡濃度。通過界面進(jìn)入奧氏體的碳也能很快地向奧氏體縱深擴(kuò)散，使奧氏體的碳含量都得到提高而不致集聚在界面附近。如果奧氏體的含碳量并不高，不會因為貝氏體鐵素體的形成而析出碳化物，因此得到的是貝氏體鐵素體及碳富化了的奧氏體，即無碳化物貝氏體，也包括魏氏鐵素體在內(nèi)。目前二十二頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（2）中溫范圍的轉(zhuǎn)變（上貝氏體）在350~550℃的中間溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時，轉(zhuǎn)變初期與高溫范圍的轉(zhuǎn)變基本一樣。但此時的溫度已比較低，碳在奧氏體中的擴(kuò)散已變得困難，通過界面由貝氏體鐵素體擴(kuò)散進(jìn)入奧氏體中的碳原子已不可能進(jìn)一步向奧氏體縱深擴(kuò)散，尤其是板條鐵素體束兩相鄰鐵素體條之間的奧氏體中的碳更不可能向外擴(kuò)散。故界面附近的奧氏體，尤其是兩鐵素體條之間的奧氏體中的碳將隨貝氏體鐵素體的長大而顯著升高，當(dāng)超過奧氏體溶解度極限時，將自奧氏體中析出碳化物而形成羽毛狀的上貝氏體。目前二十三頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（3）低溫范圍的轉(zhuǎn)變（下貝氏體）在350℃以下轉(zhuǎn)變與上述轉(zhuǎn)變有較大的差異。由于溫度低，初形成的鐵素體的碳含量高，故貝氏體鐵素的形態(tài)已由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥哥R片狀。此時，不僅碳原子已難以在奧氏體中擴(kuò)散，就是在鐵素體中也難以作較長距離的擴(kuò)散，而貝氏體鐵素中的過飽和度又很大。而碳原子又不能通過界面進(jìn)入奧氏體，只能以碳化物的形式在貝氏體鐵素體內(nèi)部析出。隨著碳的析出，貝氏體鐵素體的自由能將下降以及比容的縮小所導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能的下降，將使已形成的貝氏體鐵素片進(jìn)一步長大，得到下貝氏體組織。目前二十四頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前二十五頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（4）粒狀貝氏體的形成一般認(rèn)為在某些低碳鋼中出現(xiàn)的粒狀貝氏體是由無碳化物貝氏體演變而來的。當(dāng)無碳化物貝氏體針長大到彼此匯合時，剩下的小島狀奧氏體便為鐵素體所包圍沿鐵素體條間呈條狀斷續(xù)分布。因鋼碳含量較低，剩余奧氏體的碳含量也不超過其溶解度極限，故不會析出碳化物，這就形成了粒狀貝氏體。（5）貝氏體的亞基元目前二十六頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前二十七頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（6）切變機(jī)制存在的問題1）為什么貝氏體轉(zhuǎn)變所引起的浮凸不同于馬氏體所引起的浮凸。2）為什么貝氏體鐵素體與奧氏體之間的晶體學(xué)位向關(guān)系不同于馬氏體與奧氏體之間的位向關(guān)系。3）為什么透鏡片狀貝氏體鐵素體中沒有孿晶。4）為什么下貝氏體中的碳化物的分布與回火馬氏體中碳化物分布明顯不同。5）按切變機(jī)制，貝氏體鐵素體應(yīng)是片狀，但為什么上貝氏體鐵素體接近針狀。目前二十八頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（三）貝氏體轉(zhuǎn)變的臺階機(jī)制Aaronson等人強(qiáng)調(diào)貝氏體是非層狀共析反應(yīng)產(chǎn)物，亦即貝氏體轉(zhuǎn)變是一種特殊的共析反應(yīng)。他們認(rèn)為，貝氏體轉(zhuǎn)變與珠光體轉(zhuǎn)變或馬氏體轉(zhuǎn)變不同，是通過臺階機(jī)制長大的。目前二十九頁\總數(shù)四十六頁\編于八點臺階的水平面為α-γ的半共格界面，界面兩側(cè)的α與γ有一定的位向關(guān)系，在半共界面上存在著柏氏矢量與界面平行的刃型位錯。界面由位錯和臺階組織成。臺階的端面為非共格界面。這樣的界面活動能力很高，易于向側(cè)面移動，從而使水平面向上推移。目前三十頁\總數(shù)四十六頁\編于八點內(nèi)

容

珠光體轉(zhuǎn)變貝氏體轉(zhuǎn)變馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍

高溫中溫低溫轉(zhuǎn)變上限溫度

A1BSMS領(lǐng)先相滲碳體或鐵素體鐵素體形核部位奧氏體晶界上貝氏體在晶界下貝氏體大多在晶內(nèi)轉(zhuǎn)變時點陣切變無？有碳原子的擴(kuò)散有有基本上無鐵及合金元素原子的擴(kuò)散有無無等溫轉(zhuǎn)變完全性完全視轉(zhuǎn)變溫度定不完全轉(zhuǎn)變產(chǎn)物α+Fe3Cα+Fe3C(ε)α′珠光體、貝氏體、馬氏體轉(zhuǎn)變主要特征目前三十一頁\總數(shù)四十六頁\編于八點三、貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)（一）貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)1、貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的特點（1）貝氏體轉(zhuǎn)變速度比馬氏體轉(zhuǎn)變速度慢很多原因：一般認(rèn)為B長大速度受碳原子從F中脫溶速度控制。（2）貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全性

一般B轉(zhuǎn)變量隨溫度降低最大轉(zhuǎn)變量增加。通常有兩種情況：溫度低于某一溫度，A可全部轉(zhuǎn)變?yōu)锽；等溫溫度很低時也不能完全轉(zhuǎn)變。（3）可能與珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變重疊1）與珠光體轉(zhuǎn)變重疊：P轉(zhuǎn)變在先，B轉(zhuǎn)變在后；2）與馬氏體轉(zhuǎn)變重疊：當(dāng)Ms較高時，在Ms以下可先形成一定數(shù)量的M，而后發(fā)生B轉(zhuǎn)變。目前三十二頁\總數(shù)四十六頁\編于八點2、貝氏體等溫形成圖與P轉(zhuǎn)變相同，B的等溫動力學(xué)曲線也具有C形，但B等溫轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底。

等溫溫度愈高，愈接近Bs點，等溫轉(zhuǎn)變量愈少。目前三十三頁\總數(shù)四十六頁\編于八點B轉(zhuǎn)變的等溫形成圖也具有C字形，在Bs溫度以下隨等溫溫度降低，孕育期先增后減具有一個鼻子，對于碳鋼，由于P轉(zhuǎn)變與B轉(zhuǎn)變C曲線重疊在一起，因此合并成一個C曲線。目前三十四頁\總數(shù)四十六頁\編于八點目前三十五頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（二）貝氏體轉(zhuǎn)變時碳的擴(kuò)散1、奧氏體中碳的擴(kuò)散

B轉(zhuǎn)變是在碳原子還能擴(kuò)散的中溫范圍內(nèi)發(fā)生的，為了在A中形成低碳的F，C必將在A中偏聚。當(dāng)A的碳含量超過其溶解度時（ES及其處長線），碳將以碳化物的形式自A中析出，而使A的C%降低。在B轉(zhuǎn)變過程中A的C%有可能升高，也有可能降低，具體情況取決于A的成份及轉(zhuǎn)變溫度而定。2、貝氏體中鐵素體內(nèi)碳的擴(kuò)散F形成初期C含量是過飽和的，而B轉(zhuǎn)變溫度范圍較M轉(zhuǎn)變高，故B中F在形成后必然要發(fā)生分解，以碳化物的形式由B中的F內(nèi)析出過飽和的碳，從而使F的C%下降。目前三十六頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（三）影響貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素1、碳含量規(guī)律：隨A中碳含量的增加，B轉(zhuǎn)變速度下降。原因：C含量高時，形成F核心，較困難，而從F中向外排出碳的數(shù)量增多，從而增加了B的形成時間。目前三十七頁\總數(shù)四十六頁\編于八點2、合金元素

凡是降低C擴(kuò)散速度、阻礙F共格長大、阻礙碳化物形成的元素，都使B轉(zhuǎn)變速度下降。因此，除Co、Al以外所有合金元素都降低B轉(zhuǎn)變速度，使B轉(zhuǎn)變的C曲線右移，但作用不如C顯著，同時也使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍下降，從而使珠光體與貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線分開。目前三十八頁\總數(shù)四十六頁\編于八點3、奧氏體晶粒大小和奧氏體化溫度A晶粒大?。弘SA晶粒增大，B轉(zhuǎn)變孕期延長轉(zhuǎn)變速度下降。其原因是由于晶粒大晶界面積小，形成F核心的幾率小，同時碳的擴(kuò)散距離長。A化溫度：A化溫度高，晶粒粗大，成份均勻，貧碳區(qū)少，這都影響F的形核，使B轉(zhuǎn)變的孕育期延長，轉(zhuǎn)變速度下降。目前三十九頁\總數(shù)四十六頁\編于八點4、應(yīng)力的影響拉應(yīng)力使B轉(zhuǎn)變速度增加，尤其對下B更顯著。壓應(yīng)力的作用不清楚。5、塑性變形（1）在較高溫度（1000~800℃）范圍內(nèi)對A進(jìn)行塑性變形，將使A向B轉(zhuǎn)變的孕育期增長，轉(zhuǎn)變速度下降，轉(zhuǎn)變的不完全程度增大。原因：一方面變形使A中的缺陷密度增加，有利于C原子的擴(kuò)散，有利于B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行；而另一方面，A形變后會產(chǎn)生多邊化亞結(jié)構(gòu)，這對B中F的共格生長是不利的。通常以后者的作用為主。目前四十頁\總數(shù)四十六頁\編于八點（2）在較低溫度（350~300℃）范圍內(nèi)對A進(jìn)行塑性變形將加速B的形成。原因：A晶體缺陷密度更大，促進(jìn)C的擴(kuò)散，并且形變會使A中的應(yīng)力增加，有利于B中F按M型轉(zhuǎn)變機(jī)制形成，結(jié)果使B轉(zhuǎn)變速度加快。6、冷卻在不同溫度下停留（1）在P與B轉(zhuǎn)變區(qū)之間的亞穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留會加速隨后的B轉(zhuǎn)變。原因：停留過程中A析出碳氮化物，降低了A的穩(wěn)定性。（2）在高溫區(qū)先進(jìn)行部份上B轉(zhuǎn)變，將會使低溫區(qū)下B的轉(zhuǎn)變速度降低，孕育期處長，不完全程度增大。原因：可能是一種A的穩(wěn)定化現(xiàn)象，還不十分清楚。目前四十一頁\總數(shù)四十六頁\編于