贝氏体

第四章贝氏体转变在珠光体转变与马氏体转变温度范围之间，过冷奥氏体将按另一种转变机制转变。

由于这一转变在中间温度范围内发生，故被称为中温转变。

在此温度范围内，铁原子已难以扩散，而碳原了还能进行扩散，这就决定了这一转变既不同于铁原子也能扩散的珠光体转变以及碳原子也基本上不能扩散的马氏体转变。

一般是铁素和碳化物所组成的非层片状组织。

钢中贝氏体转变首先由美国著名冶金学家Bain等人于1930年作了研究和阐述，因此这种转变被命名为贝氏体转变，转变所得产物则被称为贝氏体。

我国柯俊教授在这方面亦曾信信作过有益的贡献，他和他的合作者发表的论文至今仍在国内外广为援引。

贝氏体转变既具有珠光体转变，又具有马氏体转变的某些特征，是一个相当复杂的到目前为止还研究得很不够的一种转变。

由于转变的复杂性和转变产物的多样性，致使还未完全弄清贝氏体转变的机制，对转变产物贝氏体也还是无法下一个确切的定义。

虽然我们对贝氏体转变了解得还很不够，但贝氏体转变在生产上却很重要，因为在低温度范围内，通过贝氏体转变所得的下贝氏体具有非常良好的综合力学性能，而且为获得下贝氏体组织所采取的等温淬火工艺或连续冷却工艺均可减少工件的变形和开裂。

为了获得贝氏体，除了采用等温淬火的方法以外，也可在钢中加入合金元素，冶炼成贝氏体钢，如我国的14CrMnMoVB和14MnMoVB等。

这类钢在连续冷却条件下即可得到贝氏体。

因此，对贝氏体转变进行研究和了解，不仅具有理论上的意义，而且还有着重要的实际意义。

考虑到贝氏体转变的复杂性，也考虑到对贝氏体转变机制还存在很多争议，这里首先着重介绍贝氏体转变的一些基本现象，在弄清楚基本现象的基础上，对目前还在争论中的贝氏体转变机制作一般介绍。

§4-1贝氏体转变基本特征贝氏体转变兼有珠光体转变与马氏体转变的某些特征。

归纳起来，主要有以下几点：一、贝氏体转变温度范围对应于珠光体转变的A1点及马氏体转变的M S点，贝氏体转变也有一个上限温度B S点。

奥氏体必须过冷到B S以下才能发生贝氏体转变。

合金钢的B S点比较容易测定，碳钢的B S 点由于有珠光体转变的干扰，很难测定。

贝氏体转变也有一个下限温度B f点，但B f与M f 无关，即，B f可以高于M S，也可以低于M S。

二、贝氏体转变产物与珠光体转变一样，贝氏体转变产物也由α相与碳化物组成的两相机械混合物，但与珠光体不同，贝氏体不是层片状组织，且组织形态与转变温度密切相关，其中包括α相的形态、大小以及碳化物的类型及分布等均随转变温度而异，就α相形态而言，更多地类似于马氏体而不同于珠光体。

因此，Hehemann称贝氏体为铁素体与碳化物的非层状混合组织。

Aaronson 则称之为非层状共析反应产物或非层状珠光体变态。

可以看出，Aaronson强调的是贝氏体转变与珠光体转变一样，都是共析转变，只是因为转变温度不同而导致转变产物的形态不同。

需要特别指出，在较高温度范围内转变时所得的产物中虽然无碳化物而只有α相，但从转变机制考虑，仍被称为贝氏体。

三、贝氏体转变动力学贝氏体转变也是一个形核及长大的过程，可以等温形成，也可以连续冷却形成。

贝氏体等温形需要孕育期，等温转变动力学曲线也呈S形，等温形成图也具有“C”字形。

应当指出，精确测得的贝氏体转变的C曲线，明显地是由两条C曲线合并而成的，这表明，中温转变很可能包含着两种不同的转变机制。

四、贝氏体转变的不完全性贝氏体等温转变一般不能进行到底，在贝氏体转变开始后，经过一定时间，形成一定数量的贝氏体后，转变会停下来。

换言之，奥氏体不能百分之百地转变为贝氏体。

这种现象被称为贝氏体转变的不完全性，也称为贝氏体转变的自制性。

通常随着温度的升高，贝氏体转变的不完全程度增大。

未转变的奥氏体，在随后的等温过程中，有可能发生珠光体转变，称之为二次“珠光体转变”。

五、贝氏体转变的扩散性由于贝氏体转变是在中温区，在这个温度范围内尚可进行原子的扩散，因此，贝氏体转变中存在着原子的扩散。

一般认为，在贝氏体转变过程中，只存在着碳原子的扩散，而铁及合金元素的原子是不能发生扩散的。

碳原子可以在奥氏体中扩散，也可以在铁素体中扩散。

由此可见，贝氏体转变的扩散性是指碳原子的扩散。

六、贝氏体转变的晶体学在贝氏体转变中，当铁素体形成时，也会在抛光的试样表面上产生“表面浮凸”。

这说明铁素体的形成同样与母相奥氏体的宏观切变有关，母相奥氏体与新相之间维持第二类共格（切变共格）关系，贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之间存在着一定的惯习面和位向关系。

七、贝氏体中铁素体的碳含量贝氏体中铁素体的碳含量一般也是过饱和的，而且随着贝氏体形成温度的降低，铁素体中碳的过饱和程度越大。

由上述主要特征可以看出，贝氏体转变在某些方面与珠光体转变相类似，而要某些方面又与马氏体转变相类似。

§4-2 贝氏体的组织形态和晶体学贝氏体的组织形态随钢的化学成分及形成温度的变化而变化。

贝氏体按组织形态的不同区分为无碳化物贝氏体，上贝氏体，下贝氏体，粒状贝氏体以及柱状贝氏体等。

由于目前对贝氏体的组织形态的划分还没有统一的标准，所以还有一些其它贝氏体形态的报导。

这里仅对最主要的无碳化物贝氏体，上贝氏体，下贝氏体以及粒状贝氏体等的组织形态进行讨论。

一、无碳化物贝氏体（B无）无碳化物贝氏体由板条铁素体束及未转变的奥氏体组成，在铁素体之间为定富碳的奥氏体，铁素体与奥氏体内均无碳化物析出，故称为无碳化物贝氏体，是贝氏体的一种特殊形态（图4-1）。

1、形成温度范围在贝氏体转变的最高温度范围内形成。

2、组织形态是一种单相组织，由大致平行的铁素体板条组成。

铁素体板条自奥氏体晶界处形成，成束地向一侧晶粒内长大，铁素体板条较宽，板条之间的距离也较大。

随着贝氏体的形成温度降低，铁素体板条变窄，板条之间的距离也变小。

在铁素体板条之间分布着富碳的奥氏体。

由于铁素体与奥氏体内均无碳化物析出，故称为无碳化物贝氏体。

富碳的奥氏体在随后的等温和冷却过程中还会发生相应的变化，可能转变为珠光体、其它类型的贝氏体或马氏体，也有可能保持奥氏体状态不变。

所以说无碳化物贝氏体是不能单独存在的。

3、晶体学特征及亚结构无碳化物贝氏体中的铁素体形成时也能在抛光试样表面形成浮凸。

惯习面为{111}A ，铁素体与母相奥氏体的位向关系为K-S 关系。

魏氏组织铁素体在形成时也能引起浮凸，惯习面{111}A ，也是位向关系也是K-S 关系，形态也与无碳化物贝氏体铁素体极其相似，因此多数人认为魏氏组织铁素体即无碳化物贝氏体。

(a) (b)(c)图4-1 无碳化物贝氏体a) 20CrMo ，1150℃→535℃ ×800 b) 30CrMnSi ，900℃→550℃ ×1000c)在铁素体内存在着一定数量的位错，位错密度较低。

二、上贝氏体（B 上）1、 形成的温度范围在贝氏体转变区的较高温度区域内形成，对于中、高碳钢，上贝氏体大约在350~550℃之间形成。

因其形成在转变区的高温区，所以称为上贝氏体。

2、 组织形态上贝氏体是一种两相组织，由铁素体和渗碳体组成。

成束大致平行的铁素体板条自奥氏体晶界向一侧或两侧奥氏体晶内长入。

渗碳体（有时还有残余奥氏体）分布于铁素体板之间，整体在光学显微镜下呈羽毛状，故可称上贝氏体为羽毛状贝氏体（图4-2）。

板条铁素体束与板条马氏体束很接近，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。

Hehemann 观察到上贝氏体铁素体条是由许多亚基元组成的（图4-3、图4-4），每个亚基元的尺寸大致是厚小于1μm ，宽5~10μm ，长约10~50μm 。

上贝氏体中的碳化物分布在铁素体条之间，均为渗碳体型碳化物。

碳化物的形态取决于奥氏体的碳含量碳含量低时，碳化物沿条间呈不连续的粒状或链珠状分布；碳含量高时呈杆状，甚至呈连续分布。

碳化物惯习面为A )722(，与奥氏体之间存在Pitsch 关系。

(a) (b)(c)(d)图4-2 羽毛状上贝氏体 a) 65Mn ，1050℃→450℃，×500 b) 30CrMnSi ，900℃→350℃，×1000c) ×1300，d) 65Mn ，1050℃→450℃，×5000A )252//()001(θ，A ]110//[]010[θ，A ]455//[]100[θ由于渗碳体与奥氏体之间存在位向关系，故一般认为上贝氏体中的碳化物是从奥氏体中析出的。

在上贝氏体中，除贝氏体铁素体及渗碳体外，还可能存在未转变的残余奥氏体，尤其是当钢中含有Si 、Al 等元素时，由于Si 、Al 能扼制渗碳体的析出，故使残余奥氏体量增多。

影响上贝氏体组织形态的因素：（1）碳含量：随钢中碳含量的增加，上贝氏体中的铁素板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状向链球状、短杆状过渡，甚至连续分布。

渗碳体的数量随碳含量的增加而增多，不但分布于铁素体板之间，而且可能分布于各铁素体板条内部。

（2）形成温度：随形成温度的降低，铁素体板条变薄、细小，渗碳体更细小、更密集。

3、晶体学特征及亚结构上贝氏体铁素体形成时能在抛光的试样表面形成浮凸，如前所述，与马氏体引起的浮凸不同，呈∧或∨形。

上贝氏体铁素体的惯习面为{111}A ，与母相奥氏体之间的位向关系接近于K-S 关系。

上贝氏体铁素体中的亚结构为位错，位错密度较高可形成缠结。

三、下贝氏体（B 下）1、形成的温度范围在贝氏体转变区域的低温范围内形成的贝氏体称为下贝氏体。

下贝氏体大约在350℃以下形成。

碳含量低时，下贝氏体形成温度有可能高于350℃。

2、组织形态下贝氏体也是一种两相组织，是由铁素体和碳化物组成。

但铁素体的形态及碳化物的分布均不同于上贝氏体。

图4-3 魏氏组织铁素体a)、上贝氏体铁素体b)下贝氏体铁素体的成长模型c) 图4-4 上贝氏体铁素体基元的成长（照片）下贝氏体铁素体的形态与马氏体很相似，亦与奥氏体碳含量有关。

含碳量低时呈板条状（图4-5），含碳量高时呈透镜片状（图4-6），碳含量中等时两种形态兼有。

形核部位大多在奥氏体晶界上，也有相当数量位于奥氏体晶内。

碳化物为渗碳体或-ε碳化物，碳化物呈极细的片状或颗粒状，排列成行，约以55~60°的角度与下贝氏体的长轴相交，并且仅分布在铁素体的内部。

钢的化学成分，奥氏体晶粒大小和均匀化程度等对下贝氏体组织形态影响较小。

(a) (b)图4-5低碳钢中下贝氏体形态a) 超低碳b) Fe-0.15%C-3.0%Mn(a) (b)图4-6 高碳钢下贝氏体形态a) 45钢b) 0.9%-1.3%Si-1.1%Cr钢Hehemann用光镜及电镜观察发现，下贝氏体铁素体片与条也是由亚基元所组成。

通常这些亚基元都是沿一个平直的边形核，并以约60°的倾斜角向另一边发展，最后终止在一定位置，形成锯齿状边缘（图4-3）下贝氏体铁素体的碳含量远高于平衡碳含量。