碳钢中贝氏体转变及性能分析

碳钢中贝氏体转变与性能分析
姓名：施海龙班级：0919001 学号：1091900119
摘要：
碳钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区域分解的产物，贝氏体转变是钢经奥氏体化后，过冷到珠光体转变和马氏体转变之间的中温区域发生的，故称为中温转变。

这种转变的动力学特征和产物的组织性能兼具有扩散性转变和非扩散型转变的特征。

并且，贝氏体常常具有优良的综合力学性能，其强度和韧性都比较高。

并具有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性。

一、成份、相、结构、组织
贝氏体珠光体马氏体
成分含有Fe和C两种合金元素。

C%有一定的范
围。

含有Fe和
C两种合
金元素。

C%=0.77%
含有Fe和C两种合金元
素。

C%有一定的范围。

相含有两相，分别是铁素体和渗碳体。

含有两
相，分别
是铁素体
和渗碳
体。

含有一相，马氏体M
结构铁素体是体心立方铁素体是
体心立方
体心正方
渗碳体是斜方复杂结构渗碳体是
斜方复杂
结构
（亚结构）铁素体为位错铁素体为
位错板条状片状位错孪晶
组织上贝氏体下贝氏体无碳化物
贝氏体铁素体片
与渗碳体
Fe3C片交
替堆叠而
成。

板条状片状
平行的过饱和条状铁素体及夹于其间的断续条状渗碳体（Fe3C）的混合物。

过饱和的片状
铁素体和其内
部沉淀的渗碳
体（Fe3C）的
混合物。

平行的国
宝的条状
铁素体及
夹于其间
的富碳奥
氏体的混
合物。

板条束、板
条块，稠密
的板条体
及夹于其
间的连续
的高度变
形的残余
奥氏体。

相互间成
一定角度
的马氏体
片，初生者
贯穿整个
晶粒，次生
者小。

二、转变热力学条件
下图是奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体不同温度时对应的自由能。

从图中可以看出贝氏体的自由能曲线正好介于珠光体和马氏体之间，这一特点影响直接影响着贝氏体转变的特点。

驱动力阻力
贝氏体转变与母相的体积自由能差∆G新相表面能、母相与转变产物
因比容不同而产生的应变能、
维持贝氏体与奥氏体之间的
共格关系的弹性应变能。

珠光体转变与母相的体积自由能差∆G新相表面能、母相与转变产物
因比容不同而产生的应变能。

马氏体转变与母相的体积自由能差∆G新相表面能、母相与转变产物
因比容不同而产生的应变能、
维持贝氏体与奥氏体之间的
共格关系的弹性应变能。

三、动力学及影响因素
贝氏体珠光体马氏体等温转变图
“C”型曲线“C”型曲线
转变与其它相重叠高温转变时与珠光体转
变重叠，低温转变时与马
氏体转变重叠。

低温转变时与贝氏体转
变重叠。

高温转变时与贝氏
体转变重叠。

动力学曲线具有扩散型相变特点。

开
始阶段形成速度较小，继
而迅速增大，转变量达到
某一范围时，形成速度趋
于定值，随后又逐渐减
小。

典型“S”曲线，开始阶
段形成速度较小，随着
时间增长，转变速度越
来越大，转变量超过50%
时速度又逐渐降低，直
至转变完成。

到温即转变。

影响因素
影响因素影响机理
珠光体1．碳含量亚共析钢中碳含量增高，珠光体育孕期增长，析出速度减慢
过共析钢中碳含量增高，珠光体育孕期缩短，析出速度增大2．奥氏体成份的
均匀性和过剩向
溶解情况
奥氏体成分不均匀和未溶碳化物加速珠光体转变速度
3．奥氏体晶粒度奥氏体晶粒细小，单位体积内晶界面积增大，珠光体成核部位增大，转变速度加快
4．奥氏体化温度
和时间
提高奥氏体化温度和延长保温时间减少了成核速率和长大速度，延迟了珠
光体转变
5．应力和塑性变
形
拉应力加速珠光体转变
压应力减慢珠光体转变
6．合金元素Mo Ni Mn Si 增大过冷奥氏体的稳定性，减慢了转变速度。

Co减小过冷奥氏体的稳定性，加快转变速度。

V Ti Zr Nb Ta 在钢中形成难熔碳化物，如在加热时能够溶入奥氏
体中则增大奥氏体的稳定性，降低转变速率。

如果
加热时不能完全溶入奥氏体中时则作用相反。

B钢中加入微量的B可以抑制珠光体的形成
贝氏体1．化学成份1、加入C、Mn、Ni等稳定奥氏体的元素，降低了相变驱动力，从而降低了形核率和长大速度，减慢贝氏体转变速度
2、加入Cr、Mo、W、等形成碳化物的元素，使碳在奥氏体中扩散速度降
低，进而减慢贝氏体转变速度
3、不形成碳化物而又降低奥氏体稳定性的元素可以加速贝氏体的形成2．奥氏体晶粒度奥氏体晶粒越大，转变速度越慢
3．奥氏体化温度提高奥氏体化温度，转变速度减慢
4．转变温度转变温度降低，长大速度降低
5．应力和塑性变
形
拉应力使贝氏体转变加速
较高温度下对奥氏体进行变形，减慢贝氏体转变速度，较低温度下变形，
加快转变速度
6．奥氏体冷却时
在不同温度停留
及以及部分发生
相变
在珠光体与贝氏体转变区域之间稳定
区域停留
500度以上停留加速随后在较低
温度贝氏体的转变
在贝氏体转变区域上部停留对较低温
度贝氏体转变的影响
在较高温度停留或部分发生贝氏
体转变降低以后在低温进行的贝
氏体传变。

在贝氏体转变区域下部或Ms点稍下部
分发生转变对随后在较高温度的贝氏
体的转变影响
加速在较高温度进行的贝氏体转
变
马氏体1．转变温度由于马氏体转变速度非常快，只要温度降低到马氏体形成所需要的过冷度，马氏体瞬间形成，所以它的形成速度只与温度有关。

四、转变过程
由于贝氏体相变即具有共格切变的特点又具有扩散型相变的特点。

其转变各贝氏体珠光体马氏体
上贝氏体下贝氏
体
板条状马氏体片状马氏体
形核位置原奥氏体晶界原奥氏体晶界晶体缺陷、内表面等结构不均匀区
域
领先相无铁素体或渗碳
体
无
惯习面（111）（225）（111）（225）（259）
位向关系铁素体与奥氏体有
K-S 位向关系(110)γ//(112)α
(111)γ//(110)α
K-S 关系，西
山关系
K-S 关
系
西山关
系
孕育期有有无
长大速度很快较慢极快
上下限温度Bs 、Bf无Ms、Mf
长大方式共格切变依靠C原子及
Fe原子的扩散
长大
共格切变
相变类型有共格有扩散型相
变
扩散型相变共格型相变
此外，贝氏体转变还有其独特的特点：
一、在转变过程中钢中贝氏体碳化物的分布状态随形成温度不同而异，较高温度形成的
上贝氏体中碳化物一般分布在铁素体条间，较低温度形成的下贝氏体中碳化物主要分布在铁素体条内部。

二、由于贝氏体相变是有共格有扩散型相变，贝氏体相变中C原子的扩散对贝氏体的相
变起控制作用。

五、机械性能
贝氏体珠光体马氏体
影响因素铁素体的形状、尺寸片层间距S0马氏体中的碳含量铁素体中碳的含量珠光体团尺寸马氏体的亚结构铁素体中位错密度铁素体亚结构
渗碳体数量、尺寸、形状、分布
硬度上贝氏体下贝氏体位错型孪晶型较低较高低高
强度较低较高低高
塑性较好较好好差
韧性较差较好良好差综合力学性能差好差好较好
的特点。

此外，贝氏体还具有较高的耐磨性、耐热性和抗回火性。

六、贝氏体的应用
由于贝氏体具有较高的强韧性配合。

而且在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体，因此在钢铁材料中基体组织获得贝氏体是人们追求的目标。

并且，贝氏体转变的过程中会生成两相，即在贝氏体转变温度偏高区域转变产物为上贝氏体（350℃～550℃）。

它是由许多从奥氏体晶界向晶内平行生长的条状铁素体和在相邻铁素体条间存在的断续的，短杆状的渗碳体组成。

其冲击韧性较差，生产上力求避免。

在贝氏体转变温度下端偏低温度区域转变产物为下贝氏体（Ms～350℃）。

它是由含碳过饱和的片状铁素体和其内部析出的微细的碳化物组成。

其冲击韧性较好。

为提高韧性，生产上通过热处理控制获得下贝氏体。

贝氏体钢发展至今，在简化工艺、节省能源的基础上．又具有高强度高韧性兼优的特点，其应用前景是十分广阔的。

(1) 可作为工程构件用钢(板材、棒材、型钢)，用于桥粱、建筑、起重运输机攘、压力容器、石油管线、钢筋等方面，由于其强度高、焊接性好，既无制造上的困难，又可节约大量钢材，特别对于大型掏件，焊后无法热处理，则贝氏体钢更具优越性。

(2) 可代替中碳舍金调质钢，用于轴、杆、齿轮等零件，由于贝氏体钢淬透性好、特别适用于大截面零件。

(3) 可作为大塑塑料模具用钢，由于空冷淬硬，淬透性好，避免了淬火变形。

(4) 可作为热绕成型弹簧或热挤压成型螺栓用钢，热成型后空冷即可达到要求，或再经适当回火，工艺简单，尺寸精度高，缺口敏感性低，对制造弹簧和螺栓均十分有利。

(5) 可作为渗碳钢或氮化钢，具有更高的耐密性和强韧性。

(6) 通过成分调整，可获得超高强度贝氏体钢和耐磨贝氏体钢，比回火马氏体钢具有更好的强韧性配合。

总之，新型的高强度高韧性贝氏体钢具有广阔的应用前景，它在各个领域的进一步推广应用，必将产生巨大的经济效益和社会效益。