07-热处理原理之贝氏体转变

1第七章贝氏体转变2为纪念美国著名冶金学家Bain，中温转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。英文Bainite，用B表示37.1贝氏体转变的基本特征⑴B转变有一个温度范围⑵B转变产物是由α相与碳化物组成的非层片状机械混合物⑶B转变也是一个形核和长大过程⑷B转变过程中只有碳原子的扩散⑸B转变也能产生表面浮凸：M是N形，B为V形⑹B中铁素体具有一定的惯习面，并与母相A之间保持一定的晶体学位向关系（分歧重大）4⑺B转变的不完全性：一般不能进行到底；通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大随转变温度升高，转变的不完全程度增大：温度越高，A与B之间的自由能差减小，从而使得转变的驱动力减小；温度越高，越有利于碳原子的扩散而形成柯氏气团，从而增强未转变A的热稳定性。B转变的不完全：一方面，B总是优先在A中贫碳区形成，随着B转变量的增加，碳不断向A中扩散而使得未转变A中的碳浓度越来越高，从而增加A的化学稳定性而使B转变难于进行；另一方面，贝氏体的比容比A大，产生一定的机械稳定化作用，也不利于B转变的继续进行。5内容P转变B转变M转变温度范围高温中温低温转变上限温度A1BSMS领先相K或F铁素体形核部位A晶界B上在晶界B下大多在晶内转变时点阵切变无有有碳原子的扩散有有基本上无铁及合金原子的扩散有无无等温转变完全性完全视转变温度定不完全转变产物α+Fe3Cα+Fe3C(ε)α′珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征67.2贝氏体的组织形态和亚结构由于BF和碳化物的形态与分布情况多变，使B显微组织呈现为多种形态。据此，通常将B分为：下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝氏体上贝氏体、下贝氏体最常见，粒状贝氏体次之，其余的较为少见。7是一种单相组织，由大致平行的F板条组成，F板条自A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F板条之间为富碳的A。F板条较宽、间距较大，随转变温度下降，F板条变窄、间距缩小。㈠无碳化物贝氏体⑴形成温度范围在B转变的最高温度范围内形成。⑵组织形态8⑶晶体学特征及亚结构无碳贝氏体形成时也具有浮凸效应，其铁素体的惯习面为{111}γ，位向关系为K－S关系；亚结构：铁素体内有一定数量的位错。在F板条之间的富碳A，在随后的冷却过程中可能转变为P、B、M或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。9在B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在350～550℃范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。㈡上贝氏体⑴形成温度范围上贝氏体是一种两相组织，是由条状α相与粒状和条状碳化物组成的非层片状机械混合物。⑵组织形态10成束的大致平行的α相板条，自A晶粒晶界的一侧或两侧向A晶粒内部长大，粒状或条状渗碳体(有时还有残余A)分布于α相板条之间，整体呈羽毛状。11F的惯习面为{111}γ，位向关系接近于K－S关系;亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。碳含量：随碳含量的增加，B上中的α相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状转变为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于α相之间，而且可能分布于各α相内部。形成温度：随形成温度的降低，α相变薄，渗碳体更小，且更密集。⑶影响B上组织形态的因素⑷晶体学特征及亚结构12与上贝氏体一样，下贝氏体也是一种两相组织，由α相与碳化物组成。㈢下贝氏体⑴形成温度范围一般在350℃～Ms之间的低温区。⑵组织形态13α相的立体形态，呈片状或透镜片状，在光学显微镜下呈针状，与片M相似。形核部位大多在A晶界上，也有相当数量位于A晶内。碳化物为Cem或ε-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以55°～60°角度与B下的长轴相交，并且仅分布在F片内部。钢的化学成份、A晶粒度和均匀化程度，对B下的组织形态影响较小。14B下中α相的惯习面比较复杂，有人测得为{110}γ，有人测得为{254}γ及{569}γ；B下中α相与A之间的位向关系为K－S关系；亚结构：为位错，无孪晶；B下形成时也会产生表面浮凸现象，但形状与B上不同。B上中浮凸大致平行，而B下中往往相交呈“∧”形。⑶晶体学特征及亚结构15其组织是由F和富碳的A组成。⑴形成温度范围稍高于B上的形成温度⑵组织形态㈣粒状贝氏体主要存在于低、中碳合金钢中，以一定的速度连续冷却获得，如正火、热轧后的空冷、焊缝的热影响区等，后来的研究发现等温也可以形成。16F呈块状(由F针片组成)；富碳的A呈条状，在F基体上呈不连续分布。F的C%很低，接近平衡状态，而A的C%却很高。富碳A在随后的冷却过程中可能发生三种不同的转变：部分或全部分解为F和碳化物；可能部分转变为孪晶片状M，形成“M－Aˊ”组织；可能全部保留下来成为残余A。17可存在于过共析钢中形成温度在350℃稍上呈现F夹在两片渗碳体中间的组织形态㈤反常贝氏体18一般存在于高碳碳素钢或高碳中合金钢中当温度处于下贝氏体形成温度范围时出现㈥柱状贝氏体F呈放射状，碳化物分布在F内部；形成时不产生表面浮凸。19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。㈦低碳低合金钢中的BⅠ、BⅡ、BⅢBⅠ约在600～500℃之间形成，无碳化物析出；20BⅡ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。21㈠贝氏体转变过程⑴贝氏体转变的两个基本过程7.3贝氏体转变过程及其热力学分析B上、B下均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这两个基本过程；铁素体是领先相。下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝氏体两个基本过程决定了B中两个基本组成相的形态、分布和尺寸，进而决定整个B的组织形态和性能。22⑵奥氏体中碳的再分配贝氏体铁素体碳化物过冷奥氏体贝氏体必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相23A点阵常数的变化对应着碳含量的变化，碳含量增大，奥氏体的点阵常数增大。说明等温处理过程中贝氏体转变时发生了碳的再分配。等温时B转变量与持续时间的关系等温时残A的点阵常数与持续时间的关系24铁素体碳化物贝氏体过冷A必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相⑶B中F的形成及其碳含量如何形成贝氏体中的铁素体？长期以来有着种种见解25柯俊等人最早提出的BF是按切变方式形成的理论持切变机理观点的人认为，BF中的C含量是过饱和的，其含量与转变温度有关，在某一温度下形成的BF中的碳含量，应相当于以该温度为MS点的奥氏体的含碳量。奥氏体中贫碳区析出了碳化物保温过程贝氏体中的铁素体切变方式26若以亚共析钢为例：当C0成分的A被过冷到低于BS点的t温度时，它已处于Acm延长线的下侧，这意味着碳在A中处于过饱和状态。从热力学条件看，碳应具有从A中析出的倾向，因此A中必将发生碳的再分配，从而形成贫碳区和富碳区。当贫碳区的碳含量降低到MS线以左时，于是便发生马氏体转变，从而形成BF。27⑷碳化物相的成分和类型当钢中Si％较高时，由于Si强烈延缓渗碳体的沉淀，因而在B下中很难形成渗碳体，而基本是ε-碳化物。在其它钢的B下中碳化物为渗碳体与ε-碳化物的混合物，或全为渗碳体；一般地，形成温度越低、持续时间越短，出现ε-碳化物的可能性越大。碳化物中合金元素的含量≈钢中合金元素的平均含量。碳化物相渗碳体ε-碳化物上贝氏体钢的成分形成温度持续时间下贝氏体28B转变的驱动力同样是新旧两相之间的自由能之差㈡贝氏体转变的热力学分析⑴贝氏体转变的驱动力VdGVGSVG因而B转变不需要M转变那样大的过冷度B转变时A中碳发生了再分配，使F中碳含量降低导致F的自由能降低，从而ΔGV增大B与A的之间的比容差，小于M与A之间的比容差，因此ε减小29⑵BS点及其与钢成分的关系Bs点就是A和B之间的自由能差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度。高于Bs点则贝氏体转变不能进行。上式适用于下列成分的钢：C=0.1~0.55%,Cr≤3.5%,Mn=0.2~1.7%,Mo≤1.0%,Ni≤5%。钢中碳和合金元素对BS点的影响，可用下面的经验公式表示：钢中加入A稳定化元素，将使Bs点降低。307.4贝氏体转变机理铁素体碳化物贝氏体低碳相高碳相说明B相变过程中伴随有碳原子的扩散B形成时在光滑试样表面产生浮凸BF与母相A之间保持第二类共格关系并具有一定的晶体学位向关系说明BF的形成是M相变31因此，一般认为B相变是M相变加碳原子的扩散。但为什么在MS点以上会有M相变发生，这是B转变机制必须首先回答的问题。目前存在两种假说：恩金B相变假说和柯俊B相变假说。㈠恩金B相变假说恩金认为B相变属于M相变性质，由于在随后等温过程中析出碳化物而形成B，于是提出了贫富碳理论假说。该假说认为，在B发生之前，A中已经发生了C原子的扩散与再分布，形成了富碳A区和贫碳A区。32在相变过程中铁和合金元素的原子都不发生扩散贫碳A区富碳A区Ms点等温过程中贫碳A达到Ms点温度则转变为MM再分解为低C的F和碳化物所组成的B碳化物贫碳A区＋转变为M分解为B33㈡柯俊B相变假说恩金假说没有解释：B的形态变化和组织结构等问题恩金假说能够解释贝氏体的形成BS点的意义BF的C%随温度变化而变化VdGVGSVG根据相变理论，形成马氏体时系统自由能的变化为根据热力学条件，马氏体相变只有ΔG为负值，即在MS点以下时才能进行。34那么，在MS点以上温度，以M相变机制进行转变的B相变是如何满足热力学条件的呢？柯俊认为，在MS点以上温度时，若相变的进行能够使ΔGv值增大、使Vε值减小，从而使ΔG达到负值，则M相变也可以发生。VdGVGSVGB转变时A中碳发生了再分配，使F中碳含量降低导致F的自由能降低，从而ΔGV增大B与A的之间的比容差小于M与A之间的比容差，因此ε减小此外，形成温度高、长大速度慢、A强度低，都使A塑变和共格界面移动所需要克服的阻力减小。35贝氏体转变包括BF的形成以及碳化物的析出。长期以来，围绕着这两个问题进行着争论。在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争。㈢贝氏体转变的机制柯俊最先发现：B转变与M转变一样，在形成BF时也能在抛光表面引起浮凸，以后又发现魏氏铁素体形成时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即BF，BF与M一样，也是通过切变机制形成的。⑴贝氏体转变的切变机制36但由于B转变时碳原子尚能扩散，这就导致B转变与M转变的不同、以及B组织的多样性。37在BF形成后，BF中过饱和碳可以通过界面很快进入A中而使BF的碳含量降低到平衡浓度。通过界面进入A中的碳也能很快地向A纵深扩散，如果A的含碳量并不高，不会因为BF的形成而析出碳化物，因此得到的是BF及富碳A，即无碳化物B，也包括魏氏F。①高温范围的转变（无碳化物贝氏体）原A晶界BF富碳A由于温度高，初形成的F中碳的过饱和度很小，且碳在F和A中的扩散能力均很强。38通过界面由BF扩散进入A中的碳原子已不可能向A中纵深扩散，尤其是两相邻F条之间的A中的碳更不可能向外扩散。故界面附近的A，尤其是两F条之间的A中的碳将随BF的长大而显著升高，当超过A溶解度极限时，将自A中析出碳化物而形成羽毛状的B上。②中温范围的转变（上贝氏体）在350～550℃的中温范围转变时，转变初期与高温范围的转变基本一样，但此时的温度已比较低，碳在A中的扩散已变得困难。39C在BF中的过饱和度很大，又不能通过界面进入A，只能以碳化物形式在BF内部析出。随着碳含量降低，BF的自由能将下降以及比容缩小所导致的ε的下降，将使已形成的BF片进一步长大而得到B下。③低温范围的转变（下贝氏体）在350℃以下转变时，由于温度低，初形成的BF的C%高，故BF的形态已由板条状转变为透镜片状。此时，不仅C难以在A中扩散，就是在BF中也难以作较长距离的扩散。4041一般认为，在某些低碳钢中出现的粒状B，是由无碳化物B演变而来的。当无碳化物B针长大到