第五章贝氏体相变

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（3）下贝氏体
BF与A的位向关系为K-S关 系，惯习面为{110}A。碳化物 与BF间有确定的位向关系。
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(a)
(b)
图5-7 (a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
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§5.1.3 贝氏体的力学性能
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A
原奥氏体晶界
A
BF
图5-4 无碳化物贝氏体示意图
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图5-10 无碳化物贝氏体形成机理示意图
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（二）无碳化物贝氏体的形成机理
②与此同时，由于转变温度较高， 在BF中的碳原子可以越过BF/A 相界面向A中扩散，直至达到 平衡浓度。
转变形成低碳相和高碳相， 故有碳原子的扩散，但铁和合 金元素原子不扩散。
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（6）晶体学特征
贝氏体形成时，有表 面浮凸，位向关系和惯习 面接近于马氏体。
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§5.1.2 贝氏体的组织形态
（1）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。
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（二）奥氏体晶粒大小的影响
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。
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（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。
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（四）下贝氏体的形成机理
②与此同时，由于温度低，BF中 碳的过饱和度很大。同时，碳 原子已不能越过BF/A相界面扩 散到奥氏体中去，所以就在BF 内部析出细小的碳化物。
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③随着BF中碳化物的析出，自由能 进一步降低，以及比容降低所导 致的应变能下降，将使已形成的 BF片进一步长大。同时，在其侧 面成一定角度也将形成新的下贝 氏体铁素体片。
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图5-5 无碳化物贝氏体组织， ×1000 （30CrMnSiA钢，450℃等温20s）
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（1）无碳化物贝氏体
BF与奥氏体的位向关系为 K-S关系，惯习面为{111}A 。
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（2）上贝氏体
在贝氏体相变的较高温度区 域形成，对于中、高碳钢, 大 约在350~550 ℃区间。
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（一）贝氏体相变机理概述
② BF以共格切变方式长大， 但长大速度缓慢，这是因为 受碳原子向周围奥氏体的扩 散所控制。
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A3
Acm
A1
贫碳区
t1
T0
t2
c1 c2
图5-9 贝氏体铁素体按马氏体切变机制形成的说明
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（1）无碳化物贝氏体
BF核在A晶界上形成后，向晶内 一侧成束长大。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 。
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A
原奥氏体晶界
A
BF
图5-4 无碳化物贝氏体示意图
图5-2 共析碳钢 C曲线示意图
图5-3 合金钢 C曲线
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§5.3.2 影响贝氏体相变动力学的因素
（一）碳含量及合金元素的影响
奥氏体中碳含量的增加，转变 时需要扩散的原子数量增加，转 变速度下降。
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（一）碳含量及合金元素的影响
除Al、Co外，合金元素都或多 或少地降低贝氏体转变速度，同时 也使贝氏体转变的温度范围下降， 从而使珠光体与贝氏体转变的C曲 线分开。
贝氏体形成温度越低，碳化物颗 粒越小、越多，强度越高。
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③ 固溶强化和位错强化
随贝氏体形成温度的降低， BF的碳过饱和度及位错密度 均增加，导致强度增加。
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（二）贝氏体的韧性
在350℃以上，组织中大部 分为上贝氏体时，冲击韧性 大大下降。
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④随着BF的长大，铁素体板条间奥 氏体中的碳含量显著升高，当超过 Acm线的延长线时，将从奥氏体中 析 出 不 连 续 的 碳 化 物 （ Fe3C ） ， 从而形成羽毛状上贝氏体。
可见，上贝氏体的转变速度受碳 在奥氏体中的扩散所控制。
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通过形核与长大进行，等 温转变动力学图是C形。
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图5-2 共析碳钢 C曲线示意图
图5-3 合金钢 C曲线
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（4）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。
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（5） 扩散性
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（二）无碳化物贝氏体的形成机理
③通过相界面进入A的碳能很快向 远离界面处扩散，不至于在界面 附近产生积聚，所以富碳A的碳 含 量 不 会 超 过 Acm 线 的 延 长 线 ， 从而不会从A中析出碳化物。
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（二）无碳化物贝氏体的形成机理
（一）贝氏体的强度
贝氏体的强度随形成温度 的降低而提高。
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影响贝氏体强度的因素：
① 贝氏体铁素体细化强化 形成温度越低，贝氏体铁素体 越细，强度越高。
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② 碳化物的弥散强化
下贝氏体中碳化物颗粒较小，颗 粒数量较多，且分布均匀，故下 贝氏体的强度高于上贝氏体。
可见，下贝氏体的转变速度受碳 在铁素体中的扩散所控制。
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综上所述，不同形态贝氏体中的
铁素体都是通过切变机制形成的。只 是因为形成温度不同，使铁素体中碳 的脱溶以及碳化物的形成方式不同， 从而Βιβλιοθήκη Baidu致贝氏体的组织形态不同。
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§5.3 贝氏体相变的动力学影响因素、 魏氏组织
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（四）下贝氏体的形成机理
低温范围转变， < 350℃。
①BF 大 多 在 奥 氏 体 晶 粒 内 通 过 共格切变方式形成，形态为透 镜片状。
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(a)
(b)
图5-7 (a)下贝氏体组织示意图
(b)GCr15钢的下贝氏体组织
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图5-12 下贝氏体的形成机理示意图
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(a)
(b)
图5-6 (a)上贝氏体组织示意图
(b)T8钢中的上贝氏体组织
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Fe3C
图5-11 上贝氏体的形成机理示意图
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②与 此 同 时 ， 碳 原 子 越 过 BF/A 相界面向A中扩散。
③由于转变温度降低，进入相界 面附近A中的碳原子已不能向 远处扩散，尤其是铁素体板条 间奥氏体中的碳原子，在这些 地方将产生碳的堆积。
§5.3.1 贝氏体等温相变动力学
与珠光体转变不同，贝氏体 等温转变不能进行到终了。
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§5.3.1 贝氏体等温相变动力学
贝氏体等温转变动力学图也呈 C形，也有一鼻子。转变在BS点 温度以下才能进行，随转变温度 降低，转变速度先增后减。
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（一）贝氏体相变机理概述
③ 形成的BF为碳的过饱和α固溶 体，形成温度越低，过饱和度 越大。在BF形成的同时，将发 生碳的脱溶，析出碳化物。
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（二）无碳化物贝氏体的形成机理
高温范围转变，组织为BF+富碳A。
①BF在奥氏体晶界形核，初形成的BF 过饱和度很小，以共格切变方式向 晶粒内一侧长大，形成相互平行的 BF板条束。
第五章 贝氏体相变
中温转变：550℃～MS 下贝氏体----良好的综合力学性能。 等温淬火组织；贝氏体钢连续冷却。
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美国冶金学家 Edgar C. Bain
(Sept. 14, 1891 -- Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation
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(a)
(b)
图5-6 (a)上贝氏体组织示意图
(b)T8钢中的上贝氏体组织
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（3）下贝氏体
在贝氏体相变的低温转变区 形成，大约在350℃以下。
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（3）下贝氏体
贝氏体铁素体呈透镜片状， 形态与片状马氏体很相似。但 下贝氏体铁素体中的亚结构为 位错，不存在孪晶。片内存在 排列整齐的细小碳化物。
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上贝氏体的韧性大大低于下贝氏体的原因：
①上贝氏体由彼此平行的BF板条构成， 好似一个晶粒；而下贝氏体的BF片 彼此位向差很大，即上贝氏体的有效 晶粒直径远远大于下贝氏体。
②上贝氏体碳化物分布在BF板条间。
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总之，随着贝氏体形成温度的 降低，强度逐渐增加，韧性并不 降低，反而有所增加，使下贝氏 体具有优良的综合力学性能。
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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）。
另外，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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§5.2.2 贝氏体相变的机理
（一）贝氏体相变机理概述
① 贝氏体转变的领先相是铁素体，在 转变温度下，奥氏体中存在浓度起 伏，BF核在贫碳区形成。较高温度 时，BF在奥氏体晶界形核；较低温 度时（下贝氏体），BF大多在奥氏 体晶粒内形核。
贝氏体 -- Bainite
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高温
中温
低温
Mf
图5-1 共析碳钢 C 曲线
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§5.1 贝氏体相变特点、组织形态和力学性能
§5.1.1 贝氏体相变的特点
（1）贝氏体转变温度范围 在A1以下，MS以上，有一转变
的上限温度BS点和下限温度Bf 点， 碳钢的BS点约为550℃。
④在随后的冷却过程中，富碳 奥氏体可以转变为马氏体， 也可以保持到室温而成为富 碳的残余奥氏体。
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（三）上贝氏体的形成机理
中温范围转变，在350~550℃，组织 为BF + Fe3C，形态为羽毛状。
①BF在奥氏体晶界形核，以共格切变 方式向晶粒内一侧长大，形成相互 平行的BF板条束。
不扩散
马氏体转变 < Ms 无扩散
有 单相组织 α-Fe(C)
不扩散
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（2）贝氏体转变产物
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。
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（3）转变动力学
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（2）上贝氏体
其形态在光镜下为羽毛状。组 织为一束平行的自A晶界长入晶 内的BF板条。BF板条与M板条相 近，但在铁素体板条之间分布有 不连续碳化物。
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（2）上贝氏体
BF板条内亚结构为位错。与A 的位向关系为K-S关系，惯习面为 {111}A。碳化物惯习面为{227} A， 与A有确定的位向关系。
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§5.2 贝氏体相变的热力学条件、相变机理
§5.2.1 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。
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Ms
Bs
图5-8 奥氏体和贝氏体自由能与温度的关系
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表 5-1 珠光体、马氏体、贝氏体转变特点的比较
转变温度范围 扩散性
珠光体转变
Ar1 ~ 550℃ 铁与碳可扩散
领先相
渗碳体
共格性
无
组成相
两相组织 α-Fe + Fe3C
合金元素
扩散
贝氏体转变 550 ℃~Ms 碳可扩散，铁不能扩散
铁素体 有
两相组织 > 350 ℃，α-Fe(C) + Fe3C < 350 ℃，α-Fe(C) + FexC