第五章贝氏体相变.

第五章贝氏体相变过冷奥氏体转变高温中温低温共析钢过冷奥氏体等温转变曲线A：奥氏体P：珠光体Ｂ：贝氏体Ｍ：马氏体共析钢：概述•钢经奥氏体化后过冷到珠光体相变与马氏体相变之间的中温区时，将发生贝氏体相变，亦称为中温转变。•Fe原子难以扩散，C原子尚能扩散•相变产物：铁素体+碳化物（非层状组织）•贝氏体相变：切变共格型相变+扩散型相变的特征贝氏体（Bainite）-由来•为了纪念著名美国物理冶金学家E.C.Bain在中温转变研究方面的突出成果，20世纪40年代末将中温转变称为贝氏体相变，将相变所得到的产物称为贝氏体（Bainite）。E.C.Bain等人与1930年首次发表了这种中温转变产物金相照片；1939年，R.F.Mehl把贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体；1952年，柯俊和Conttrell发现贝氏体相变产生表面浮凸效应，提出相变的切变机制，形成“切变学派”；20世纪60年代末，美国冶金学家Aaronson等认为贝氏体相变是共析转变的变种，形成了“扩散学派”；后来人们相继在Cu-Zn、Cu-Al、Ag-Zn等合金，甚至在陶瓷中也发现了贝氏体转变。贝氏体相变的发展历史5.1贝氏体相变的基本特征1.贝氏体相变的温度范围贝氏体转变温度在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。1.贝氏体相变的温度范围•与马氏体相变一样，贝氏体相变在等温过程中也不能进行完全，总有残余奥氏体存在。•等温温度愈靠近Bs点，能够形成的贝氏体量就愈少。2.贝氏体相变的产物•贝氏体相变产物：铁素体+碳化物•与珠光体不同，贝氏体不是层片状组织，且组织形态与形成温度密切相关。•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-碳化物，主要分布在铁素体条内部；•在低、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。•碳化物的分布、状态随形成温度不同而异。•随贝氏体的形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。3.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。4.贝氏体相变的扩散性•贝氏体相变：奥氏体()铁素体（）+碳化物•相变过程必须有扩散C原子的•碳原子的扩散对贝氏体相变起控制作用–上贝氏体的相变速度取决于C在-Fe中的扩散–下贝氏体的相变速度取决于C在-Fe中的扩散•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。5.贝氏体相变的晶体学特征•表面上产生浮突现象-说明铁素体是按切变共格方式长大的。•贝氏体中铁素体存在惯习面：–上贝氏体的惯习面为{111}，–下贝氏体的惯习面一般为{225}。•贝氏体中铁素体与奥氏体之间存在K-S位向关系。•贝氏体中渗碳体与奥氏体以及贝氏体中渗碳体与铁素体之间亦存在一定的晶体学位向关系。5.2钢中贝氏体的组织形态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、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳贝氏体等。1.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。1.上贝氏体•典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形•光镜下:条状F自晶界向晶内生长，形似羽毛—羽毛状贝氏体，条间Fe3C无法分辨。1.上贝氏体•电镜下：上贝氏体组织为一束大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混合物。在条状铁素体中有位错缠结存在。•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，束与束之间则有较大的位向差。•条状铁素体的碳含量接近平衡浓度，而条间碳化物均为渗碳体型碳化物。特点:①铁素体条宽取决于转变温度和成分--C，T宽度，板条宽度大于相同温度下形成的P铁素体片；②条间位向差小，束间位向差大；③碳化物形态受含碳量影响--C，粒状链珠状短杆状，不仅分布于F板条间，还可能分布在F板条内部；④Si、Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使F条之间的A为碳所富集而趋于稳定，并保留到室温成为一种特殊的上贝氏体—准上贝氏体；⑤T渗碳体更细密1.上贝氏体⑥亚结构：位错—说明切变以滑移方式进行，形成温度位错密度；⑦具有一定晶体学取向关系和表面浮突效应；上贝氏体铁素体的惯习面为{111}，与奥氏体之间的位相关系为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}，与奥氏体之间存在Pitsch关系。1.上贝氏体AC)252//()001(3FeAC））（110//(0103FeAC）（）（455//1003Fe2.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℃2.下贝氏体•光镜下：典型的下贝氏体组织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。•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。•电镜下：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，•下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体片的内部2.下贝氏体•在光滑试样表面产生浮突，但其形状与上贝氏体组织不同。–上贝氏体的表面浮突大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部伸展;–下贝氏体的表面浮突往往相交呈形，而且还有一些较小的浮突在先形成的较大浮突的两侧形成2.下贝氏体•F中C含量：下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。•亚结构：下贝氏体铁素体的亚结构与板条马氏体和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体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在2.下贝氏体•位向关系与惯习面：–下贝氏体中铁素体与奥氏体之间的位向关系为K-S关系。–下贝氏体中铁素体的惯习面比较复杂，有人测得为{111},也有人测得为{254}及{569}。•碳化物：下贝氏体中的碳化物也可是渗碳体。但当温度较低时，初期形成ε-碳化物，随时间延长，ε-碳化物转变为-碳化物。由于下贝氏体中铁素体与-碳化物及ε-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。•低、中碳合金钢•形成条件：–连续冷却（正火、热轧空冷、焊缝热影响区）–在上贝氏体相变区高温范围内等温转变3.粒状贝氏体•形态：块状F+其内一些孤立小岛，呈粒状的富碳的A区。•光镜：较难识别粒状贝氏体的组织形貌•电镜：可看出粒状(岛状)物大都分布在铁素体之中，常常具有一定的方向性富C-ABF3.粒状贝氏体形成时：3.粒状贝氏体•贝氏体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。3.粒状贝氏体•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很高，孪晶马氏体，故岛状物是由+α所组成;–或者全部保留下来，成为残余奥氏体。4.无碳贝氏体•一般形成于低碳钢中•形成温度：在贝氏体相变区最高温度范围内形成的。•形态：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，条间一般为由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。•钢中通常不能形成单一的无碳贝氏体组织，而是形成与其他组织共存的混合组织。4.无碳贝氏体•无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮突•铁素体中也有一定数量的位错。•条状铁素体与奥氏体之间的位向关系为K-S关系，惯习面为{111}5.低碳低合金钢中的贝氏体BIBIIBIII600-500℃等温500-450℃等温上贝氏体无碳贝氏体下贝氏体450℃-Ms等温慢速连续冷却中速连续冷却快速连续冷却机械性能好5.3贝氏体相变机制•贝氏体形成–铁素体与母相奥氏体之间保持第二类共格关系–具有一定的晶体学位向关系–在光滑试样表面产生浮突**说明贝氏体中铁素体的形成是马氏体型相变–由单相的奥氏体分解为碳浓度不同的双相铁素体加碳化物，即γ→α+Fe3C，**说明贝氏体相变过程中伴随有碳原子的扩散。•因此，一般认为贝氏体相变过程是马氏体相变加碳原子的扩散。包括过冷奥氏体向贝氏体铁素体的转变以及贝氏体碳化物析出两个基本过程。转变机制两种：切变机制与台阶机制一、切变机理贝氏体转变的温度比马氏体转变时为高，此时碳原子尚有一定的扩散能力，因为当贝氏体中铁素体在以切变共格方式长大的同时还伴随着碳的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程，故整个转变过程的速度是受碳原子的扩散过程所控制的。贝氏体转变机理的概述台阶机理认为贝氏体转变的浮突与马氏体转变的不同，前者是由于转变产物的体积变化造成的，并非由切变所致。提出贝氏体铁素体的长大是按台阶机理进行，并受碳原子的扩散所控制。其示意图如图所示，台阶的水平面为-的半共格界面，但是台阶的垂直面为无序结构（非共格面），其原子处于较高的能量，因此这一界面具有较高的活动性，易于实现迁移，使台阶侧向移动，从而导致台阶宽面向前推进。二、台阶机理二、台阶机理BF1.恩金贝氏体相变假说研究中发现:•①0.23%C钢奥氏体化后在250℃等温形成下贝氏体，测得下贝氏体中铁素体的碳浓度为0.15，远远超过该温度下铁素体的饱和碳浓度。★据此认为这种铁素体实质上是低碳马氏体;•②中碳钢(0.5C-3.5Cr)在300℃等温形成下贝氏体，随贝氏体转变量增加，剩余奥氏体中的碳浓度升高。★说明在贝氏体相变过程中碳原子不断地由α相通过α/γ界面向γ相中扩散，导致剩余γ相中的碳浓度升高;•③电解分离贝氏体中碳化物，测得碳化物中合金元素含量与钢的原始含量相同。★在贝氏体相变过程中铁及合金元素原子不发生扩散。1.恩金贝氏体相变假说•在贝氏体相变发生之前奥氏体中已经发生了碳的扩散重新分配，形成了贫碳区和富碳区。•在贫碳区发生马氏体相变而形成低碳马氏体，然后马氏体迅速回火形成过饱和铁素体和渗碳体的机械棍合物，即贝氏体。•在富碳区中首先析出渗碳体，使其碳浓度下降成为贫碳区，然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体，尔后又通过回火成为铁素体加渗碳体的两相机械混合物(贝氏体)。•在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的1.恩金贝氏体相变假说但为什么在Ms点以上会有马氏体型相变发生?CC1MsT11.恩金贝氏体相变假说+解释贝氏体的形成、Bs点的意义和贝氏体中铁素体的碳浓度随等温温度变化而变化等现象•局限性：-没有解释贝氏体的形态变化和组织结构等问题。2.柯俊贝氏体相变假说G=-VGv+Sσ+EGv：单位体积奥氏体与马氏体的化学自由能差V：参与相变体积S：新相表面积σ：奥氏体与马氏体之间的表面张力E：弹性能2.柯俊贝氏体相变假说2.柯俊贝氏体相变假说•该假说认为，贝氏体相变时，α相的不断长大和碳从α相中的不断脱溶这两个过程是同时发生的，α相长大时与奥氏体保持第二类共格关系。•贝氏体的长大速度远比同类共格切变型的马氏体的长大速度低，这是因为贝氏体的长大速度受碳原子的扩散脱溶所控制。•贝氏体相变的主要驱动力是因碳脱溶而增加的化学自由能差。碳从α相中的脱溶可以有两种方式:–①碳通过相界面从α相扩散到相中;–②碳在α相内脱溶沉淀为碳化物。2.柯俊贝氏体相变假说•柯俊贝氏体相变假说能够解释:①在Ms点以上温度α相可以通过马氏体型相变机制形成;②按马氏体型相变机制形成的贝氏体的长大速度远低于马氏体