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,材料科学与工程学院,G-Y,贝氏体相变,第十一章,（,550,M,S,）,什么是贝氏体？,贝氏体：,是钢经奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区域与,M,s,之间的中温区等温，或连续冷却通过中温区时形成的组织。,美国冶金学家,Edgar C.Bain,(Sept.14,1891-Nov.27,1971),United States Steel Corporation,贝氏体,-Bainite,贝氏体相变的基本特征,1,）,B,相变是过冷,A,在中温转变区发生的非平衡相变，转变温度范围宽，转变有孕育期。,2,）,B,转变过程主要是,BF,的形核和长大过程，在不同温度下得到不同类型的,B,组织形貌。,3,）,B,组织的相组成主要是,B,铁素体和碳化物，但当转变不完全时有残余,A,。,4,）,B,转变有表面浮凸现象。,5,）,B,转变是,B,铁素体的共格切变型相变和碳原子的扩散型相变，碳原子的扩散速度控制着,B,的转变速度。,共析碳钢,C,曲线,M,f,高温,中温,低温,11.1,贝氏体相变特点、组织形态和力学性能,11.1.1,贝氏体相变的特点,（,1,）贝氏体转变温度范围,在,A,1,以下，,M,S,以上，有一转变的上限温度,B,S,点和下限温度,B,f,点，碳钢的,B,S,点约为,550,。,贝氏体转变产物为,相,与,碳化物,的两相混合物，为非层片状组织。,相：,相（即贝氏体铁素体,BF,）形态类似于马氏体而不同于珠光体中的铁素体。,（,2,）贝氏体转变产物,碳化物：,上贝氏体，碳化物,(,渗碳体,),分布在,铁素体条之间；,下贝氏体，碳化物既,(,渗碳体,或,-,碳化物,）分布在,铁素体条内部,。,低、中碳钢中，当贝氏体形成温度较高时，也可能形成不含碳化物的,无碳化物贝氏体,。,通过形核与长大进行，等温转变动力学图是,C,形。,可以在一定温度范围内等温形成，也有孕育期；也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变,（,3,）转变动力学,合金钢,C,曲线,共析碳钢,C,曲线示意图,（,4,）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+A,R,组织。,由单相转变形成低碳相和高碳相，故有碳原子的扩散，但铁和合金元素原子不扩散。,相变速度取决于碳原子的扩散速度,（,5,）扩散性,（,6,）晶体学特征,贝氏体形成时，有表面浮凸，铁素体按切变共格方式长大，位向关系和惯习面接近于马氏体。上贝氏体惯习面为 ，下贝氏体的惯习面为,贝氏体中,铁素体与母相奥氏体,之间存在,K-S,关系，,渗碳体与奥氏体,以及,渗碳体与铁素体,之间也存在一定的晶体学位向关系。,珠光体转变,贝氏体转变,马氏体转变,转变温度范围,A,r1,550,550 M,s,350,，,-Fe(C)+Fe,3,C,350,，,-Fe(C)+Fe,x,C,单相组织,-Fe(C),合金元素,扩散,不扩散,不扩散,珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较,形成于低碳钢中，在靠近,B,S,的温度处形成，由,平行板条铁素体束,及板条间未转变的,富碳奥氏体,组成。,11.1.2,贝氏体的组织形态,A,无碳化物贝氏体,（,1,）上贝氏体,无碳化物贝氏体示意图,原奥氏体晶界,BF,A,A,11.1.2,贝氏体的组织形态,A,无碳化物贝氏体,BF,核在,A,晶界上形成后，向晶内一侧成束长大。,板条比较宽，板条间距离也较大，且两者均随形成温度的下降而变小。,板条间为富碳的,A,，在随后冷却时转变为,M,或保留至室温成为,A,R,。,（,1,）上贝氏体,原奥氏体晶界,BF,A,A,BF,与奥氏体的位向关系为,K-S,关系，惯习面为,111,A,无碳化物贝氏体组织，,1000,（,30CrMnSiA,钢，,450,等温,20s,）,B,粒状贝氏体,低中炭钢以一定速度连续冷却，一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成，由块状贝氏体铁素体与,岛状物,组成，岛状物多为马氏体和奥氏体，称,M-A,岛。,粒状贝氏体：,贝氏体铁素体岛状物（,M-A,岛）,在贝氏体相变的较高温度区域形成，对于中、高碳钢,大约在,350,550,区间。,C,经典上贝氏体,(a),上贝氏体组织示意图,(b)T8,钢中的上贝氏体组织,(a),(b),形貌特征：,其形态在光镜下为,羽毛状,。组织为一束平行的自,A,晶界长入晶内的,BF,板条。,BF,板条与,M,板条相近，但在铁素体板条之间分布有不连续碳化物。,上贝氏体组织示意图,珠光体,板条马氏体,上贝氏体,BF,板条内亚结构为,位错,。与,A,的位向关系为,K-S,关系，惯习面为,111,A,。碳化物惯习面为,227,A,，与,A,有确定的位向关系。,上贝氏体组织示意图,碳含量：,随碳含量的,增加,，铁素体条增,多,并变,薄,，条间渗碳体数量,增多,，形态也有粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。当达到共析浓度时，部分渗碳体也在铁素体内部沉淀。,上贝氏体组织示意图,温度：,随温度,降低,，上贝氏体铁素体条变,薄,，渗碳体细化且弥散度,增加,。,组织影响因素：,合金元素：,含有,Si,或,Al,的钢中，由于,Si,和,Al,具有延缓渗碳体沉淀的作用，铁素体条之间的奥氏体由于富碳而趋于稳定，于是变为,无碳化物贝氏体,。,上贝氏体组织示意图,D,准上贝氏体,由条状贝氏体铁素体和条间的残余奥氏体薄膜组成，属于无碳贝氏体。,在贝氏体相变的低温转变区形成，大约在,350,以下。,A,经典下贝氏体,（,2,）下贝氏体,(a),下贝氏体组织示意图,(b)GCr15,钢的下贝氏体组织,(a),(b),形核部位在奥氏体晶界或晶内。,各个贝氏体之间都有一定的交角，立体形貌呈,透镜片状,。,针状或片状贝氏体铁素体内分布呈一定角度排列的,-,碳化物。,BF,中碳含量远远高于平衡碳含量，,亚结构,为缠结,位错,，密度高于上,BF,，不存在孪晶。,贝氏体铁素体与奥氏体的取向关系为,K-S,关系,惯习面有,110,f,254,f,569,f,等。,B,准下贝氏体,在其贝氏体铁素体内按一定角度排列着残余奥氏体。,将钢中可能出现的九种贝氏体归类,:,以上贝氏体为代表：,无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体、准上贝氏体、上贝氏体；,以下贝氏体为代表：,柱状贝氏体、准下贝氏体、特殊下贝氏体、下贝氏体。,贝氏体相变的驱动力也是,化学自由能差。,铁素体的,Gibbs,自由能随着碳过饱和度的增加而增加。,11.2,贝氏体相变的热力学条件、相变机理,11.2.1,贝氏体相变的热力学条件,M,s,B,s,奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系,由于碳在,BF,中的不断脱溶，增加了新相与母相间的自由能差（,G,）。,BF,中碳的脱溶还使其比容降低，从而减少作为相变阻力的比容应变能，这些都会促进,BF,的进一步长大。,影响贝氏体相变驱动力的因素：,贝氏体转变的领先相是,铁素体,，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（上,B,）；,较低温度时,(,下,B),，,BF,大多在奥氏体晶粒内形核。,11.2.2,贝氏体相变的机理,（一）贝氏体相变机理概述,BF,以,共格切变方式,长大，但长大速度缓慢，这是因为受碳原子向周围奥氏体的扩散所控制。,形成的,BF,为碳的过饱和,固溶体，形成温度越低，过饱和度越大。在,BF,形成的同时，将发生碳的脱溶，析出碳化物。,（二）无碳化物贝氏体的形成机理,高温范围转变，组织为,BF+,富碳,A,。,无碳化物贝氏体形成机理示意图,(1),BF,在奥氏体晶界形核，初形成的,BF,过饱和度很小，以共格切变方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的,BF,板条束。,(2),转变温度较高，在,BF,中的碳原子可以越过,BF/A,相界面向,A,中扩散，直至达到平衡浓度。,无碳化物贝氏体形成机理示意图,无碳化物贝氏体形成机理示意图,(3),通过相界面进入,A,的碳能很快向,远离界面处扩散,，不至于在界面附近产生积聚，从而不会从,A,中析出碳化物。,(4),在随后的冷却过程中，富碳奥氏体可以转变为马氏体，也可以保持到室温而成为富碳的残余奥氏体。,无碳化物贝氏体形成机理示意图,原奥氏体晶界,BF,A,A,中温范围转变，在,350550,，组织为,BF+Fe,3,C,，,形态为,羽毛状,。,（三）上贝氏体的形成机理,(a),上贝氏体组织示意图,(b)T8,钢中的上贝氏体组织,(a),(b),(1)BF,在奥氏体晶界形核，以,共格切变,方式向晶粒内一侧长大，形成相互平行的,BF,板条束。,Fe,3,C,上贝氏体的形成机理示意图,(2),碳原子越过,BF/A,相界面向,A,中,扩散,。,Fe,3,C,上贝氏体的形成机理示意图,(3),转变温度降低，进入相界面附近,A,中的碳原子已不能向远处扩散，尤其是铁素体板条间奥氏体中的碳原子，在这些地方将产生碳的,堆积。,Fe,3,C,上贝氏体的形成机理示意图,（,4,）随着,BF,的长大，,铁素体板条间,奥氏体中的碳含量显著升高，当碳浓度升高一定程度时，将从奥氏体中,析出碳化物,（,Fe,3,C,），从而形成羽毛状上贝氏体。由于得不到奥氏体中碳原子的不断补充，这些渗碳体呈,不连续,的。,Fe,3,C,上贝氏体的形成机理示意图,上贝氏体的转变速度受,碳在奥氏体中的扩散,所控制。随形成,温度的降低,，条状铁素体,变薄,，条间析出的渗碳体颗粒,细化,。,低温范围转变，,350,。,（四）下贝氏体的形成机理,(a),下贝氏体组织示意图,(b)GCr15,钢的下贝氏体组织,(a),(b),（,1,）,BF,大多在奥氏体晶粒内通过共格切变方式形成，形态为,透镜片状,。,（四）下贝氏体的形成机理,下贝氏体的形成机理示意图,(2),由于温度低，,BF,中碳的过饱和度很大。同时，碳原子已不能越过,BF/A,相界面扩散到奥氏体中去，所以就在,BF,内部,析出细小的碳化物。,下贝氏体的形成机理示意图,(3),随着,BF,中碳化物的析出，自由能进一步降低，比容降低，导致应变能下降，将使已形成的,BF,片进一步长大,。同时，在其侧面成一定角度也将形成新的下贝氏体铁素体片。,下贝氏体的形成机理示意图,可见，下贝氏体的转变速度受,碳在铁素体中,的扩散所控制。,碳化物析出和铁素体长大两个过程同时进行，随温度下降，碳化物颗粒变得细小、弥散。,综上所述，不同形态贝氏体中的铁素体都是通过,切变机制,形成的。只是因为形成温度不同，使,铁素体中碳的脱溶,以及,碳化物的形成,方式不同，从而导致贝氏体的组织形态不同。,特点：,也呈,C,形（与,P,相同）；,有,B,转变上限温度,B,s,（与,PA,1,，,MM,s,）；,也存在一个“鼻子”（随温度降低，转变速度先增后减）；,对于碳钢，,P,转变和,B,转变,C,曲线重叠在一起；,B,转变的,C,曲线实际是由两个独立的,C,曲线合并而成的，即,B,上,C,曲线和,B,下,C,曲线，说明由两种机制形成。,11.3,贝氏体相变的动力学影响因素,11.3.1,贝氏体等温相变动力学曲线,（,1,）温度,等温温度越高，转变量越少；,有孕育期；,转变速度先增后减。,11.3.2,影响贝氏体相变动力学的因素,冷却时在不同温度下停留的影响,冷却时不同温度停留的,三种情况,曲线,1,：在珠光体相变与贝氏体相变之间的,过冷奥氏体稳定区停留,，会,加速,随后的贝氏体转变速度。,原因,：在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，所以使贝氏体转变加速。,曲线,2,：在贝氏体形成温度的高温区停留，,形成部分上贝氏体,，然后再冷至贝氏体相变的低温区，将降低贝氏体转变的速度，即奥氏体发生了,稳定化,。,曲线,3,：先冷至低温，,形成少量马氏体或下贝氏体,，然后再升至较高温度，则先形成的少量马氏体和下贝氏体将,加速,随后的贝氏体转变速度。,原因：,较低温度下的相变使奥氏体点阵发生畸变，从而加速了贝氏体的形核，加速贝氏体的形成。,奥氏体中碳含量的增加，转变时需要扩散的原子数量增加，等温转变,C,曲线右移，转变速度下降。,（,2,）碳含量,上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于前沿奥氏体中,碳的扩散速度,；下贝氏体的相变速度，主要取决于铁素体内,碳化物的沉淀速度,。,除,Al,、,Co,外，合金元素都或多或少地降低贝氏体转变速度，同时也使贝氏体转变的温度范围下降，从而使珠光体与贝氏体转变的,C,曲线分开。,（,3,）合金元素,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。,（,4,）奥氏体晶粒大小,11.1.3,贝氏体的机械性能,（一）贝氏体的强度和硬度,贝氏体的强度和硬度随形成温度的降低而提高。,贝氏体铁素体细化强化（细晶强化）,形成温度越低，贝氏体铁素体越细，强度越高。,影响贝氏体强度的因素：,BF,的晶粒大小主要取决于奥氏体晶粒大小和,形成温度。,形成温度越低，铁素体条的厚度越薄；,形成温度越低，位错密度增大，强度和韧性增高；,形成温度越低，亚结构尺寸越小强度和韧性也提高。,下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗粒数量较多，且分布均匀，故下贝氏体的强度高于上贝氏体。,贝氏体形成,温度越低,，碳化物颗粒越小、越多，强度越高。,碳化物的弥散强化（第二相强化,）,固溶强化和位错强化,随贝氏体形成温度的降低，,BF,的,碳过饱和度,及位错密度均增加，导致强度增加。,（二）贝氏体的塑性,（三）贝氏体的冲击韧性,上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的,原因,：,上贝氏体由彼此平行的,BF,板条构成，好似一个晶粒；而下贝氏体的,BF,片彼此位向差很大，即上贝氏体的,有效晶粒直径,远远大于下贝氏体。,上贝氏体碳化物分布在,BF,板条间，而且碳化物颗粒粗大，容易形成大于临界尺寸的裂纹。,下贝氏体组织中，较小的碳化物颗粒不易形成裂纹，即使形成裂纹也难以达到临界尺寸，并且其扩展也受到大量弥散碳化物颗粒和位错的阻止。,下贝氏体,具有优良的综合力学性能。,力学性能总结：,混合组织的应用：,作 业,1.,简述贝氏体组织的形态与形成温度、化学成分、原始组织等的关系。,2.,结合组织形成示意图说明无碳、上、下贝氏体的形成机理。,