第六章贝氏体转变案例

第六章贝氏体转变贝氏体转变是中温转变。优点：1）使钢得到良好的综合机械性能2）减少像一般淬火产生的变形和开裂倾向。因此，研究贝氏体转变及其应用，对于改善钢的强韧性，具有重要的意义。研究贝氏体转变的意义贝氏体转变的基本特点和规律转变产物的组织形态，性能及其影响因素等转变机理（一般性介绍）相变动力学贝氏体力学性能本章主要内容贝氏体分类贝氏体转变是过冷奥氏体在“鼻温”至Ms点范围内进行的转变，又称为中温转变。上贝氏体贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。共析钢上贝氏体大约在550℃（“鼻温”）至350℃之间形成光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状贝氏体组织和性能共析钢下贝氏体大约在350℃至Ms之间形成下贝氏体光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。针与针之间呈一定的角度下贝氏体中的碳化物呈粒状或短条状弥散分布，与铁素体长轴呈55～600金相TEM贝氏体组织和性能无碳化物贝氏体Si、Al等抑制碳化物析出元素延迟碳化物形成低碳合金钢，形成贝氏体铁素体后，渗碳体尚未析出，奥氏体稳定化当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残余奥氏体而不存在碳化物时，称为无碳化物贝氏体贝氏体铁素体片条平行排列，片条间是富碳奥氏体或冷却产物贝氏体组织和性能无碳化物贝氏体粒状贝氏体F（铁素体）基体上分布着孤立的M/A（马氏体/奥氏体）小岛形成条件：低碳或中碳合金钢在一定的冷速范围内连续冷却时获得的贝氏体组织和性能粒状贝氏体贝氏体的力学性能由组织形态决定贝氏体的力学性能上贝氏体的强度较低、韧性较差下贝氏体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组织贝氏体的力学性能B的强度的影响因素1．B的F条或片的粗细－晶粒细化B晶粒（板条）直径愈小，强度愈高。强度决定于形成温度，温度愈低，强度愈高。2．弥散K质点B下中K颗粒小，颗粒数量多，对B下的贡献大；B上中K颗粒粗，且分布在F条间，分布极不均匀，所以B上的强度比B下低得多。3．其它因素的强化作用－固溶强化（程度低于M），位错强化（亚结构）C的固溶强化随着形成温度的降低，贝氏体（包括无碳B、上B和下B）铁素体中碳的过饱和程度增加，碳的固溶强化的作用也越来越显著。但与M相比，贝氏体铁素体中的碳含量要低许多，所以C的固溶强化对强度的贡献要小许多。合金元素的固溶强化与碳的固溶强化相比作用小一些。固溶强化与一般铁素体相比，无碳B、上B和下B的铁素体的位错密度都比较高，其中下B中铁素体的位错密度最大，因此强化效果最明显。位错强化强化机理􀂇低碳贝氏体的塑性总是高于高碳贝氏体，即使在相同强度条件下。可以通过降低碳含量来提高贝氏体的塑性，而通过合金元素的置换固溶强化来保证强度。􀂇当残余奥氏体主要以薄膜形式存在于贝氏体铁素体亚单元之间时，延伸率最大贝氏体的塑性贝氏体的冲击韧性合金组织为单相时，韧性主要决定于晶粒大小，当有第二相时，韧性还与第二相大小，形状和数量有关。􀂇强度高的下贝氏体的韧性比上贝氏体高，韧脆转变温度也比较低，这是因为下贝氏体中碳化物比较细小、弥散造成的。􀂇随着B形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加－这是B组织力学性能变化的重要特点。转变温度范围：介于P转变与M转变之间－中温转变转变产物：α相与K组成的两相混合物（非层状混合组织）转变过程：形核、长大的过程，需要孕育期，铁素体为领先相铁素体的成长和碳化物的析出不完全性：贝氏体等温转变与马氏体一样，也不能进行到终了扩散性：Fe原子不能扩散，C原子能扩散晶体学特征：有表面浮凸→转变以切变的方式完成晶格重构贝氏体中的铁素体以切变形式形成6.2贝氏体的转变基本特征􀂇目的：为弄清贝氏体转变机制提供线索，同时为制定与贝氏体转变有关的热处理工艺提供依据。B转变动力学6.3.1等温转变动力学B转变时C的扩散与M不同，B转变的进行依赖于碳原子的扩散。为了在A中形成低C的F，C必将向A富集，当A的C含量超过Fe3C在A中的溶解度曲线ES及其延长线时，C又将以Fe3C形式析出，使A含C量下降。中碳时，等温开始后，B转变前，A中C含量就发生了明显变化，表明在A中已出现了局部小范围的低碳区，为形成低碳的B作好了准备。以后随B转变的进行，A碳含量不断升高。􀂇C为1.18％时，孕育期和转变初期，A中C含量基本不变，随后，C含量显著下降，因为自奥氏体中析出了碳化物。􀂇C为1.39％时，在孕育期，奥氏体碳含量就有了明显下降，表明自等温一开始就析出了碳化物。影响B转变动力学的因素1）碳含量随A中C含量的增加，B转变速度下降。因为C含量高，形成B时需要扩散的C原子量增加。2）合金元素（Me)除Al、Co外，Me都或多或少地降低B转变速度，同时使B转变的温度范围下降，从而使P与B的C曲线分开。4)应力拉应力加快B转变。5)塑性变形在较高温度的形变，使B转变变慢；在较低温度的形变，使B转变加快。3)A晶粒大小与A化温度⑴晶粒大小随A晶粒增大，B转变孕育期增长，转变速度变慢。这表明A晶界是B形核的优先部位。⑵A化温度和时间随奥氏体化温度升高，时间延长，B转变速度先升后降？影响B转变动力学的因素6）冷却时在不同温度下的停留时间􀂇曲线1：在P与B转变区之间的稳定区域内的停留会加速随后的转变。因为析出了K，降低了A稳定性。曲线2：在B形成温度区域的高温区停留，形成部分B上后再冷至低温区，先形成的B会降低B转变速度。曲线3：先冷至Ms以下形成少量M或B下再升至较高温度，可使B转变速度加快。影响B转变动力学的因素切变理论B转变机制Bhadashia模型Hehemann模型B转变包括B中F的形成与K析出台阶扩散理论（Aaronson，美国冶金学家）在贝氏体形成过程，Fe和置换式原子不发生扩散，贝氏体铁素体以切变相变方式形核长大，完成面心立方结构向体心立方结构的点阵改组。􀂇铁素体长大速度高于碳的扩散速度，导致碳在铁素体中过饱和。随后多余的碳以碳化物形式从过饱和的铁素体中析出，或扩散到奥氏体中，再从奥氏体中以碳化物析出。切变理论——Hehemann模型切变理论——Hehemann模型钢中贝氏体相变过程示意图−Hehemann模型切变理论——Bhadashia模型观点：贝氏体铁素体通过亚单元的应力应变诱发形核和长大。贝氏体的形成经历了三个过程，即亚单元的重复形核、长大及碳化物的析出。􀂇切变理论的一个重要推论是当合金中的碳含量足够高时不形成上贝氏体，而合金中的碳含量足够低时不形成下贝氏体。贝氏体相变过程示意图−Bhadeshia模型切变理论——Bhadashia模型台阶扩散理论核心思想为：贝氏体是非层状共析产物，在贝氏体相变过程包括了铁和置换式原子及碳原子的扩散过程。􀂇贝氏体铁素体的形核和长大通过台阶的激发形核-台阶长大机制进行，长大过程受碳的扩散控制。􀂇在贝氏体铁素体宽面上存在生长台阶，在台阶前沿的残留奥氏体中碳富集程度高，碳化物在台阶前沿的富碳奥氏体中析出。台阶的水平面为α－γ的半共格界面，界面两侧的α、γ有一定的位向关系，在半共格界面上存在柏氏矢量与界面平行的刃形位错；台阶的端面（垂面）为非共格面，其原子处于较高的能量状态，因此有较高的活动性，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。台阶扩散理论台阶移动的速度受碳原子的扩散控制。在原有台阶消失后，必须待新的台阶形成后，长大才能继续进行。􀂇关于台阶的来源至今还未完全弄清楚。􀂇《贝氏体相变理论》－俞德刚、王世道著上海交通大学出版社，1998年出版。台阶扩散理论如何采用尽可能简单的热处理工艺获得综合性能优异的金属材料？将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺----等温淬火。工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度，使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火称为等温淬火6.6等温淬火及其应用①、等温淬火一般用于中碳以上的钢，低碳钢一般不采用等温淬火；②、等温淬火适用于尺寸较小的工件；③、等温淬火适合于处理形状复杂、尺寸精度要求较高的工具和重要的机器零件，如模具、刀具、齿轮等。④、等温淬火适合于形状复杂，要求变形小，处理后具有高硬度和强韧性的塑性和韧性的工件。⑤、常用于合金钢、高碳钢小尺寸零件及球墨铸铁件。总结T/℃时间/sA1MSMfA鼻温过冷AM+A’MPSTB上B下珠光体贝氏体马氏体共析钢过冷A等温转变的C曲线HRC25HRC25～35HRC35～40HRC45～55HRC45～65ThecompleteTTTdiagramforaniron-carbonalloyofeutectoidcompositionA:austeniteB:bainiteM:martensiteP:pearlite2、一般认为共析钢的珠光体转变的领先相是———，贝氏体转变的领先相是———。(a)渗碳体(b)铁素体(c)奥氏体(d)渗碳体和铁素体3、随着贝氏体形成温度的降低，强度逐渐———，韧性———。(a)降低，降低(b)增加，增加(c)降低，增加(d)增加，降低4、上贝氏体转变的形成温度范围是———。(a)550℃以上(b)350～550℃(c)350℃以下(d)Ms点以下5、请画出普通碳钢的TTT图，并在其上标出上、下贝氏体的形成温度范围。6、影响贝氏体强度的主要因素是什么？上、下贝氏体的性能有何不同？思考题1、贝氏体的定义为（）。2、根据碳化物分布不同，贝氏体可分为：（）、（）、（）。3、上贝氏体微观组织形貌为（），由铁素体板条和分布于板条间的渗碳体；下贝氏体微观组织形貌为（），由片状铁素体和分布于铁素体内部的碳化物组成。4、贝氏体转变机制有：（）、（）。7、（）强度较高，韧性也较好。（）强度低，韧性很差。贝氏体性能变化趋势：随着B形成温度的降低，强度和硬度（），塑性和韧性（）。8、简述等温转变动力学曲线特点。作业人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。