热处理原理及工艺-第五章

第五章贝氏体转变重点：贝氏体转变的基本特征；贝氏体的力学性能难点：贝氏体的形成过程；影响贝氏体转变的因素。贝氏体转变是过冷奥氏体在介于珠光体转变和马氏体转变温度区间的一种转变，称为中温转变。在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原子尚能扩散，其相变产物一般为铁素体基体加渗碳体的非层状组织。贝氏体常常具有优良的综合力学性能，其强度和韧性都比较高。并具有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性，此外获得贝氏体的等温淬火是一种防止和减小钢件钢件淬火开裂和变形的可靠方法之一。一、贝氏体转变的基本特点贝氏体转变的温度范围贝氏体转变也有一个上限温度Bs点，一个下限转变温度Bf点。奥氏体必须过冷到Bs点以下才能发生贝氏体相变；低于Bf贝氏体转变结束。贝氏体相变也不能进行完全，总有残余奥氏体存在。等温温度越靠近Bs点，能够形成的贝氏体量就越少。贝氏体相变的产物贝氏体相变产物也是a相与碳化物的两相混合物，但与珠光体不同，贝氏体不是片层状组织，且组织形态与形成温度密切相关。碳化物的分布状态随形成温度不同而异：较高温度形成的上贝氏体，其碳化物是渗碳体，一般分布在铁素体条之间；较低温度形成的下贝氏体，其碳化物既可以是渗碳体，也可以是e-碳化物，主要分布在铁素体条内部。贝氏体相变动力学贝氏体相变也是一种形核和长大过程。与珠光体相变一样，贝氏体可以在一定温度范围内等温形成，也可以在某一冷却速度范围内连续冷却转变。贝氏体等温形成时需要一定的孕育期，其等温转变动力学曲线也呈“C”字形。贝氏体相变的扩散性贝氏体相变时只有碳原子的扩散，而合金元素包括铁元素都不发生扩散，至少不发生较长距离的扩散。碳的扩散对贝氏体相变起控制作用，B上的相变速度取决于碳在g-Fe中的扩散，B下的相变速度取决于碳在a-Fe中的扩散。所以，影响碳原子扩散的所有因素都会影响到贝氏体的相变速度。一、贝氏体的组织形态和亚结构贝氏体组织形态随钢的化学成分以及形成温度不同而异，其主要形态为上贝氏体和下贝氏体两种，还有一些其他形态的贝氏体，如无碳化物贝氏体、粒状贝氏体、反常贝氏体和柱状贝氏体等。上贝氏体在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体。对于中、高碳钢来说，上贝氏体大约在350~550℃的温度区间形成。典型的上贝氏体组织在光学显微镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形。光学显微镜照片1300×电子显微镜照片5000×条状铁素体多在奥氏体的晶界形核，自晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内长大。条状铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很小，束与束之间有较大的位向差。条状铁素体的碳含量接近平衡浓度，而条间碳化物均为Fe3C型碳化物。一般情况下，随钢中碳含量增加，B上中的铁素体条增多并变薄，条间Fe3C的数量增多，其形态也由粒状变为链珠状、短杆状，直至断续条状。当碳含量达到共析浓度时，Fe3C不仅分布在铁素体条之间，而且也在铁素体条内沉淀，这种组织成为共析钢B上。随相变温度下降，B上中的铁素体条变薄，Fe3C细化且弥散度增大。B上中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮凸。B上中铁素体的惯习面为{111}g，与奥氏体之间的位向关系为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}g，与奥氏体之间也存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从奥氏体中直接析出的。值得指出的是，在含有Si或Al的钢中，由于Si和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，因此很少沉淀或基本上不沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏体的B上组织。下贝氏体在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体。对于中、高碳钢，下贝氏体大约在350~Ms之间形成。碳含量很低时，其形成温度可能高于350℃。典型的下贝氏体组织在光学显微镜下呈暗黑色针状或片状，而且各个片之间都有一定的交角，其立体形态为透镜状，与试样磨面相交而呈片状或针状。光学显微镜照片1300×电子显微镜照片5000×下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶粒内部形核。在电镜下观察可以看出，在下贝氏体铁素体片中分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以55~60°的角度与铁素体针长轴相交。通常，下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体片的内部。下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮凸，但其形状与上贝氏体组织不同。上贝氏体表面浮凸大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部延伸僻展；而下贝氏体的表面浮凸往往相交呈“Λ”形，而且还有一些较小的浮凸在先形成的较大浮凸的两侧形成。下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝氏体铁素体的亚结构与板条马氏体与上贝氏体铁素体相似，也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在。下贝氏体中的碳化物也可以是渗碳体。但当温度较低时，初期形成e-碳化物，随时间延长，e-碳化物转变为q-碳化物。由于下贝氏体中铁素体与q-碳化物及e-碳化物之间均存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从过饱和铁素体中析出的。粒状贝氏体低、中碳合金钢以一定速度冷却或在上贝氏体区高温范围内等温时可形成粒状贝氏体。如在正火、热轧空冷或焊缝热影响区组织中都可发现这种组织。粒状贝氏体在刚刚形成时，是由块状铁素体和粒状（岛状）富碳奥氏体所组成的。富碳奥氏体可以分布在铁素体晶粒内部，也可以分布在铁素体晶界上。在光学显微镜下较难识别粒状贝氏体的组织形貌，在电镜下则可看出粒状（岛状）物大部分分布在铁素体之中，常常具有一定的方向性。这种组织的基体是由条状铁素体合并而成的，铁素体的碳含量很低，接近平衡浓度，而富碳奥氏体区的碳含量则很高。铁素体与富碳奥氏体区的合金元素含量与钢的平均含量相同，这表明在粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下三种情况：部分或全部分解为铁素体和碳化物的混合物；部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪晶马氏体，故岛状物是由“g+a”所组成；或全部保留下来，成为残余奥氏体。无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体一般形成于低碳钢中，是在贝氏体相变区最高温度范围内形成的。无碳化物贝氏体由大致平行的单相条状铁素体所组成，所以也称为铁素体贝氏体或无碳贝氏体。条状铁素体之间有一定的距离，条间一般为富碳奥氏体转变而成的马氏体，有时是富碳奥氏体的分解产物或者全部是未转变的残余奥氏体。可见，钢中通常不能形成单一的无碳化物贝氏体，而是形成与其他组织共存的混合组织。反常贝氏体反常贝氏体产生于过共析钢中。这种钢在Bs点以上因有先共析渗碳体的析出而使周围奥氏体的碳含量降低，这样便促使在Bs点以下形成由碳化物与铁素体组成的上贝氏体。由于这种贝氏体是以渗碳体领先形核，和一般贝氏体以铁素体领先形核相反，故称为反常贝氏体。二、贝氏体转变的特点和晶体学由于贝氏体转变温度介于珠光体转变和马氏体转变之间，因而使贝氏体转变兼有上述两种转变的某些特点：贝氏体转变也是一个形核和长大的过程，其领先相一般是铁素体（除反常贝氏体外），贝氏体转变速度远比马氏体转变慢；贝氏体形成时会产生表面浮凸；贝氏体转变有一个上限温度（Bs），高于该温度则不能形成，贝氏体转变也有一个下限温度（Bf），到达此温度则转变终止；贝氏体转变也具有不完全性，即使冷至Bf温度，贝氏体转变也不能进行完全；随转变温度升高，转变的不完全性愈甚；贝氏体转变时新相与母相奥氏体间存在一定的晶体学取向关系。贝氏体形成时，在预先抛光的试样表面上形成浮凸，说明贝氏体转变时，铁素体是通过切变机制完成的。在转变过程中，贝氏体中的铁素体和奥氏体保持共格联系，并且贝氏体的铁素体是在奥氏体的一定晶面（惯习面）上以共格切变方式形成。上贝氏体的惯习面为{111}g，下贝氏体的惯习面一般为{225}g。同时，贝氏体转变过程中铁素体与母相奥氏体之间保持严格的晶体学位向关系。上、下贝氏体与奥氏体之间的晶体学位向存在K-S关系。此外，上、下贝氏体中渗碳体与母相奥氏体、渗碳体与铁素体之间也存在一定的位向关系。贝氏体中碳化物析出源问题贝氏体中铁素体—碳化物、奥氏体—碳化物间的晶体学关系往往被用来作为判定碳化物究竟是由贝氏体铁素体中析出，还是由奥氏体中析出的重要依据。一般认为上贝氏体中的碳化物为渗碳体，而下贝氏体中的碳化物则取决于钢的成分、形成温度以及持续时间。硅含量高时，下贝氏体中的碳化物为e碳化物。其它钢的下贝氏体中的碳化物多为两者的混合物。温度越低，持续时间越短，出现e碳化物的可能性越大。上贝氏体中碳化物是由奥氏体中直接析出（Pitsch关系为证据），下贝氏体中碳化物析出源目前还不确定，观察结果比较分散。三、贝氏体转变过程及其热力学分析（一）贝氏体转变过程贝氏体转变的两个基本过程典型的上、下贝氏体是由铁素体和碳化物组成的复相组织，因此贝氏体转变应当包含铁素体的成长和碳化物的析出两个基本过程。奥氏体中碳的再分配贝氏体中的铁素体是低碳相，而碳化物是高碳相，当贝氏体转变时，为了使领先相得以形核，在过冷奥氏体中必须通过碳原子的扩散来实现其重新分布，形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必须的浓度条件。贝氏体铁素体的形成及其碳含量在过冷奥氏体的贫碳区贝氏体的形成机理有两种观点：柯俊等人认为贝氏体铁素体是按切变方式形成；Aaronson等人认为是按台阶机理形成。碳化物相的成分和类型贝氏体中的碳化物相可能是渗碳体或e-碳化物（取决于钢的成分及转变的温度和持续时间）。由于在贝氏体转变时合金元素不发生重新分布，所以碳化物中的合金元素含量总是大致等于钢中合金元素的平均含量。（二）贝氏体转变的热力学分析贝氏体转变的驱动力贝氏体转变的热力学条件与马氏体转变相似。相变的驱动力（新相与母相之间的自由能差）必须足以补偿表面能、弹性应变能以及塑性应变能等相变阻力。贝氏体转变时，奥氏体中碳发生了再分配，使贝氏体铁素体中碳含量降低，这就使铁素体的自由能降低，从而使在相同温度下的新相与母相自由能差增加。同时，贝氏体与奥氏体间比容差小，使弹性应变能减少，而且也使周围奥氏体的协作形变能减小。这样，就不需要像马氏体转变时那样大的过冷条件下就有可能满足相变的热力学条件。Bs点及其与钢成分的关系Bs点是表示奥氏体和贝氏体间自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值时的温度，其反应了贝氏体转变得以进行所需要的最小过冷度。Bs点与钢中碳含量的关系可见教材图5-13。四、贝氏体转变机理概述贝氏体转变包括贝氏体铁素体的生长和碳化物的析出两个基本过程。目前，贝氏体铁素体的生长与碳化物的析出源问题仍有争论。铁素体的生长机理主要有切变机理和台阶机理两大学派。（一）切变机理柯俊和Cottrell最先发现贝氏体转变过程中有浮凸效应，据此认为贝氏体转变与马氏体转变相似。不同是贝氏体转变温度较高，碳原子尚有一定的扩散能力，因而当贝氏体中铁素体在以切变共格的方式长大的同时，还伴随着碳原子的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程。由于形成温度以及奥氏体的碳含量不同，贝氏体相变过程将按照不同的方式进行，从而形成不同形态的贝氏体组织，其形成过程示意图如下：当温度较高时，碳原子在铁素体和奥氏体中都有相当的扩散能力，故在铁素体片成长的过程中可不断通过铁素体—奥氏体相界面把碳原子充分地扩散到奥氏体中去，这样就形成了由板条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。由于相变驱动力小，不足以补偿在更多的新相形成时所需消耗的界面能和各种应变能，因而形成的贝氏体铁素体较少，铁素体板条较宽。当温度稍低时，碳原子在铁素体中仍可以顺利的进行扩散，但在奥氏体中的扩散不能充分进行，加之过冷度较大，相变驱动力增大，形成的贝氏体铁素体量较多，板条较为密集，这样通过铁素体—奥氏体相界面进入板条间奥氏体中的碳原子就不能充分向板条束以外的奥氏体中扩散，于是便在铁素体板条间以粒状或条状的碳化物形式析出，结果得到羽毛状的上贝氏体。转变温度越低，形成的贝氏体量越多，而且板条也越窄，上贝氏体中的碳化物也变的细小。当温度较低时，碳在奥氏体中扩散极困难，在铁素体中扩散也受到相当限制，以