热处理原理之贝氏体转变.pptx
17.1 7.1 贝氏体转变的基本特征 B B转变有一个温度范围 B B转变产物是由相与碳化物组成的非层片状机械混合物 B B转变也是一个形核和长大过程 B B转变过程中只有碳原子的扩散 B B转变也能产生表面浮凸：M M是N N形，B B为V V形 B B中铁素体具有一定的惯习面，并与母相A A之间保持一定的晶体学位向关系（分歧重大）第1页/共63页2 B转变的不完全性：一般不能进行到底；通常随转变温度的升高，转变的不完全程度增大随转变温度升高，转变的不完全程度增大：温度越高，A与B之间的自由能差减小，从而使得转变的驱动力减小；温度越高，越有利于碳原子的扩散而形成柯氏气团，从而增强未转变A的热稳定性。B转变的不完全：一方面，B总是优先在A中贫碳区形成，随着B转变量的增加，碳不断向A中扩散而使得未转变A中的碳浓度越来越高，从而增加A的化学稳定性而使B转变难于进行；另一方面，贝氏体的比容比A大，产生一定的机械稳定化作用，也不利于B转变的继续进行。第2页/共63页3内内 容容 P P转变转变B B转变转变M M转变转变温度范围温度范围 高温高温中温中温低温低温转变上限温度转变上限温度 A A1 1B BS SM MS S领先相领先相K K或或F F铁素体铁素体形核部位形核部位A A晶界晶界B B上上在晶界在晶界B B下下大多在晶内大多在晶内转变时点阵切变转变时点阵切变无无有有有有碳原子的扩散碳原子的扩散有有有有基本上无基本上无铁及合金原子的扩散铁及合金原子的扩散有有无无无无等温转变完全性等温转变完全性完全完全视转变温度定视转变温度定不完全不完全转变产物转变产物+Fe+Fe3 3C C+Fe+Fe3 3C()C()珠光体、贝氏体、马氏体转变主要特征第3页/共63页47.2 7.2 贝氏体的组织形态和亚结构由于BF和碳化物的形态与分布情况多变，使B显微组织呈现为多种形态。据此，通常将B分为：下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝氏体上贝氏体、下贝氏体最常见，粒状贝氏体次之，其余的较为少见。第4页/共63页5是一种单相组织，由大致平行的F F板条组成，F F板条自A A晶界形成，成束地向一侧晶粒内长大，在F F板条之间为富碳的A A。F F板条较宽、间距较大，随转变温度下降，F F板条变窄、间距缩小。无碳化物贝氏体 形成温度范围在B转变的最高温度范围内形成。组织形态第5页/共63页6 晶体学特征及亚结构无碳贝氏体形成时也具有浮凸效应，其铁素体的惯习面为111，位向关系为KS关系；亚结构：铁素体内有一定数量的位错。在F F板条之间的富碳A，在随后的冷却过程中可能转变为P、B、M或保持不变。所以说无碳化物贝氏体不能单独存在。第6页/共63页7在B B转变区的较高温度范围内形成，对于中、高碳钢约在350350550550范围内形成，所以上贝氏体也称高温贝氏体。上贝氏体 形成温度范围上贝氏体是一种两相组织，是由条状相与粒状和条状碳化物组成的非层片状机械混合物。组织形态第7页/共63页8成束的大致平行的相板条，自A A晶粒晶界的一侧或两侧向A A晶粒内部长大，粒状或条状渗碳体(有时还有残余A)A)分布于相板条之间，整体呈羽毛状。第8页/共63页9F F的惯习面为的惯习面为111111，位向关系接近于，位向关系接近于K KS S关系关系;亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。亚结构为位错，位错密度较高，能形成缠结。碳含量：随碳含量的增加，B B上中的相板条更多、更薄，渗碳体的形态由粒状、链球状转变为短杆状，渗碳体数量增多，不但分布于相之间，而且可能分布于各相内部。形成温度：随形成温度的降低，相变薄，渗碳体更小，且更密集。影响B上组织形态的因素 晶体学特征及亚结构第9页/共63页10与上贝氏体一样，下贝氏体也是一种两相组织，由相与碳化物组成。下贝氏体 形成温度范围一般在350Ms之间的低温区。组织形态第10页/共63页11相的立体形态，呈片状或透镜片状，在光学显微镜下呈针状，与片M M相似。形核部位大多在A A晶界上，也有相当数量位于A A晶内。碳化物为CemCem或-碳化物，碳化物呈细片状或颗粒状，排列成行，约以5555 6060 角度与B下的长轴相交，并且仅分布在F F片内部。钢的化学成份、A A晶粒度和均匀化程度，对B下的组织形态影响较小。第11页/共63页12B下中相的惯习面比较复杂，有人测得为110110，有人测得为254254及569569；B B下中相与A A之间的位向关系为K KS S关系；亚结构：为位错，无孪晶；B下形成时也会产生表面浮凸现象，但形状与B B上不同。B B上中浮凸大致平行，而B B下中往往相交呈“”形。晶体学特征及亚结构第12页/共63页13其组织是由F和富碳的A组成。形成温度范围稍高于B上的形成温度 组织形态 粒状贝氏体主要存在于低、中碳合金钢中，以一定的速度连续冷却获得，如正火、热轧后的空冷、焊缝的热影响区等，后来的研究发现等温也可以形成。第13页/共63页14F F呈块状(由F F针片组成)；富碳的A A呈条状，在F F基体上呈不连续分布。F F的C%C%很低，接近平衡状态，而A A的C%C%却很高。富碳A A在随后的冷却过程中可能发生三种不同的转变：l部分或全部分解为部分或全部分解为F F和碳化物；和碳化物；l可可能能部部分分转转变变为为孪孪晶晶片片状状M M，形形成成“M MA A”组织；组织；l可能全部保留下来成为残余可能全部保留下来成为残余A A。第14页/共63页15可存在于过共析钢中形成温度在350350稍上呈现F F夹在两片渗碳体中间的组织形态 反常贝氏体第15页/共63页16一般存在于高碳碳素钢或高碳中合金钢中当温度处于下贝氏体形成温度范围时出现 柱状贝氏体F呈放射状，碳化物分布在F内部；形成时不产生表面浮凸。第16页/共63页17日本的大森在研究低碳低合金高强钢时发现，在某些钢中的贝氏体可以明显地分为三类，分别把这三类B B称为第一类、第二类和第三类贝氏体，并用B B、B B、B B分别表示。低碳低合金钢中的B、B、BB B约在600600500500之间形成，无碳化物析出；第17页/共63页18B B约在500500450450之间形成，碳化物在F F之间析出；B B约在450450MsMs之间形成，碳化物分布在F F内部。第18页/共63页19 贝氏体转变过程 贝氏体转变的两个基本过程7.3 7.3 贝氏体转变过程及其热力学分析B上、B下均是由铁素体和碳化物组成的复相组织，因此，贝氏体转变应当包含铁素体的成长和碳化物的析出这两个基本过程；铁素体是领先相。下贝氏体上贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体反常贝氏体柱状贝氏体贝氏体两个基本过程决定了B中两个基本组成相的形态、分布和尺寸，进而决定整个B的组织形态和性能。第19页/共63页20 奥氏体中碳的再分配贝氏体铁素体碳化物过冷奥氏体贝氏体必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相第20页/共63页21A点阵常数的变化对应着碳含量的变化，碳含量增大，奥氏体的点阵常数增大。说明等温处理过程中贝氏体转变时发生了碳的再分配。等温时B转变量与持续时间的关系等温时残A的点阵常数与持续时间的关系第21页/共63页22铁素体碳化物贝氏体过冷A必须通过碳的扩散来形成富碳区和贫碳区，以满足新相形核时所必需的浓度条件低碳相高碳相 B中F的形成及其碳含量如何形成贝氏体中的铁素体？长期以来有着种种见解第22页/共63页23柯俊等人最早提出的BFBF是按切变方式形成的理论持切变机理观点的人认为，BFBF中的C C含量是过饱和的，其含量与转变温度有关，在某一温度下形成的BFBF中的碳含量，应相当于以该温度为M MS S点的奥氏体的含碳量。奥氏体中贫碳区析出了碳化物保温过程贝氏体中的铁素体切变方式第23页/共63页24若以亚共析钢为例：当C0成分的A被过冷到低于BS点的 t 温度时，它已处于Acm延长线的下侧，这意味着碳在A中处于过饱和状态。从热力学条件看，碳应具有从A中析出的倾向，因此A中必将发生碳的再分配，从而形成贫碳区和富碳区。当贫碳区的碳含量降低到MS线以左时，于是便发生马氏体转变，从而形成BF。第24页/共63页25 碳化物相的成分和类型当钢中Si较高时，由于Si强烈延缓渗碳体的沉淀，因而在B下中很难形成渗碳体，而基本是-碳化物。在其它钢的B下中碳化物为渗碳体与-碳化物的混合物，或全为渗碳体；一般地，形成温度越低、持续时间越短，出现-碳化物的可能性越大。碳化物中合金元素的含量钢中合金元素的平均含量。碳化物相渗碳体-碳化物上贝氏体钢的成分形成温度持续时间下贝氏体第25页/共63页26B B转变的驱动力同样是新旧两相之间的自由能之差 贝氏体转变的热力学分析 贝氏体转变的驱动力因而B转变不需要M转变那样大的过冷度B B转变时A A中碳发生了再分配，使F F中碳含量降低导致F F的自由能降低，从而GGV V增大B B与A A的之间的比容差，小于M M与A A之间的比容差，因此减小第26页/共63页27 B BS S点及其与钢成分的关系Bs点就是A和B之间的自由能差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度。高于Bs点则贝氏体转变不能进行。上 式 适 用 于 下 列 成 分 的 钢：C=0.10.55%,Cr3.5%,Mn=0.21.7%,Mo1.0%,Ni5%。钢中碳和合金元素对BS点的影响，可用下面的经验公式表示：钢中加入A稳定化元素，将使Bs点降低。第27页/共63页287.4 7.4 贝氏体转变机理铁素体碳化物贝氏体低碳相高碳相说明B相变过程中伴随有碳原子的扩散B B形成时在光滑试样表面产生浮凸BFBF与母相A A之间保持第二类共格关系并具有一定的晶体学位向关系说明BF的形成是M相变第28页/共63页29因此，一般认为B相变是M相变加碳原子的扩散。但为什么在MS点以上会有M相变发生，这是B转变机制必须首先回答的问题。目前存在两种假说：恩金B相变假说和柯俊B相变假说。恩金B B相变假说恩金认为B B相变属于M M相变性质，由于在随后等温过程中析出碳化物而形成B B，于是提出了贫富碳理论假说。该假说认为，在B B发生之前，A A中已经发生了C C原子的扩散与再分布，形成了富碳A A区和贫碳A A区。第29页/共63页30在相变过程中铁和合金元素的原子都不发生扩散贫碳A区富碳A区Ms点等温过程中贫碳A达到Ms点温度则转变为MM再分解为低C的F和碳化物所组成的B碳化物贫碳A区转变为M分解为B第30页/共63页31 柯俊B B相变假说恩金假说没有解释：B的形态变化和组织结构等问题恩金假说能够解释贝氏体的形成BS点的意义BF的C%随温度变化而变化根据相变理论，形成马氏体时系统自由能的变化为根据热力学条件，马氏体相变只有G为负值，即在M MS S点以下时才能进行。第31页/共63页32那么，在M MS S点以上温度，以M M相变机制进行转变的B B相变是如何满足热力学条件的呢？柯俊认为，在M MS S点以上温度时，若相变的进行能够使Gv值增大、使V值减小，从而使G达到负值，则M相变也可以发生。B B转变时A A中碳发生了再分配，使F F中碳含量降低导致F F的自由能降低，从而GGV V增大B B与A A的之间的比容差小于M M与A A之间的比容差，因此减小此外，形成温度高、长大速度慢、A强度低，都使A塑变和共格界面移动所需要克服的阻力减小。第32页/共63页33贝氏体转变包括BFBF的形成以及碳化物的析出。长期以来，围绕着这两个问题进行着争论。在争论中最主要的是切变机制与台阶机制之争。贝氏体转变的机制柯俊最先发现：B B转变与M M转变一样，在形成BFBF时也能在抛光表面引起浮凸，以后又发现魏氏铁素体形成时也能引起浮凸。据此，认为魏氏铁素体即BFBF，BFBF与M M一样，也是通过切变机制形成的。贝氏体转变的切变机制第33页/共63页34但由于B B转变时碳原子尚能扩散，这就导致B B转变与M M转变的不同、以及B B组织的多样性。第34页/共63页35在BFBF形成后，BFBF中过饱和碳可以通过界面很快进入A A中而使BFBF的碳含量降低到平衡浓度。通过界面进入A A中的碳也能很快地向A A纵深扩散，如果A A的含碳量并不高，不会因为BFBF的形成而析出碳化物，因此得到的是BFBF及富碳A A，即无碳化物B B，也包括魏氏F F。高温范围的转变（无碳化物贝氏体）原A晶界BF富碳A A由于温度高，初形成的F F中碳的过饱和度很小，且碳在F F和A A中的扩散能力均很强。第35页/共63页36通过界面由BFBF扩散进入A A中的碳原子已不可能向A A中纵深扩散，尤其是两相邻F F条之间的A A中的碳更不可能向外扩散。故界面附近的A A，尤其是两F F条之间的A A中的碳将随BFBF的长大而显著升高，当超过A A溶解度极限时，将自A A中析出碳化物而形成羽毛状的B B上。中温范围的转变（上贝氏体）在350350550550的中温范围转变时，转变初期与高温范围的转变基本一样，但此时的温度已比较低，碳在A A中的扩散已变得困难。第36页/共63页37C C在BFBF中的过饱和度很大，又不能通过界面进入A A，只能以碳化物形式在BFBF内部析出。随着碳含量降低，BFBF的自由能将下降以及比容缩小所导致的的下降，将使已形成的BFBF片进一步长大而得到B B下。低温范围的转变（下贝氏体）在350350以下转变时，由于温度低，初形成的BFBF的C%C%高，故BFBF的形态已由板条状转变为透镜片状。此时，不仅C C难以在A A中扩散，就是在BFBF中也难以作较长距离的扩散。第37页/共63页38第38页/共63页39一般认为，在某些低碳钢中出现的粒状B B，是由无碳化物B B演变而来的。当无碳化物B B针长大到彼此汇合时，剩下的岛状富碳A A便为BFBF所包围，沿BFBF条间呈条状断续分布。因钢的碳含量较低，剩余A A中的碳含量也不超过其溶解度极限，故不会析出碳化物，因而形成粒状B B。综上所述，不同形态的BF都是通过切变机制形成的，只是因为形成温度不同，使BF中的碳脱溶及碳化物的形成方式不同而导致B组织形态的不同。粒状贝氏体的形成第39页/共63页40为为什什么么B B转转变变所所引引起起的的浮浮凸凸不不同同于于M M转转变变所所引引起起的浮凸？的浮凸？为为什什么么BFBF与与A A之之间间的的晶晶体体学学位位向向关关系系不不同同于于M M与与A A之间的位向关系？之间的位向关系？为什么透镜片状为什么透镜片状BFBF中没有孪晶？中没有孪晶？为为什什么么B B下下中中的的碳碳化化物物的的分分布布与与回回火火M M中中碳碳化化物物分分布明显不同？布明显不同？按按切切变变机机制制，BFBF应应是是片片状状，但但为为什什么么上上贝贝氏氏体体中中BFBF接近针状？接近针状？切变机制存在的问题第40页/共63页41AaronsonAaronson等人强调，B B是非层状共析反应产物，亦即B B转变是一种特殊的共析反应。他们认为，B B转变与P P转变或M M转变不同，是通过台阶机制长大的。贝氏体转变的台阶机制台阶的水平面为-的半共格界面，界面两侧的与有一定的位向关系，在半共界面上存在着柏氏矢量与界面平行的刃型位错。第41页/共63页42界面由位错和台阶组织成。台阶的端面为非共格界面。这样的界面活动能力很高，易于向侧面移动而使水平面向上推移。贝氏体长大的台阶机制中，关于台阶的来源，目前为止，尚未完全弄清。第42页/共63页43与P P转变相同，B B的等温动力学曲线也具有S S形。B的等温动力学曲线7.5 7.5 贝氏体转变动力学 贝氏体转变动力学的特点 贝氏体转变速度比马氏体转变速度慢很多原因：一般认为B长大速度受碳原子从F中脱溶速度控制。第43页/共63页44一般B B转变量随温度降低最大转变量增加。等温温度愈高，愈接近Bs点，等温转变量愈少。贝氏体转变的不完全性与与P P转变重叠：转变重叠：P P转变在先，转变在先，B B转变在后；转变在后；与与M M转转变变重重叠叠：当当M Ms s较较高高时时，在在M Ms s以以下下可可先先形形成成一定数量的一定数量的M M，而后发生，而后发生B B转变。转变。可能与珠光体和马氏体转变重叠B的等温动力学曲线第44页/共63页45B B转变的等温形成图也具有C C字形，在B Bs s温度以下，随等温温度降低，孕育期先减后增，具有一个鼻子；对于碳钢，由于P P转变与B B转变C C曲线重叠在一起，因此合并成一个C C曲线。贝氏体等温形成图第45页/共63页46第46页/共63页47 影响贝氏体转变动力学的因素 碳含量 合金元素 奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度 应力的影响 塑性变形的影响 冷却在不同温度下的停留第47页/共63页48规律：随A A中碳含量的增加，B B转变速度下降。原因：C C含量高时，形成F F核心较困难，需要从F F中向外排出碳的数量增多，从而增加了B B的形成时间。碳含量的影响第48页/共63页49因此，除CoCo、AlAl以外，都降低B B转变速度，使B B转变的C C曲线右移，但作用不如C C显著；同时也使B B转变温度范围下降，从而使P P与B B转变的C C曲线分开。合金元素的影响凡是降低C C扩散速度、阻碍F F共格长大、阻碍碳化物形成的元素，都使B B转变速度下降。第49页/共63页50A A晶粒大小：随A A晶粒增大，B B转变孕期延长，转变速度下降。其原因是由于晶粒大，晶界面积小，形成F F核心的几率小，同时碳的扩散距离长。奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度A A化温度：A A化温度高，晶粒粗大，成份均匀，贫碳区少，这都影响F F的形核，使B B转变的孕育期延长，转变速度下降。第50页/共63页51原因：一方面变，形使A A中的缺陷密度增加，有利于C C原子的扩散，有利于B B转变的进行；而另一方面，A A形变后会产生多边化亚结构，破坏了A A晶粒取向的连续性，这对BFBF的共格生长是不利的。通常以后者的作用为主。拉应力使B B转变速度增加，尤其对下B B更显著。压应力的作用不清楚。应力的影响 塑性变形的影响 在在较较高高温温度度(1000(1000800)800)范范围围内内对对A A进进行行塑塑性性变变形形，将将使使A A向向B B转转变变的的孕孕育育期期增增长长，转转变变速速度度下下降降，转变的不完全程度增大。，转变的不完全程度增大。第51页/共63页52 在在P P与与B B转转变变区区之之间间的的亚亚稳稳定定区区域域内内停停留留会会加加速速随随后后的的B B转变。转变。在在较较低低温温度度(350(350300)300)范范围围内内对对A A进进行行塑塑性性变变形形将加速将加速B B的形成。的形成。原因：A A晶体缺陷密度更大，促进C C的扩散，并且形变会使A A中的应力增加，有利于BFBF按M M型转变机制形成，结果使B B转变速度加快。冷却在不同温度下停留原因：停留过程中A析出碳氮化物，降低了A的稳定性第52页/共63页53 在在高高温温区区先先进进行行部部分分上上B B转转变变，将将会会使使低低温温区区下下B B的转变速度降低，孕育期延长，不完全程度增大的转变速度降低，孕育期延长，不完全程度增大.原因：可能是一种A的稳定化现象，还不十分清楚第53页/共63页54 先先在在低低温温区区形形成成少少量量M M或或下下B B，将将促促进进后后续续高高温温区区的的B B形成，转变速度加快。形成，转变速度加快。原因：可能是因为在较低温度下进行部分M M和下B B转变时，所产生的应力会促进以后在较高温度下进行B B转变的晶核的形成。第54页/共63页55一般来说：B B下的强度较高，韧性也较好；B B上的强度低，韧性差。7.6 7.6 贝氏体的力学性能B的力学性能决定于其组织形态，但组织又受多种因素影响，所以对B来说，在组织和性能之间还很难建立起定量的关系，仅能进行定性说明。第55页/共63页56如果将BFBF条(片)的大小看作是B B的晶粒，则可用Hall-PetchHall-Petch的关系式估算B B的强度。即BFBF的晶粒直径越细小，则其强度越高。贝氏体的强度(硬度)BF条或片的粗细弥散碳化物质点其它因素的强化作用 BF条或片的粗细影响B强度的因素第56页/共63页57B下中碳化物颗粒较小，颗粒数量也较多，所以碳化物对B下强度的贡献也较大；B上中碳化物颗粒较粗，且分布在铁素条间，分布极不均匀，所以B上的强度要比B下低得多。弥散碳化物质点第57页/共63页58对B的强化，其它如碳和合金元素的固溶强化和位错亚结构的强化，也有一定的作用。综上所述，影响B B强度的几种因素都与B B形成温度有关，并且都随形成温度降低，作用增强。所以B B的强度随形成温度降低而增强。其它因素的强化作用第58页/共63页59B下的韧性优于B上：随B的形成温度的降低，强度的逐渐增加，韧性并不降低，反而有所增加，这是B组织力学性能变化的重要特点，也是人们对B组织感兴趣的主要原因。贝氏体的韧性第59页/共63页60B下比B上具有更好韧性的原因在在B上上中中，存存在在粗粗大大碳碳化化物物颗颗粒粒或或断断续续条条状状碳碳化化物物，也也可可能能存存在在高高碳碳M，所所以以容容易易形形成成大大于于临临界界尺尺寸寸的的裂裂纹纹，并并且且裂裂纹纹一一旦旦扩扩展展，便便不不能能由由BF之之间间的的小小角角晶晶界界来来阻阻止止，而而只只能能由由大大角角度度BF“束束”界界或或原原A晶界来阻止，因此晶界来阻止，因此B上上中裂纹扩展迅速。中裂纹扩展迅速。在在B下下组组织织中中，较较小小的的碳碳化化物物颗颗粒粒不不易易形形成成裂裂纹纹，即即使使形形成成裂裂纹纹也也难难以以达达到到临临界界尺尺寸寸。即即使使形形成成裂裂纹纹，裂裂纹纹的的扩扩展展将将受受到到大大量量弥弥散散碳碳化化物物颗颗粒粒和和位位错的阻止，因此形成的裂纹不易扩展。错的阻止，因此形成的裂纹不易扩展。第60页/共63页61在在B下下形形成成温温度度范范围围的的中中、上上区区域域，所所形形成成的的B的的韧韧性性优优于于同强度同强度M的韧性。的韧性。在在具具有有回回火火脆脆性性的的钢钢中中，B的的韧韧性性高高于于回火回火M的韧性。的韧性。在相同强度的基础上，比较B组织与回火M的韧性，情况比较复杂，大致可作如下估计：第61页/共63页62在高碳钢中，回火在高碳钢中，回火M M的韧性低于同强度的韧性低于同强度B B的韧性。的韧性。另另外外，由由于于钢钢的的淬淬透透性性的的不不同同，某某些些钢钢淬淬火火时时往往往往获获得得M M和和B B混混合合组组织织。对对这这种种混混合合组组织织的的韧韧性性研研究究的的结结果果表表明明：M M和和B B混混合合组组织织的的韧韧性性优优于于单单一一M M和单一和单一B B组织的韧性。组织的韧性。这是由于先形成的B分割原A晶粒，使得随后形成的M条束变小。这一结论已在生产上得到应用。第62页/共63页63感谢您的观看！第63页/共63页
