第5章_贝氏体转变

在下贝氏体铁素体中溶有比上贝氏体铁素体多的过饱和 碳；形成温度越低，碳的过饱和度越大。
下B中碳化物也是θ型，但形成温度低时，最初是碳化 物，时间延长，转变为θ碳化物。在含Si钢中，由于Si能 阻止θ碳化物的析出，故B转变时主要析出ε碳化物。
随钢中碳含量的增高，下贝氏体铁素体中沉淀的碳化物 量亦增多，并随形成温度的降低而更趋弥散。当钢中含有 较多稳定奥氏体的合金元素时，在铁素体基体上也可能同 时有残余奥氏体和碳化物存在。
(a)
(b)
图5-7 无碳化物贝氏体
a) 20CrMo，1150℃→535℃ ×800
b) 30CrMnSi，900℃→550℃ ×1000
5.2.2 上贝氏体
1. 形成温度范围 B转变温度区的较高温度区域，对中、高碳钢，
约550~350℃。又称为高温贝氏体。
2. 组织形态 由铁素体和碳化物（主要为渗碳体）组成的两相
5.2 贝氏体的组织形态
一般由F和组成的非层片状组织，形态受钢的化 学成分及形成温度的影响。
无碳化物贝氏体
贝氏体
上贝氏体 下贝氏体
粒状贝氏体
柱状贝氏体
5.2.1 无碳化物贝氏体
钢中含一定量硅或铝时，B组织由板条F及富碳残A组 成，F间为富碳A，F与A内均无碳化物析出，是贝氏体 的一种特殊形态。在光学显微镜下，难与一般上B区别， 只能在透射电子显微镜下区别。
5.2.3 下贝氏体
1. 形成温度范围 B转变区域的低温范围形成，约在350℃以下。碳
含量低时，形成温度可略高于350℃。又称为低温贝 氏体。
2. 组织形态 由铁素体和碳化物组成的两相非层片状混合物。
最显著的差异是F形态及碳化物的分布。 下贝氏体F的形态与M很相似，亦与奥氏体的碳含
量有关，随碳含量的变化而变化。
5.2.4 粒状贝氏体
1. 形成温度 低、中碳及其合金钢在上贝氏体转变区的上部，BS以
下。所以，粒状贝氏体是由无碳化物贝氏体演变而来 的 。稍高于上B形成温度。 2. 组织形态 组织：为铁素体和岛状物（富C奥氏体或马氏体+奥氏 体）的两相混合物，并具有浮凸效应。 特征：条状铁素体基体内沿一定方向分布一些小岛(MA岛)，小岛为富碳的奥氏体，有时还少量的碳化物。
图5-6 粒状贝氏体及其表面浮凸 A区无表面浮凸，为粒状组织
5.2.5 柱状贝氏体
1. 形成温度 产生于高碳及其合金钢中，在贝氏体转变的较低
温度转变区形成。
2. 组织形态 柱状贝氏体的概念是基于贝氏体中铁素体的形态
提出的，其中的铁素体呈放射状，碳化物沿一定方 向排列，与下贝氏体相似。柱状贝氏体不产生表面 浮凸。
金属热处理原理及工艺
第五章 贝氏体转变
5.1 贝氏体转变的基本特征 5.2 贝氏体的组织形态 5.3 贝氏体形成条件 5.4 贝氏体转变机理 5.5 贝氏体转变产物的机械性能
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温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
贝氏体转变的基本特征如下：
1. 转变有上、下限温度
B转变有上限温度BS。A须过冷到BS以下才能发生B转变，高 于该温度则不能形成。贝氏体转变也有一个下限温度，到达此 温度则转变即告终止。下限温度Bf，可高于MS，也可低于MS。
2. 转变产物为非层片状
铁素体与渗碳体两相非层片状混合组织，F形态不同于P中的 F而类似于M。B的组织形态与转变温度密切相关，包括F相的 形态、大小以及碳化物的类型及分布等。
等温温度升高，贝氏体转变的不完全程度增大。未转变的 A，随后等温，可能发生P转变，称为“二次珠光体转变”。
5. 转变的扩散性
中温区， Fe及Me原子则不发生扩散，但可发生碳原子的 扩散。碳原子可在A中，也可在F中扩散。B转变的扩散性是 指碳原子的扩散。
贝氏体转变的基本特征如下：
6. 贝氏体转变的晶体学
1. 形成温度范围： 在B转变的最高温度范围内形成。
2. 组织形态 主要由大致平行的铁素体板条组成。F板条在原A晶
界形核，成束向一侧晶粒内长大，F板条较宽，板条间 距也较大。随B形成温度降低，F板条变窄，板条间距 变小。F板条间分布富碳A。
5.2.1 无碳化物贝氏体
富碳A在随后等温和冷却中会转变为P、其它类型B或M， 也可能保持A不变，故无碳化物B不能单独存在。铁素体条 形成时在抛光表面会形成表面浮凸。亚结构为位错。
(a)
(b)
中、高碳钢下贝氏体形态 a) 45钢
b) 0.9%C-1.3%Si-1.1%Cr钢
B下中碳化物均匀分布在F内。极为细小，光镜下无法分 辨，与回火M极相似的黑色针状组织，电镜下碳化物呈短 杆状，与F长轴成55~60角的方向整齐地排列。
4360钢在345℃等温形成的下贝氏体的电镜照片
2. 组织形态
5.2.2 上贝氏体
θ形态取决于A碳含量，碳含量低时，沿条间呈不 连续粒状或链珠状分布，钢中碳含量增加时，上贝 氏体中的铁素体板条增多、变薄，铁素体板条间的 渗碳体数量增多，并由粒状变为链珠状、短杆状， 直至断续条状。当含碳量达到共析浓度时， θ不仅分 布在铁素体条之间，而且也沉淀在铁素体条内。
上贝氏体组织形态与转变温度有关，随转变温度 下降，铁素体条变薄，渗碳体细化且弥散度增大。
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1
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103
104 时间(s)
5.1 贝氏体转变的基本特征
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，又简称为中温转变。
在贝氏体转变过程中只有碳原子的扩散，而贝氏体 中的铁素体由过冷奥氏体通过与马氏体相变类似的切 变共格机制转变来的，故贝氏体相变既不是珠光体那 样的扩散型转变，也不是马氏体那样的无扩散型转变, 该转变兼有珠光体转变和马氏体转变的某些特性。
条状、片状的下贝氏体F，BF内部总有细微碳化 物沉淀，为θ或碳化物。
碳化物呈极细的片状或颗粒状，排列成行，约以 55~60与下B的长轴相交，且仅分布在F内部。
钢的化学成分，A晶粒大小和均匀化程度等对下B 组织形态影响较小。
(b) (a)
低碳钢下贝氏体形态 a) 超低碳 b) Fe-0.15%C-3.0%Mn
5.2.4 粒状贝氏体
2. 组织形态 在粒B中，F碳含量很低，接近平衡，而A碳含量则较
平均碳浓度高很多，而且各个岛中的碳含量差别极大 。 F与富碳A区的合金元素含量与平均浓度相同。粒B形成 中有碳扩散而合金元素不扩散。
富碳A继续冷却中，可能转变： （1）部分或全部分解为F和碳化物； （2）部分转变为马氏体，其余部分则成为残余奥氏体。 这种M+残留A被称为M-A组织，其中M碳含量高，常常 是高碳孪晶马氏体； （3）全部保留下来成为AR。
5.2.5 柱状贝氏体
光学显微组织（×500） 电子显微组织（×5000）
5.2.6 反常贝氏体
1. 形成温度 产生于过共析钢中，形成温度在350℃以上。
2. 组织形态 过共析钢在贝氏体形成的上限温度Bs点以上，由
于先共析的析出（一般呈魏氏形态）而使其周围 奥氏体的碳含量降低，随后铁素体在其周围形核长 大，并将包围，最终形成含有渗碳体为中脊的片 状贝氏体。
粒状贝氏体的电镜形貌
钢中还有一种组织，它由块状（等轴状）的铁素体和 分布于其中的岛状（颗粒状）富碳奥氏体（有时还有少 量碳化物）所构成，其中的块状铁素体形成时并不产生 浮凸效应，可能是由块状转变机理形成。这种复相组织 可称为粒状组织，但不是粒状贝氏体组织。
粒状组织和粒状贝氏体组织在钢中往往共存，即使在 同一个奥氏体晶粒内也可能同时出现。两者基体中的富 碳奥氏体岛没有任何区别，即使在光学显微镜下也清晰 可见，其外形一般不规则，有的近似圆形，鱼的呈不规 则的多边形，有的呈长条形。
在抛光试样表面产生表面浮凸：BF形成与母相A的宏 观切变有关，两者间维持第二类共格（切变共格）关系， BF与母相A之间存在惯习面和位向关系。
7. BF也为碳过饱和固溶体
过饱和程度随B形成温度的降低而增加，但低于M过 饱和程度。
综上：B转变与P转变、M转变既有区别，又有联系, 从扩散型转变到无扩散型转变的过渡性、交叉性， 又有自己的特殊性。
由于这种贝氏体是以领先形核，和一般贝氏体 以F领先形核相反，故称为反常贝氏体。
贝氏体形态小结
550℃
Bs
350℃ 230℃
反常贝氏体
无碳化物贝
氏体
上
贝
粒状贝氏体
氏
体
上贝氏体
下贝氏体
下
贝
氏
柱状贝氏体
体
5.3 贝氏体形成条件
5.3.1 贝氏体的转变过程
1.贝氏体转变的两个基本过程 铁素体的成长 碳化物的析出
3. 碳化物相的成分和类型
碳化物：中、高碳钢淬火马氏体低温回火过程析出的 一种亚稳定铁碳化合物，具有密排六方结构，通常认为 化学式为Fe2.4C的过渡型碳化物； 渗碳体：晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C的 一种间隙式化合物。
B上中碳化物为Fe3C型，而B下中的碳化物取决于钢的 成分、形成温度及其持续时间。当钢中硅含量较高时， 由于硅具有强烈延缓渗碳体沉淀的作用，因而在B下中 难于形成渗碳体，基本上是碳化物。在其它钢的B下中, 为渗碳体与碳化物的混合物，或全部是渗碳体。
5.2.1 上贝氏体
上贝氏体中，除FB及θ外，还可能存在未转变的残 余奥氏体AR，尤其是钢中含有Si、Al等元素时，能 抑制渗碳体析出，故AR增多。
Si、Al较多时，可延缓θ的析出，使B板条间很少 或无θ析出，由富碳的稳定的奥氏体取代，并保留到 室温，形成在条状铁素体之间夹有AR的特殊贝氏体 形态，称为准上贝氏体。
己知典型的上、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。它们决定了贝氏体中两个基 本组成相的形态、分布和尺寸，因而也就决定了整个贝 氏体的组织形态和性能。
2. 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 中必须通过碳的扩散来实现其更新分布，形成富碳区和 贫碳区，以满足新相形核时所需的浓度（成分）条件。
非层片状混合物，F 板条状成束地大体上平行地自 A 晶界向晶内生长， θ呈粒状或短杆状分布于 F板 条间，光学显微镜下呈羽毛状，又称羽毛状贝氏体。 铁素体内亚结构为位错。
5.2.2 上贝氏体
图5-1上贝氏体（500×）
图5-2 上贝氏体电镜形貌
上贝氏体组织形态 (a)Fe-0.21C-8.81Ni, 500℃-3min; (b)Fe-0.41C-8.74Ni, 450℃-3min (c)Fe-0.41C-8.74Ni, 350℃-12min; (d)Fe-0.41C-8.74Ni, 220℃-150min
0
共析碳钢C曲线分析
稳定的奥氏体区
过 冷 奥 氏
+
产
A A向产物 转变终止线
产 物 区
体 区 A向产
物
Ms 物转变开始线
区
M+AR Mf
A1 A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。
550～230℃;中温转变 区;半扩散型转变;
贝氏体( B ) 转变区;
230～﹣50℃;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。
3. 形核及长大
也是形核、长大过程，可等温形成，也可连续冷却形成。等 温转变需要孕育期，等温转变动力学曲线呈S形，等温转变图 呈“C”字形。精确测定，是由两条C曲线合并而成，表明，贝 氏体转变很可能包含两种不同的转变机制。
贝氏体转变的基本特征如下：
4. 转变的不完全性ห้องสมุดไป่ตู้
B等温转变一般不能进行到底，在B转变开始后，经过一定 时间，形成一定数量的B后，转变会停下来。换言之，A不能 全部转变为B。
在贝氏体转变的孕育期内和转变过程中，都发生碳的 再分配。但是，该过程明显地受钢中碳和合金元素含量 以及转变温度的影响。随钢中碳含量的增高，从奥氏体 中析出碳化物相的可能性增大，同时合金元素中硅、锰、 铬、镍等也依次使这种可能性增大。
在贝氏体转变时铁和合金元素原子不进行扩散，在贝 氏体转变时不会发生合金元素的再分配现象。
5.2.3 下贝氏体
在低碳钢(低碳低合金钢)中，下贝氏体呈板条状；
在高碳钢中，单独的或成堆的长成竹叶状（黑色 片状或针状），立体形态呈双凸透镜状。因此，下 贝氏体又称针叶状贝氏体。下贝氏体中的亚结构为 位错，密度约为比上贝氏体高，没有孪晶。
5.2.3 下贝氏体
2. 组织形态
由于B片间互成交角，金相显微镜下常可观察到 的“竹叶状”组织。