好文：钢在冷却时的转变之贝氏体

钢在冷却时的转变之贝氏体的组织形态、性能、特点

一、定义

1.贝氏体 （中温转变）：当奥氏体过冷到低于珠光体转变温度和高于马氏体转变温度之间的温区时，将发生由切变相变与短程扩散相配合的转变，其转变产物叫贝氏体或贝茵体；

2.贝氏体转变特点：具有某些珠光体转变和马氏体转变的特点：

• 同珠光体转变相似之处：贝氏体也是又铁素体+碳化物组成的机械混合物，在转变过程中发生在铁素体中的扩散；

• 同马氏体转变相似之处：奥氏体向铁素体的晶格改组是通过切变方式进行的；

• 贝氏体转变是由扩散、共格的转变；

二、贝氏体的组织形态

1.分类：

碳含量ωC	形成温度℃	贝氏体形态	特征
ωC＞0.4	600~350℃	上贝氏体	羽毛状
	350℃~Ms	下贝氏体	黑色针状

1）上贝氏体显微组织形貌：

• 在光学显微镜下：中、高碳钢的上贝氏体组织的典型特征呈羽毛状；

• 在电子显微镜下：上贝氏体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、短杆状的渗碳体所组成；

• 上贝氏体中的铁素体含过饱和的碳，存在位错结构；铁素体的形态和亚结构与板条马氏体相似，但其位错密度比马氏体要低2~3个数量级；

• 形成为温度下降，上贝氏体中的铁素体条宽度变细，渗碳体丝滑且弥散度增大；

• 上上贝氏体中的铁素体条间还可能存在未转变的残留奥氏体。

• 上贝氏体组织示例图片：

2）下贝氏体显微组织形貌

• 在光学显微镜下：呈黑色针状，它可以在奥氏体晶界上形成，但更多时在奥氏体晶粒内沿着某些晶面单独地或成堆地长成针叶状；

• 在电子显微镜下：下贝氏体由碳过饱和的片状铁素体和其内部析出的微细碳化物组成。

• 下贝氏体中的含碳量高于上贝氏体中的铁素体；其立体形态，同片状马氏体的一样，也呈现凸透状；

• 下贝氏体亚结构高密度位错，位错密度比上贝氏体中的铁素体高；

• 下贝氏体组织示例图片：

3）粒状贝氏体显微组织形貌

• 一般在低碳钢及低、中碳合金钢中在特定状态下存在；

• 形成温度：一般在上贝氏体形成温度以上和奥氏体转变为贝氏体最高温度（B_S）以下范围内；

• 光镜下组织特征：大块状或针状铁素体内分布着一些颗粒状小岛（这些小岛在高温下原是富碳奥氏体区）；

  

• 一些研究表明，大多数结构钢，无论C曲线形状如何，也无论是连续冷却还是等温冷却，只要冷却过程控制在一定范围内，都可以形成粒状贝氏体，并且其组织也是多种多样的；

三、贝氏体的性能

1）贝氏体的性能影响因素

• 主要取决于其组织形态；贝氏体是铁素体和碳化物组成的双相组织，其中各相的形态、大小和分布都影响贝氏体的性能

2）上贝氏体的性能

上贝氏体形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒较粗大，碳化物呈短杆状平行分布在铁素体板条之间，铁素体和碳化物分布有明显的方向性。这种组织状态使铁素体条间易产生脆断，铁素体条本身也可能成为裂纹扩展的路径。在400~550℃温度区间形成的上贝氏体不但硬度低，而且冲击韧性也显著降低。所以在工程材料中一般应避免上贝氏体组织的形成；

3）下贝氏体的性能

• 下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，位错密度很高，在铁素体内部又沉淀处细小，多量而弥散的碳化物，因此下贝氏体不但强度，而且韧性也很好，即具有良好的综合力学性能，生产上广泛采用等温淬火工艺就是为了得到这种强、韧结合的下贝氏体组织。

4）粒状贝氏体的性能

• 粒状贝氏体组织中，在颗粒状或针状铁素体基体中分布着许多小岛，这些小岛无论是残留奥氏体、马氏体，还是奥氏体的分解产物都可以起到第二相强化作用；

• 粒状贝氏体的抗拉强度和屈服强度随小岛所占面积的增多而提高。

四、贝氏体转变的特点

1）贝氏体转变是一个形核与长大的过程

• 贝氏体转变和珠光体相似，是一个相分解为两个相，其转变过程也是一个形核和长大的过程。贝氏体转变通常需要一定的孕育期，在孕育期内，由于碳在奥氏体中重新分布，造成浓度起伏，随着过冷度增大，奥氏体成分越来越不均匀，因而有可能形成富碳区和贫碳区，在含碳较低的部位首先形成铁素体晶核。上贝氏体中铁素体晶核一般优先在奥氏体晶界贫碳区上形成，下贝氏体由于过冷度大，铁素体晶核可在奥氏体晶粒内形成。铁素体形核后，当浓度起伏合适且晶核尺寸超过临界尺寸时并开始长大，在其长大的同时，过饱和的碳从铁素体向奥氏体中扩散，并于铁素体之间或在铁素体内部沉淀析出碳化物。因此贝氏体长大速度受碳的扩散所控制。通常，上贝氏体的长大速度取决于碳在奥氏体中的扩散，而下贝氏体的转变速度取决于碳在铁素体中的扩散。因此，贝氏体转变速度远比贝氏体低。

2）贝氏体转变是一个形核与长大的过程

• 贝氏体转变时奥氏体时通过马氏体转变机制，即切变机制转变而成的。

3）贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关

奥氏体在中温区不同温度等温，由于贝氏体中碳化物分布不同，可以形成不同类型的贝氏体。

• 对于低碳钢，如果转变温度比较高，碳原子扩散能力比较强，在贝氏体中铁素体形成的同事，碳原子可以由铁素体通过铁素体—奥氏体相界面向奥氏体进行充分扩散，从而得到由条状铁素体组成的无碳化物贝氏体。由于形成温度高，过冷度小，新相和母相自由能差小。故铁素体条间距离较大。未转变的奥氏体在继续保温过程中转变为珠光体或冷却至冷却至室温转变为马氏体，也可以残留奥氏体形式保留下来。

  

• 当奥氏体转温度较低情况下，处于上贝氏体转变温度范围内，此时碳原子由铁素体通过铁素体-奥氏体相界面向奥氏体的扩散不能充分进行。因此在奥氏体晶界上形成相互平行的铁素体条的同时，故当铁素体条件奥氏体的碳浓度腹肌到一定程度是时便析出渗碳体，从而得到在铁素体条间断续渗碳体的羽毛状贝氏体。

• 当奥氏体转变温度更低时，碳在奥氏体中的扩散更加困难，而碳在铁素体中的扩散仍可进行。因而使碳原子只能通在铁素体内某些特定晶面上聚集，进而析出碳化物，得到针状的下贝氏体组织。

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