贝氏体相变在线视频

同学们

这节课我们开始学习贝氏体转变

贝氏体转变是过冷奥氏体

在介于珠光体转变和马氏体转变

温度区间的一种转变

又称作中温转变

由于下贝氏体组织具有良好的综合机械性能

因此生产中常常讲把钢奥氏体化以后

过冷至中温转变区等温停留

使之获得贝氏体组织

这样一种热处理

称作贝氏体等温淬火

首先我们来看一下贝氏体的形态及晶体学

贝氏体有很多形态

第一种上贝氏体

上贝氏体是在贝氏体转变区

较上部的温度范围内形成的

它是由成束的

大体上平行的板条状铁素体和条间呈粒状

或者条状的渗碳体所组成的非片层状组织

当转变量不多时

在光学显微镜下可以看到

成束的条状铁素体从晶界向晶内生长

形状似羽毛状

因此又把上贝氏体叫做羽毛状贝氏体

和板条状马氏体相类似

上贝氏体中由大体上平行排列的铁素体板条

所构成的束的尺寸对其强度和韧性都有影响

所以往往把束的平均尺寸

视为上贝氏体的有效晶粒尺寸

上贝氏体形成时有表面浮凸效应

研究表明 上贝氏体铁素体和母相间

存在着一定的晶体学取向关系

二 下贝氏体

下贝氏体是在贝氏体转变区

下部的温度范围内形成的

它是由铁素体和碳化物构成的复相组织

在低碳低合金钢中

这种贝氏体铁素体的形态通常呈板条状

由若干个平行排列的板条便构成了一束

在中碳钢中两种形态的贝氏体铁素体兼有

下贝氏体形成时也有表面浮凸效应

下贝氏体铁素体中也有位错缠结存在

而且位错密度比上贝氏体铁素体要高

但是没有发现孪晶等亚结构存在

下贝氏体铁素体中拥有比上贝氏体铁素体中

多的过饱和碳

形成温度越低

碳的过饱和度也越大

随着钢中碳含量的增高

下贝氏体铁素体中的沉淀的碳化物也增加

并且随着温度的降低而更加弥散

当钢中含有较多的稳定奥氏体的合金元素时

在铁素体基体上

也可能同时有残余奥氏体和碳化物

下贝氏体铁素体和母相间

也有一定的晶体学取向关系

第三种粒状贝氏体

一般是在稍高于上贝氏体的形成温度下形成

由条状的贝氏体铁素体和岛状物组成

岛状物主要是马氏体和奥氏体

所以又叫做M-A岛

第四种无碳化物贝氏体

它是在上贝氏体转变区的上部温度范围内形成

为一组大致平行的贝氏体铁素体条

板条尺寸以及间距较宽

条间夹富碳的奥氏体

第五种 准上贝氏体是由条状的贝氏体

铁素体和条间的残余奥氏体薄膜组成

第六种 准下贝氏体是在贝氏体铁素体内

按一定角度排列着残余奥氏体

第二 我们看一下贝氏体的转变特点

由于贝氏体转变温度

介于珠光体转变和马氏体转变之间

因此它具有上面两种转变的特点

第一 贝氏体转变也是一个形核和长大的过程

贝氏体的形核有一定的孕育期

其领先项一般是铁素体

贝氏体的转变速度远比马氏体要慢

二 贝氏体形成时会产生浮凸效应

三 贝氏体转变也有上限温度和下限温度

四 贝氏体转变也有不完全性

也就是说冷却至贝氏体转变终止温度以下

贝氏体转变也不能完全进行

随着转变温度升高转变的不完全性更加明显

五 贝氏体转变时新相和母相奥氏体间

存在着一定的晶体学取向关系

第三 我们看一下贝氏体的形成过程

对于高温范围内的转变

在温度较高的时候

碳的过饱和度较小

贝氏体铁素体形成后

过饱和的碳可以通过界面迅速进入奥氏体

并迅速向纵深扩展

如果奥氏体的碳含量不高

不会形成析出碳化物

于是得到了贝氏体铁素体即碳富化的奥氏体

也就是无碳化物贝氏体

对于中温区的转变

界面附近的奥氏体中的碳含量

将伴随着贝氏体铁素体的生长而显著增高

当奥氏体中析出碳化物

形成羽毛状的上贝氏体

对于低温范围内的转变

形成的贝氏体铁素体过饱和度大

形态由板条状转变为凸透镜片状

接下来我们讨论一下

贝氏体转变的热力学和动力学

贝氏体转变的应变能

小于马氏体转变时的应变能

而大于珠光体转变时的应变能

所以贝氏体转变的上限温度

和B0之间的温度差要小于马氏体转变

以及奥氏体转变

贝氏体等温转变

并不能完全进行

贝氏体的转变是在中温区发生的

转变依赖于碳原子的扩散

和马氏体转变不同

贝氏体转变使奥氏体的碳发生了再分配

使贝氏体铁素体中碳含量降低

这就使得铁素体的自由能降低

从而使在相同温度下的

新母相间的自由能差增大

同时贝氏体与奥氏体间的比容差较小

使得因比容增大和维持切变共格

所引起的弹性应变能减小

而且也使得周围奥氏体的协作形变能减小

这样在不需要

像马氏体转变那样大的过冷度的条件下

就能够满足贝氏体转变的热力学条件

所以贝氏体转变的上限温度

必然显著高于马氏体开始形成温度

通过这样一个图

我们可以发现碳含量

对于贝氏体转变起始温度的影响

碳含量小于百分之0.5时

表示贝氏体形成的上限温度

在这个曲线的ΔF等于0的位置

但当碳含量大于百分之0.5以后

Bs温度保持不变基本

贝氏体转变的动力学过程

贝氏体转变也是一个形核长大的过程

形核需要有一定的孕育期

长大速度比马氏体转变要慢得多

贝氏体转变有不完全性

温度越高越接近贝氏体转变的上限温度

等温转变的量越少

通过这样一个图

我们可以发现在350度附近的时候

直线的斜率发生了变化

而350度正好是上下贝氏体区的过渡温度

可以发现不论是转变激活能

还是动力学的数据测定结果

都显著的不同

说明上下贝氏体转变的机理是不同的

上下贝氏体转变

分别受碳在奥氏体和铁素体中的扩散所控制

由此可以认定

上下贝氏体中的碳化物的析出源

分别是奥氏体和铁素体

这是贝氏体长大速度

形成温度和碳含量之间的关系

关于贝氏体转变的不完全性

我们可以这样来解释

一般贝氏体转变总是优先在贫碳区开始的

随着贝氏体转变量的增加

由于碳不断的向奥氏体中扩散

使得没有转变的奥氏体中的碳浓度越来越高

从而增加了奥氏体的化学稳定性

使它难以转变

同时由于贝氏体的比容比奥氏体大

产生了一定的机械稳定化的作用

也不利于贝氏体转变的继续进行

但是应该注意的是

当钢的Bf点低于马氏体转变

开始温度Ms点时

也就是说在马氏体转变开始温度以下

仍然可以发生贝氏体转变

随着等温温度的降低

贝氏体的转变量越来越少

那么贝氏体转变

也有独立的等温转变动力学图

它的形状也是类似C曲线

主要是由于随着过冷度的增大

相间的自由能差增大

相变驱动力增大

从而促进了这样一个转变过程的加速

与此同时

碳原子的扩散能力

却愈受到过冷度增大的影响

过冷度越大

碳原子扩散能力越慢

又使得转变速度变缓

所以 出现了C曲线的形状

根据钢的化学成分不同

贝氏体转变的C曲线与珠光体转变的C曲线

可以部分的重叠也可以彼此分离

由于新技术的发展

测试灵敏度大为提高

往往可以发现在贝氏体转变区内

实际上存在着上贝氏体 下贝氏体

等温马氏体等几组独立的C曲线

也从侧面证实了

上下贝氏体是按照不同的转变机理形成的

接下来我们看一下贝氏体的力学性能

首先强度

下贝氏体中碳化物颗粒小

数量多 分布均匀

对合金强化的贡献比较大

而上贝氏体中的碳化物颗粒较粗

而且不均匀的分布在贝氏体铁素体条间

所以上贝氏体的强度比下贝氏体的强度低

碳化物的尺寸数量和形成温度

和奥氏体的碳含量有关

一般的说贝氏体形成温度越低

碳化物颗粒越小 数量越多

弥散强化的作用越显著

我们看一下贝氏体铁素体晶粒的大小

晶粒大小和材料屈服强度之间的关系

服从霍尔-佩奇公式

我们可以发现贝氏体铁素体的晶粒尺寸D

实际上是板条宽度的平均值

贝氏体铁素体的晶粒越细小

钢的屈服强度越高

碳化物的离散程度和分布状况

对强度的影响也可以发现

贝氏体中碳化物的弥散强化作用

在下贝氏体中占有特别重要的地位

但是对于上贝氏体来说相对次要

原因主要在于上贝氏体中碳化物比较粗大

而且分布不均匀

由于碳化物的离散度

随着转变温度的降低而增大

所以转变温度越低

碳化物的离散程度越大

下贝氏体的强度越高

溶质元素的固溶强化作用

碳对贝氏体铁素体的固溶强化作用

要比置换式溶入的合金元素要大得多

随着转变温度的降低

由于贝氏体铁素体中的碳过饱和度增大

因此固溶强化效果显著

但是由于贝氏体铁素体中的碳含量

与同一钢种的马氏体相比要小得多

所以它的固溶强化效果

要比马氏体固溶强化效果要小得多

第四 位错密度的影响

随着转变温度的降低

贝氏体铁素体中的位错密度不断增高

可以发现在铁碳合金中

位错密度和由位错密度引起的

屈服强度的增量

存在这样一个关系

它并非通过加工硬化

而是通过改变钢的碳含量

并进行不同的热处理

可以获得不同的位错密度

可以看到位错密度对于贝氏体强度的贡献

下面我们看一下贝氏体的韧性

由于下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体

而且下贝氏体的韧脆转化温度

也总是比上贝氏体要低

贝氏体组织的变化

对于其冲击性能

也就是冲击韧性和韧脆转化温度

起着支配的作用

主要的影响因素有下面几个

第一个是铁素体的板条和板条束的尺寸

上贝氏体的铁素体板条束的直径

一般都比下贝氏体要大

所以上贝氏体的韧脆转化温度

总是高于下贝氏体

第二个 碳化物的形态和分布

在下贝氏体中

碳化物分布在铁素体内

且尺寸比较细小

不容易产生裂纹

一旦有解理裂纹出现

其传播将被许多碳化物或高密度的位错所阻止

从而表现出较高的冲击韧性

和较低的韧脆转化温度

第三个 M-A的岛状组成物

当贝氏体的主要组成物是残余奥氏体的时候

有利于提高贝氏体的冲击韧性

但是不论它的组成比例如何

总是使得韧脆转化温度升高

这主要是因为其中的马氏体

和冷却至低温以后

由残余奥氏体转变而来的马氏体

均属于高碳的孪晶型

有利于解理裂纹的萌生和扩展

第四个 奥氏体的晶粒度

细化奥氏体晶粒

可以直接导致铁素体板条厚度

和板条束直径的减小

从而有利于冲击性能的改善

但对下贝氏体来说

其铁素体的尺寸本来就比上贝氏体要小

因此冲击性能和原来奥氏体晶粒度的依赖关系

不如上贝氏体那样明显

第三个 多种研究表明

在较高的强度水平下

在等强度或者等硬度的条件下相比

下贝氏体组织的冲击韧性

一般要比淬火回火组织要好

应该注意的是在贝氏体的冲击韧性

高于淬火回火组织的同时

其韧脆转化温度往往也比后者要高

主要是由于贝氏体中本身组织特征

除了与贝氏体本身的组织特征有关外

还与含有较多的富碳的M-A岛状组织有关系

工业中应用的高强度或者超高强度钢中

常常通过控制等温转变过程

或者控制连续冷却速度的办法

来获得适当数量的贝氏体加马氏体的复合组织

从而得到良好的强韧性

好

上面就是我们这节课的内容

谢谢大家