贝氏体相变全解
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贝氏体相变
温转变产物。因奥氏体中含碳量、合金元素及转变温度不同，钢中贝氏 体组织形态有下述几种：①上贝氏体。含碳量高于0.4%的碳素钢中，在600～ 350℃的较高温度下形成。在光镜 下为羽毛状。在电镜下，上贝氏体由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的板条状铁素体和在相邻铁素体条间存在 的不连续的、短杆状的渗碳体所组成，其铁素体的形态与亚结构和板条马氏体相似，但位错密度要低2～3个数量 级，约为10～10/cm； ②下贝氏体。在 350℃～Ms的较低温度下形成。在光镜下呈黑色针状。下贝氏体中铁素体 的形态与马氏体很相似，碳含量低时呈板条状，碳含量高时呈透镜片状，碳含量中等时两种形态兼有。与马氏体 不同，下贝氏体中铁素体的亚结构为位错型，不存在孪晶，其位错密度比上贝氏体中铁素体的高；③反常贝氏体。 出现在过共析钢中，以渗碳体为领先相；④粒状贝氏体。可能存在于一些低碳钢及低碳、中碳合金钢中，在上贝 氏体形成温度以上和奥氏体转变为贝氏体最高温度 （Bs点）以下的温度范围内形成。由块状或针状铁素体基体 以及分布在基体上的一些颗粒状小岛所组成。小岛呈不连续条形，平行排列在铁素体基体中。下贝氏体形成温度 较低，其铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀，弥散度大，所以硬度高， 韧性好，具有较好的综合性能。上贝氏体的铁素体片较宽，强韧性均差，故在生产上力求避免。
转变过程
图1贝氏体形成过程示意上贝氏体开始转变前，在过冷奥氏体的贫碳区先孕育出铁素体晶核。它处于碳过饱和 状态，碳有从铁素体中向奥氏体扩散的倾向，随着密排的铁素体条的伸长、变宽，生长着的铁素体中的碳不断地 通过界面排到其周围的奥氏体中，导致条间奥氏体的碳不断富集，当其碳质量分数足够高时，便在条间沿条的长 轴方向析出碳化物，形成典型的上贝氏体，如图1中（a）。
此外，在低中碳合金钢中，还往往会出现粒状贝氏体，其形成温度大致在上贝氏体转变温度区的上部。
转变过程
图1贝氏体形成过程示意上贝氏体开始转变前，在过冷奥氏体的贫碳区先孕育出铁素体晶核。它处于碳过饱和 状态，碳有从铁素体中向奥氏体扩散的倾向，随着密排的铁素体条的伸长、变宽，生长着的铁素体中的碳不断地 通过界面排到其周围的奥氏体中，导致条间奥氏体的碳不断富集，当其碳质量分数足够高时，便在条间沿条的长 轴方向析出碳化物，形成典型的上贝氏体，如图1中（a）。
此外，在低中碳合金钢中，还往往会出现粒状贝氏体，其形成温度大致在上贝氏体转变温度区的上部。
贝氏体转变(六)
缺陷：贝氏体转变具有表面浮凸现象，因此具有马氏体转变中 的不变平面应变的特征。后来发现，在Ti-Cr合金中铁素体的析
出伴随着帐篷形浮凸，不具有不变平面应变的特征。
二、 贝氏体的组织形态（☺）
由于转变温度的不同，贝氏体有以下几种形态：
无碳化物贝氏体 上贝氏体
下贝氏体
粒状贝氏体
柱状贝氏体
析出，所以成为反常贝氏体。
Fe3C首先在原奥氏体晶粒内部 形核长大成薄片状，随后铁素 体在其周围形核长大，并将 Fe3C包围，最终形成含有渗碳
体为中脊的片状贝氏体。
反常贝氏体
贝氏体形态小结
无碳化物贝 氏体 Bs 粒状贝氏体
550℃
上 贝 氏 体
350℃
上贝氏体
230℃
下贝氏体
TIPS：钢中的贝氏体类组织往往与钢中
σs σ0 Kd
1 2
(三) 溶质元素的固溶强化作用
形成温度越低，过饱和度增大，固溶强化作用大，强度高。
（四）位错亚结构密度
形成温度越低，位错密度越高，强度越高。
2. 贝氏体的韧性 下贝氏体的韧性高于上贝氏体 主要原因：
上贝氏体存在粗大的碳化物颗粒或断续的条状碳化物，也
可能存在高碳马氏体区，容易形成大于临界尺寸的裂纹。
典型固态相变之【贝氏体转变】………..
第六节 贝氏体相变
贝氏体转变：在过冷奥氏体到珠光体和马氏体转变之间的中温转变。 （碳钢的BS约为550℃左右）
转变产物称为贝氏体，记为B，是铁素体和碳化物组成的非片层状的机 械混合物。
主要特点：贝氏体中的铁素体相形成是无扩散的，按照马氏体转变的切变
机制进行，而碳化物的析出则是通过扩散进行的，因此贝氏体转变又称为半 扩散型转变。
原理第8章贝氏体转变
实验结论与讨论
实验结论
通过对比实验结果和理论分析，得出 贝氏体转变的规律和特点，以及其对 材料性能的影响。
实验讨论
探讨实验中存在的误差和不足之处， 提出改进措施和建议，为进一步研究 贝氏体转变提供参考和借鉴。
05 贝氏体转变的应用前景
新材料开发
高强度材料
利用贝氏体转变过程中材料的强化机制，开发高强度、高韧性、 高耐磨性的新材料。
贝氏体呈现薄膜状或针状形态。
温度对贝氏体性能的影响
03
随着温度的升高，贝氏体的强度和韧性有所下降，但塑性和韧
性有所提高。
应力的影响
01
应力诱导贝氏体转变
在应力作用下，材料内部的位错密度增加，促进了贝氏体转变的进行。
02
应力对贝氏体组织形态的影响
在应力作用下，贝氏体的形态变得更加细小、均匀，有利于提高材料的
贝氏体转变（第八章）
目录
• 贝氏体转变概述 • 贝氏体转变的机理 • 贝氏体转变的影响因素 • 贝氏体转变的实验研究 • 贝氏体转变的应用前景 • 总结与展望
01 贝氏体转变概述
贝氏体的定义
贝氏体是钢在奥氏体化后，在特定的 温度范围内（通常是低于马氏体转变 温度）进行等温或连续冷却转变时形 成的一种相变产物。
合金元素对贝氏体性能的影响
合金元素可以通过改变贝氏体的微观结构和相组成来影响其性能，如提高强度、韧性和耐 腐蚀性等。
04 贝氏体转变的实验研究
实验方法与设备
实验材料
选择具有代表性的钢铁材料作为 实验材料，如碳钢、合金钢等。
实验设备
包括加热炉、显微镜、硬度计、热 分析仪等。
实验方法
采用不同的加热和冷却速率对实验 材料进行加热和冷却处理，观察并 记录贝氏体转变过程中的组织变化 和性能变化。
贝氏体相变全解(共73张PPT)
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； ④ Si、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
第17页，共73页。
1. 上贝氏体
第10页，共73页。
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。
• 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
第20页，共73页。
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。
第28页，共73页。
4. 无碳贝氏体
• 无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮突 在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的
②在贝氏体形成温度范围的高温区停留，形成部分上贝氏体后再冷却至贝氏体相变的低温区(曲线2)时，将使下贝氏体相变的孕育期延长，降 低其转变速度，减少最终贝氏体转变量。
• 铁素体中也有一定数量的位错。 原因：高温变形时可能产生两种相反的作用:一方面，塑性变形使奥氏体的晶体缺陷密度增高，有利于碳的扩散，故使贝氏体相变加速; 另一方
F板条间，还可能分布在F板条内部； ④ Si、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
第17页，共73页。
1. 上贝氏体
第10页，共73页。
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。
• 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
第20页，共73页。
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。
第28页，共73页。
4. 无碳贝氏体
• 无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮突 在相变过程中铁及合金元素的原子是不发生扩散的
②在贝氏体形成温度范围的高温区停留，形成部分上贝氏体后再冷却至贝氏体相变的低温区(曲线2)时，将使下贝氏体相变的孕育期延长，降 低其转变速度，减少最终贝氏体转变量。
• 铁素体中也有一定数量的位错。 原因：高温变形时可能产生两种相反的作用:一方面，塑性变形使奥氏体的晶体缺陷密度增高，有利于碳的扩散，故使贝氏体相变加速; 另一方
贝氏体相变
3. 无碳化物贝氏体
在靠近 BS 的温度处形成，由平行
板条铁素体束及板条间未转变的富
碳奥氏体组成。
§5.3贝氏体转变的特点
（ 1 ）贝氏体转变速度比马氏体转变速 度慢得多。
（2）贝氏体转变的不完全性 等温温度降至某一温度时，奥氏体可 以全部转变为贝氏体； 等温温度即使降到很低的温度，仍不 能完全转变，仍有部分奥氏体残留下来。
随奥氏体化温度和保温时间的增加，贝 氏体转变速度先降后增。
（三）应力和塑性变形的影响 拉应力加快贝氏体转变。 在较高温度的形变使贝氏体转变 速度减慢；而在较低温度的形变却 使转变速度加快。
（四）冷却时在不同温度下停留的影响
图5-13 冷却时不同温度停留的三种情况
① 曲线1：在珠光体相变与贝氏体相 变之间的过冷奥氏体稳定区停留， 会加速随后的贝氏体转变速度。
贝氏体转变产物为 α 相与碳化物的两 相混合物，为非层片状组织。 α 相（即贝 氏体铁素体BF）形态类似于马氏体而不同 于珠光体中的铁素体。
3. 贝氏体转变通过形核及长大方式进行
贝氏体长大时，在平滑试样表面有浮凸现象发生，
这说明α -Fe可能按共格切变方式长大。
相变时C扩散重新分配，α 相长大速度受钢中C的
第五章 贝氏体相变
美国冶金学家 Edgar C. Bain
(Sept. 14, 1891 -- Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation
贝氏体 -- Bainite
奥氏体：austenite 珠光体：pearlite 马氏体：martensite 贝氏体：bainite 铁素体：ferrite 渗碳体：cementite
6. 转变的晶体学特征
贝氏体相变课件
第二节 贝氏体组织形态和晶体学 贝氏体有下列主要的组织形态： 一. 无碳化物贝氏体 在靠近BS的温度处形成这种贝氏体，是由F+A组成。 其形态可见图，是在A晶界上形成了F核后，向晶内 一侧成束长大，形成的平行的板条束，条间为富碳 的A，板条宽度随转变温度下降而变窄. 继续冷却，A可能转变为M、P、B (其他类型)或保留 至室温。F条形成时在抛光表面会形成浮凸. B与A的位向关系为K-S关系变的动力学的主要因素 1. 碳含量的影响 A中碳含量的增加，转变时需扩散的原子量 增加，转变速度下降。 2. 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响 奥氏体晶粒越大，晶界面积越少，形核部位 越少, 孕育期越长, 贝氏体转变速度下降; 奥 氏体化温度越高，奥氏体晶粒越大，转变 速度先降后增。
2. 上贝氏体转变 (中温范围转变，在350550℃之间)，组织为F+ Fe3C. (1) 在A中贫碳区形成F核; (2) 碳越过F/A界面向A扩散; (3) 由于温度降低，碳不能进行远程扩散，而在A界面附近堆积， 形 成Fe3C; (4) 同时F长大，形成羽毛状上贝氏体. 可见, 上贝氏体的转变速度受碳 在A中扩散控制。 整个过程可见图。
四. 转变的不完全性 转变结束时总有一部分未转变的A，继续冷却 A→M，形成B+M+AR组织，其中AR为残余A。 五. 扩散性 转变形成高碳相和低碳相，故有碳原子扩散，但 合金元素和铁原子不扩散或不作长程扩散。 六. 晶体学特征 贝氏体形成时，有表面浮突，位向关系和惯习面 接近于M。总之，贝氏体转变的某些特征与P相似， 某些方面又与M相似。
冷却过程中的几种转变的主要特征见下表。
珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征
内容 温度范围 转变上限温度 领先相 珠光体转变 高温 A1 渗碳体或铁素体 贝氏体转变 中温 BS 铁素体 马氏体 转变 低温 MS
贝氏体相变
贝氏体相变的机械性能
影响贝氏体机械性能的主要因素： 贝氏体中铁素体的影响 符合Hall-Petch关系，铁素体的晶粒 大小主要取决于奥氏体晶粒大小和形成温度。且碳含量高于平 均碳含量，形成温度越低，碳的过饱和度就越大，强度和硬度 越高，但脆性越大。亚结构的影响。 贝氏体中渗碳体的影响 根据弥散强化机理，碳化物的颗粒大 小和数量、形态将影响其性能。 其它因素的影响 奥氏体化温度。 贝氏体的强度和硬度
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，其示 意图如下：
贝氏体相变机制
贝氏体相变动力学
贝氏体相变动力学及其影响因素
贝氏体相变动力学
贝氏体相变时碳的扩散 贝氏体相变是在碳原子还能进行扩散的中温区发生的。与
马氏体相变不同，贝氏体相变主要是受碳的扩散所控制。
贝氏体相变机制
根据热力学条件，马氏体相变只在△G为负值，即在Ms点以下 才能进行。那么，在Ms点以上以马氏体相变机制进行转变的贝 氏体相变是如何满足热力学条件的：
贝氏体相变机制
柯俊贝氏体相变假说能够解释： 在Ms点以上温度a相可以通过马氏体型相变机制形成 按马氏体型转变机制形成的贝氏体的长大速度远低于马氏体 的长大速度； 在 贝氏体的形成过程
根据形成温度的不同和钢的化学成分的不同，可以形成两种形 态的贝氏体，上贝氏体和下贝氏体。 在贝氏体形成温度较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体；
形成温度约为：350-550℃.
贝氏体相变的基本特征
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， 椭圆或矩形状。在电镜下观察时可以看到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。
贝氏体转变知识讲解
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
上贝氏体的显微组织（P207）
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线
ε-碳化物：六方点阵，成分不固定，以FexC表示。 下贝氏体的显微组织（P208）
粒状贝氏体的显微组织（P208）
等温转变温度对共析钢机械性能的影响
共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线 共析钢的过冷奥氏体连续冷却转变曲线
贝氏体转变特点
1、贝氏体转变热力学特点（P209）
贝氏体形成的热力学条件---△G ＜ 0
奥氏体形成时系统总的自由能变化为
△G = △GV + △GS + △Ge
△GV---体积自由能差（动力）
△GS ---表面能
（阻力，较小）
△Ge---弹性应变能
（阻力，较小）
T < Bs
贝氏体上限温度
贝氏体转变与马氏体点的关系（P209）
贝氏体转变的动力学特点 (P210)：
(1) 铁素体形核、晶核长大： C在A中出现贫碳区
→ F形核（领先相） → C浓度起伏 → 晶核长大
贝氏体转变的动力学特点(P210)： (2) 碳化物析出（F条间或内部）：
F中过饱和的C向A中扩散---碳化物F条间或内部析出
贝氏体转变示意图
a)无碳贝氏体; b)上贝氏体; c)下贝氏体
抗拉强度σb，MPa 30CrMnSi钢经等温淬火和淬火、回火后的抗拉强度和冲击韧性
第二相强化/复相强化：
在热处理过程中，由于第二相的析出，使材料的强度增高的现象。
粒状贝氏体的显微组织（P208）
粒状贝氏体内小岛面积对强度的影响
（每个原奥氏体晶粒） （钢的化学成分：WCr=1%；WMn=0.5%；微量B）
片状珠光体： 组织：( F + 片状渗碳体) 性能：较高的强度，较好的塑韧性
贝氏体相变分析
贝氏体相变分析根据式（4-22）和式（4-23）可估算出22MnB5钢板贝氏体相变开始温度（B s）和马氏体相变开始温度（M s）分别为848K和648K。
为使得形变过程中不至于发生形变诱导铁素体相变和马氏体相变，故变形温度定为B s以下及M s以上的773K 和693K。
图4-10所示为22MnB5钢板试样在773K和693K变形后的光学金相图，应变速率为0.1/s，冷却速率为30K/s。
图4-11所示为相应试样的硬度，硬度随着试样应变量的增加而降低；且同等应变量条件下，在693K下变形的试样硬度高于773K下变形的试样硬度。
相变开始温度如下式估算：B=656-58C-35Mn-75Si-15Ni-34Cr-41Mo （4-22）sM=561-474C-35Mn-17Ni-17Cr-21Mo （4-23）s式中，B s、M s单位为℃。
根据Zhang和Boyd关于低碳钢形变奥氏体中贝氏体相变的研究报道，所形成的不同贝氏体的特征区别主要在于形核是在原形变奥氏体的晶间还是晶粒内部形核，前者为传统贝氏体（Conventional Bainite，CB），后者为针状铁素体（Acicular Ferrite，AF）。
当然，形变奥氏体相及未形变的奥氏体相均可产生AF。
CB多以平行的铁素体板条组长大，而AF是以方向随机分布的铁素体板条长大，并通常伴有离散的M/A（马氏体/奥氏体，Martensite/Austenite constituent）岛。
由于AF是以切变机制（displacive mechanism）形成[46]，因此也是一种贝氏体。
从图4-1a可知，由于温度较低，流动应力和奥氏体中引入的变形储能迅速上升，大大缩短了相变孕育时间，促进了AF的转变。
由于AF是以切变机制形成，其形核与转变过程比CB快得多，奥氏体晶粒内部的大量的位错胞（disloca-tion cell）为AF的形核提供了场所[47]。
贝氏体相变ppt
THANKS
贝氏体相变的物理机制。
新型贝氏体相变材料的探索
基于对现有贝氏体相变材料的深入研究，开发新型的 贝氏体相变材料，如具有高相变温度、高储能密度、 长寿命等优点的材料，为新能源领域的应用提供更多 选择。
通过合成方法创新和材料设计优化，提高贝氏体相变 材料的相变可逆性、稳定性以及循环寿命，以满足新 能源领域对储能材料的高标准要求。
屈服强度
随着应力的增加，材料的屈服强度也会相应提高 。
延伸率
随着应力的增加，材料的延伸率会相应降低。
合金元素的影响
碳元素
碳元素对贝氏体相变的影响最为显著，随着碳含量的增加，贝氏体的形成量减少，转变温度降低。
合金元素
一些合金元素（如锰、硅、磷等）也会对贝氏体相变产生影响，它们可以改变贝氏体的形成速度和稳 定性。
贝氏体相变通常发生在钢铁等金属材料中，来自可以在陶瓷和其他材料中 观察到。
贝氏体相变是一种非扩散性相变，这意味着原子在相变过程中不会像在 扩散性相变中那样移动到新的位置。
贝氏体相变的类型
根据转变温度和转变机制的不同，贝氏体相变可 以分为三种主要类型：铁素体、马氏体和珠光体 。
马氏体贝氏体相变发生在较高的温度下，涉及γFe（奥氏体）到α'-Fe（马氏体）的转变。这种转 变通常伴随着体积的减小和晶格常数的变化。
电子器件
利用贝氏体相变的磁性变化，可以制造出新型电子器件，如磁随机存储器等。
功能材料
传感器
由于贝氏体相变过程中材料内部的晶体结 构发生变化，可以引起材料物理性质的变 化，因此可以用于制造传感器。
VS
光学材料
贝氏体相变过程中可能会产生光学效应， 如颜色变化等，因此可以用于制造光学材 料。
05
贝氏体相变的物理机制。
新型贝氏体相变材料的探索
基于对现有贝氏体相变材料的深入研究，开发新型的 贝氏体相变材料，如具有高相变温度、高储能密度、 长寿命等优点的材料，为新能源领域的应用提供更多 选择。
通过合成方法创新和材料设计优化，提高贝氏体相变 材料的相变可逆性、稳定性以及循环寿命，以满足新 能源领域对储能材料的高标准要求。
屈服强度
随着应力的增加，材料的屈服强度也会相应提高 。
延伸率
随着应力的增加，材料的延伸率会相应降低。
合金元素的影响
碳元素
碳元素对贝氏体相变的影响最为显著，随着碳含量的增加，贝氏体的形成量减少，转变温度降低。
合金元素
一些合金元素（如锰、硅、磷等）也会对贝氏体相变产生影响，它们可以改变贝氏体的形成速度和稳 定性。
贝氏体相变通常发生在钢铁等金属材料中，来自可以在陶瓷和其他材料中 观察到。
贝氏体相变是一种非扩散性相变，这意味着原子在相变过程中不会像在 扩散性相变中那样移动到新的位置。
贝氏体相变的类型
根据转变温度和转变机制的不同，贝氏体相变可 以分为三种主要类型：铁素体、马氏体和珠光体 。
马氏体贝氏体相变发生在较高的温度下，涉及γFe（奥氏体）到α'-Fe（马氏体）的转变。这种转 变通常伴随着体积的减小和晶格常数的变化。
电子器件
利用贝氏体相变的磁性变化，可以制造出新型电子器件，如磁随机存储器等。
功能材料
传感器
由于贝氏体相变过程中材料内部的晶体结 构发生变化，可以引起材料物理性质的变 化，因此可以用于制造传感器。
VS
光学材料
贝氏体相变过程中可能会产生光学效应， 如颜色变化等，因此可以用于制造光学材 料。
05
第6章 贝氏体相变
2. 中温区的贝氏体相变
•
•
相变温度范围：350~550C
碳的扩散能力下降，碳在铁素体中有一定的扩散能力， 但在奥氏体中的扩散困难； 铁素体条间的奥氏体的碳浓度升高到一定时将析出渗 碳体，形成上贝氏体——平行的条状铁素体加断续的 渗碳体。
•
•
B上的转变速度受碳在奥氏体中的扩散控制。
3. 低温区的贝氏体相变
恩金假说解释了贝氏体
的形成、Bs点的意义、 碳浓度的变化等。
二、柯俊贝氏体相变假说 形成马氏体自由能：
ΔG= - V• ΔGV + S + E
在Ms点以上，若能使 ΔGV增大，使E减小，则 可发生马氏体相变。 如果相变时有碳的脱溶， 则由高碳奥氏体转变为 低碳马氏体。
结
论：
相的长大和碳从相中脱溶是同时发生的。 因为贝氏体的长大速度受碳原子的扩散脱溶所控制， 所以贝氏体的长大速度远小于马氏体的长大速度。 贝氏体相变的驱动力主要是碳脱溶所增加的化学自由 能差。 在Ms点以上温度相可以通过马氏体型相变机制形成； 贝氏体的长大速度远小于马氏体的长大速度；
4.无碳化物贝氏体
4. 无碳化物贝氏体
形成于低碳钢中； 相变温度：贝氏体相变区最高温度范围内形成； 显微组织：由大致平行的、有一定距离的单相条 状铁素体和条间的马氏体（或残余奥氏体）所组 成；
形成时会出现表面浮凸，亚结构为位错
与奥氏体间的位向关系为K-S关系，惯习面为 {111}，
电镜下的组织： 一束大致平行分布的条状铁 素体(BF)和夹于条间的断续 条状碳化物。条间位相差很 小，束间位相差较大。
形核位置：条状BF在A的晶 界处形核，亚结构为位错。
贝氏体相变
贝氏体相变机制
电离合金碳化物，发现合金百分数与钢中的一样。
贝氏体相变机制
柯俊贝氏体相变假说 根据相变理论，形成马氏体时系统自由能的总变化为：
因奥氏体与马氏体比容不同而产生的应变能； 维持两相共格所需的切变弹性能； 在奥氏体中产生塑性变形所需的能量； 共格界面移动时克服奥氏体中障碍所消耗的能量。
表明上、下贝氏体相变扩散 过程中激活能是不同。
贝氏体相变动力学
因此可以认为，上贝氏体铁素体的长大速度主要取决于其 前沿奥氏体中碳的扩散速度；而下贝氏体相变的速度，则取 决于铁素体内碳化物沉淀的速度。 影响贝氏体相变动力学因素： 化学成分的影响 随着碳含量的增大，C曲线右移，而且 鼻尖温度下移。合金元素中，Co和Al加速贝氏体相变速度以 外，其它都推迟，且温度范围下移。 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响 奥氏体晶界是相 变的优先形核位置。 应力和塑性变形的影响 拉应力使相变速度增加，特别是 超过了屈服强度时，效果显著。形变的影响极为复杂，高温 时，
贝氏体相变的性能
贝氏体的韧性 韧性是高强度材料的一项重要指标。在上、下贝氏体中，下贝 氏体的冲击韧性要比上贝氏体的韧性好得多。 在上贝氏体中存在粗大碳化物颗粒或断续条状碳化物，也可 能存在高碳马氏体。 下贝氏体组织中，较小的碳化物颗粒不易形成裂纹。
贝氏体相变
贝氏体相变
贝氏体相变
贝氏体相变的基本特征
下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量，亚结构也是 缠结位错，同样也与母相保持着K-S位向关系。下贝氏体中的碳 仳物也可是渗碳体，在温度较低时，初期形成ε碳化物，随时 间延长转为θ碳化物。 粒状贝氏体
粒状贝氏体通常是在低碳或中碳合金钢中在一定的冷却速度 范围内连续冷却时获得的。
贝氏体相变机制
第十一章贝氏体相变
（1）上贝氏体
A 无碳化物贝氏体
A
➢BF核在A晶界上形成后， 原奥氏体晶
A
BF
向晶内一侧成束长大。
界
➢板条比较宽，板条间距离 也较大，且两者均随形成温 度的下降而变小。
➢板 条 间 为 富 碳 的 A ， 在 随 后冷却时转变为M或保留至 室温成为AR 。
BF与奥氏体的位向关系为K-S关系， 惯习面为{111}A
(a)
(b)
(a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
✓ 形核部位在奥氏体晶界或晶内。
✓各个贝氏体之间都有一定的交角，立体形貌 呈透镜片状。
✓针状或片状贝氏体铁素体内分布呈一定角度 排列的ε-碳化物。
✓BF中碳含量远远高于平衡碳含量，亚结构为 缠结位错，密度高于上BF，不存在孪晶。
Fe3C
上贝氏体的形成机理示意图
上贝氏体的转变速度受碳在奥氏体中 的扩散所控制。随形成温度的降低，条 状铁素体变薄，条间析出的渗碳体颗粒 细化。
（四）下贝氏体的形成机理
低温范围转变， < 350℃。
(a)
(b)
(a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
（四）下贝氏体的形成机理
§11.2 贝氏体相变的热力学条件、相变机理
§11.2.1 贝氏体相变的热力学条件
贝氏体相变的驱动力也是化学自由能差。 铁素体的Gibbs自由能随着碳过饱和度的 增加而增加。
Ms
Bs
奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系
影响贝氏体相变驱动力的因素：
由于碳在BF中的不断脱溶，增加了 新相与母相间的自由能差（ΔG）。 BF中碳的脱溶还使其比容降低，从 而减少作为相变阻力的比容应变能，这 些都会促进BF的进一步长大。
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Βιβλιοθήκη 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
➢ 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。
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。
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。
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 ）。
贝氏体相变的发展历史
➢ E.C.Bain 等 人 与 1930 年 首 次 发 表 了 这 种中 温 转 变产 物 金
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
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。
1. 上贝氏体
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； ④ Si、Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使F条之间的A为碳所
• 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。
• 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，
（100）Fe3C /（/ 554）A （010）Fe3C //(110）A
(001)Fe3C //(225)A
2.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
• 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350550℃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。
第五章 贝氏体相变
共析钢： 过冷奥氏体转变
高温 中温
A：奥氏体 P：珠光体
Ｂ：贝氏体
低温
Ｍ：马氏体
共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
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+
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”；
• 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
• 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
➢ 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。
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。
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。
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 ）。
贝氏体相变的发展历史
➢ E.C.Bain 等 人 与 1930 年 首 次 发 表 了 这 种中 温 转 变产 物 金
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
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。
1. 上贝氏体
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； ④ Si、Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使F条之间的A为碳所
• 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。
• 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，
（100）Fe3C /（/ 554）A （010）Fe3C //(110）A
(001)Fe3C //(225)A
2.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
• 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350550℃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。
第五章 贝氏体相变
共析钢： 过冷奥氏体转变
高温 中温
A：奥氏体 P：珠光体
Ｂ：贝氏体
低温
Ｍ：马氏体
共析钢过冷奥氏体等温转变曲线
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+
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”；
• 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