《贝氏体转变》PPT课件

5.3 贝氏体转变过程及其热力学分析
5.3.1 贝氏体转变过程 (1) 贝氏体转变的两个基本过程 1) F生长和碳化物析出两个过程→组织、性能变化 2) 奥氏体中碳的再分配 俄歇分析→孕育期和转变期间→碳的再分配 晶界、晶内有贫碳区(有利于F形核) Fe、合金元素无再分配现象 碳%、合金%、转变温度影响碳的再分配(C%高→
50 µm
Carbide-free bainite
(1) 无碳化物贝氏体
形态：宽板条F+富碳A(冷却后→转变M或P或B)，不单独存在。 亚结构：位错；有浮凸 晶体学：K-S关系；{111}惯习面。 成分：低、中碳或Si、Al%高的材料。
g
g
a
a
a
20 nm
(2) 粒状贝氏体(Granular bainite)
5.1.1 上贝氏体(upper bainite)
铁素体尺寸大小→影响强度、韧性。 亚结构：BF板条内亚结构为位错。 铁素体中C%近平衡 表面有浮凸 晶体学
F、碳化物与A均有不同取向 F/A惯习面{111}A
成分：中、高碳钢容易出现，碳化物形态随碳含 量变化。
5.1.2 下贝氏体(lower bainite)
碳的脱溶形式
(3) 温度较低 C在A中长程扩散困难→ F中短程扩散→在F上析出碳化物(下B) 因过冷度大→晶界、晶内均可以形核 转变温度低→碳化物细；F中碳过饱和度↑。
碳的脱溶形式
(4) 在上B形成温度以上 C再分配→贫C区形成平行板条F A区域C不均匀→F板条生长出现凹凸界面→F合并→富C区被包围→残留的岛状
总之，随B形成温度↓，BF晶粒变细，F中碳含量↑，碳化物的弥散度增大，都 使B强度增加。
5.6.2 贝氏体的韧性
随着B形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加。 B上碳化物主要分布在F板条间，F和碳化物分布都有明显方向性，且F和碳化
物尺寸均较大。这种组织状态对裂纹扩展的抗力甚小，F板条甚至可能成为裂 纹扩展通路。 而B下有良好的韧性。
形成条件：低碳或中碳合金钢在一定的冷速范围内连续冷却时获得的。 形态：
板条F+富碳岛状A 冷却转变：F+K；M+残余A；残余A 有浮凸；C%接近平衡； F中有亚单元
(2) 粒状贝氏体(Granular bainite)
成分：低、中碳合金钢(Cr、Ni 、Mo) 冷却：焊接、正火、热轧连续冷却出现 与粒状组织区别：块F+富C岛状A(无取向、无浮凸)，与粒B共存。
第5章 贝氏体转变
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本章主要内容
贝氏体的组织形态和亚结构 贝氏体转变的特点 贝氏体转变过程及其热力学条件 贝氏体转变机理 贝氏体转变动力学 贝氏体的机械性能 魏氏组织
5.0 概述
贝氏体转变：过冷奥氏体在介于珠光体和马氏体转变之间的中温转变 (550℃~Ms)。
贝氏体：铁素体和碳化物的两相混合物，为非层片状组织。 优点：使钢得到良好的综合机械性能；减少像一般淬火产生的变形和开裂倾
散控制。
碳的脱溶形式
(1) 温度较高 碳在A、F中扩散能力强 温度高→过冷度小→形核少→F宽、间距大 F生长时→C排到A中→无碳B 富碳区A随后可以转变为M或其他分解产物，也可以保留为AR。
碳的脱溶形式
(2) 温度稍低 C在F中扩散→F中C%接近平衡 C在A中扩散不充分→沉淀在F板条束之间→形成上B 温度越低→组织越细
5.5.1 贝氏体转变动力学的特点
(2) 转变不完全性原因 领先相F形成→A富碳→相变阻力大 B比容大于A →转变后→机械稳定化 当Bf<Ms时→先转变的M→机械稳定化→不完全性↑ B转变温度↑→转变不完全性↑
过冷度小→驱动力小 碳容易扩散→柯氏气团多→A稳定性好
5.5.2 贝氏体等温转变动力学图
A区富碳、富合金元素→稳定化→形成粒状B
关于F中的亚单元现象
B中的F板条内都有亚单元组成。 先形成的亚单元诱发新的亚单元，不是连续生长。 以切变共格方式长大，速度快，但 F板条长大受碳扩散影响，速度慢。
切变理论的不足
无法解释上、下B具有不同的动力学曲线和转变激活能 无法解释上B中F内的浮凸与M的不同 B中无孪晶 碳化物析出形态与M不同(人字型)
(3) 反常贝氏体(inverse bainite)
成分：过共析。 形成：Bs以上，先共析Fe3C形成→A贫碳→上B寄生在渗碳体上形成。 领先相为渗碳体，而非F故得名 原因→冷却速度慢。
(4) 柱状贝氏体(columnar bainite)
形成温度：低温区或高压时。 成分：高合金钢；高碳钢；中碳钢 形成：晶粒内 形态：F放射状，其上分布碳化物 无浮凸
5.1.1 上贝氏体(upper bainite) 组织：Ferrite+Cementite 形成温度：B转变中、高温区。 在光镜下为羽毛状。在电镜下成束的、大致平
行的铁素体板条，自奥氏体晶界一侧或两侧向 晶粒内部长大。渗碳体呈粒状或条状分布于铁 素体板条之间，沿铁素体板条长轴方向排列成 行。 温度降低、C%增加→铁素体变薄。
(1) 强度与转变温度的关系 贝氏体的强度随形成温度的降低而提高。
(2) 影响贝氏体强度的因素
1) B中F的晶粒大小(晶粒细化) 形成温度越低，B中F晶粒越细小，B强度越高。 2) 碳化物的弥散度和分布状况 B下形成温度越低，碳化物弥散度越大，弥散强化对B下强度贡献越大。 若碳化物分布在F板条间，弥散强化效应很小。
5.4.2 台阶机理
认为浮凸不是切变的产物，是体积变化效应 与P转变机理相同，但组织非层片状 F按照台阶方式长大，受C在A中扩散控制 实验证实上B是此机理，但下B不是 台阶存在的原因不清楚
5.5 贝氏体转变的动力学
5.5.1 贝氏体转变动力学的特点 (1) 上、下B转变机制不同 实验： 全激活能 上、下B转变全激活能不同 动力学测定数据(转变时间与温度关系)，结果也证实。
组织：Ferrite+carbide 形成温度：在B形成温度的低温区。 F形态：与马氏体相似，亦与碳含量有关。C%
低时，呈板条状；C%高时，呈片状；C%中等 时两种形态兼有。 碳化物分布：细片状或颗粒状、排列成行，分 布在铁素体针内部，以55~60°与针的长轴相 交；也可能有少量在铁素体间。 一般在A晶界或晶内形成。
(4) 奥氏体冷却过程中在不同温度停 留
在P与B亚稳定区停留→碳化物析出→加速B形成 在上B区停留→低温区B形成慢；B%↓ 在B低温区或M区停留→部分A转变→产生应力→温度回升B转变区后→加速后
续B的转变
5.6 贝氏体的机械性能
5.6.1 贝氏体的强度
贝氏体的强度可以看作是不同组织因素本征强度的总和，包括了纯铁的强度、 碳和合金元素的固溶强化、碳化物粒子强化和位错强化的贡献。
复相组织。 (1) 魏氏渗碳体 过共析钢，晶界、晶内形成；针状
5.7.1 魏氏组织的形态和基本特征
(2) 魏氏F 亚共析钢晶界形成 针状、末端尖、羽毛状 一定取向，{111}A；K-S关系 表面有浮凸 形核、长大，时间↑→尺寸↑
温度低、时间短，形成ε 含Si高，延缓渗碳体析出，形成ε
5.3.2 贝氏体转变的热力学分析
(1) 贝氏体转变的驱动力 ∆GV=GB-GA<0
奥氏体向贝氏体相变的自由能的变化为： ∆G=-∆GV+∆GS+∆GE+∆GP
只有当∆G<0时，贝氏体相变才能够发生。 T<Bs，但Bs>Ms点。 因为A中碳的再分配→F的C%降低→F的自由能降低；比容差小→通常Bs高于
5.1.3 其他各类贝氏体
(1) 无碳化物贝氏体(Carbide-free bainite) 当钢中含有较多抑制碳化物析出元素，如Si和Al等，或钢中碳含量很低时，在
转变初期和中期，碳化物来不及析出，贝氏体由条束状铁素体和残余奥氏体 组成。 形成温度：在中温区的上下部均可形成。 形成：A晶界平行生长。
Ms。
Ms
Bs
(2) Bs点及其与钢成分的关系
Bs：贝氏体开始转变温度。 物理意义：奥氏体与贝氏体两相的自由
能差达到相变所需的最小驱动力时的温 度。 Bf：贝氏体连续转变的最低温度点。 C%<0.5%，C%↑→Bs↓； C%>0.5%，Bs 保持不变。
5.4 贝氏体转变机理概述
5.4.1 切变机理 浮凸效应 碳有扩散能力 F共格长大同时，伴有碳化物析出，B转变速度受碳扩散过程控制。 F生长是不连续的，条片中的亚单元不断诱发形核、长大，F长大速度受碳扩
等惯习面多种 (2) 贝氏体中的碳化物与F、A的关系 1) 碳化物性质 上贝氏体→渗碳体型 下贝氏体→亚稳定碳化物(温度低、时间短)或+渗
碳体
5.2.2 贝氏体转变的晶体学
2) 取向 上贝氏体→渗碳体从A中析出→与A有取向关系和惯习面 下贝氏体→渗碳体可能从F中析出，也可以从A中析出→结论不一致
碳化物容易析出)
3) 贝氏体铁素体的形成及其碳含量
F切变方式形成 实验： F中的C%过饱和，与该温度下M转变时的C%相似 温度↓→ C%过饱和度↑ 结论：先从A贫碳区形成低碳M →随后析出碳化物
台阶方式形成
4) 碳化物的成分和类型
合金在B转变中不进行再分配→碳化物与钢中的合金含量大致相同。 碳化物类型为渗碳体或ε 碳化物类型与成分、转变温度、持续时间有关
下贝氏体的特征
C%过饱和度大于上贝氏体。 亚结构：位错，不存在孪晶(与M不同)，位错密度
比上贝氏体高。 位向关系：K-S关系。 惯习面：与转变温度有关，温度较高时为{111}A，
温度降低，→{110}A，{254}A，{569}A。 BF形成时有浮凸。 C%↑→碳化物增多，有时有AR。 成分：C%范围较宽。
5.2 贝氏体转变的特点
5.2.1 贝氏体转变的特点 形核、长大；有孕育期 一般F为领先相 转变在Bs~Bf之间 转变不完全，随转变温度升高趋势明显 有浮凸、新/母相存在取向关系 转变速度在M、P相变之间
5.2.2 贝氏体转变的晶体学
(1) 贝氏体中的F与A 上贝氏体：K-S关系、{111}A惯习面 下贝氏体：K-S、西山关系等(比较复杂)、{225}A
5.5.3 影响贝氏体转变动力学的因素
(2) 奥氏体晶粒大小和奥氏体化条件 A晶粒粗→转变慢，影响不明显 A化温度高→成分均匀→C再分配难→转变慢 (3) 应力和塑性形变 拉应力→形核加速(加速扩散、提供形核区) A高温塑性形变→破坏A晶粒取向→转变慢 低、中温B区形变→位错↑→扩散通道多→转变快。
3) 固溶强化(程度低于M)
C的固溶强化：随形成温度↓，贝氏体F中C过饱和度↑，但比同种钢的M含碳量 要低得多，C的固溶强化对强度贡献要小得多。
合金元素的固溶强化：溶于贝氏体F中，对强度有贡献，但比C的作用小许多。
4) 位错强化(亚结构)
无碳化物B、B上和B下铁素体中位错密度都较高，尤其是B下铁素体。
向。 研究贝氏体转变及其应用，对于改善钢的强韧性，具有重要的意义。
Bain
美国冶金学家
Edgar C. Bain (Sept. 14, 1891— Nov. 27, 1971) United States Steel Corporation 贝氏体—Bainite
5.1 贝氏体的组织形态和亚结构
贝氏体的力学性能
一般：B下强度较高，韧性也较好；B上强度低，韧性很差。 变化趋势：随着B形成温度的降低，强度和硬度提高，塑性和韧性也提高。 强度相同时：在下贝氏体形成温度范围的中、上区域形成的贝氏体韧性优于
同强度M；在高碳钢中，回火M的韧性低于同强度贝氏体。
5.7 魏氏组织
5.7.1 魏氏组织的形态和基本特征 定义：亚(过)共析钢中的针状先共析铁素体(或渗碳体)及其间的珠光体组成的
C曲线 存在“鼻子”温度 与P的C曲线可部分重叠，也可以彼此分离 在一个温度区间完成 Bf可以低于Ms
5.5.3 影响贝氏体转变动力学的因素
(1) 碳和合金元素 C%↑，转变时需要扩散的原子数量增加，→B转变
慢。 除Co、Al外，其他合金→B转变慢，Mn、Cr、Ni
明显
降低碳在A、F中的扩散速度 降低Bs 碳化物形成元素→形成原子集体→界面迁移困难