貝氏體轉(zhuǎn)變的說明

在珠光體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍之間 過冷奧氏體將按另一種轉(zhuǎn)變機(jī)制轉(zhuǎn)變 由于這一轉(zhuǎn)變?cè)谥虚g溫度范圍內(nèi)發(fā)生 故被稱為中溫轉(zhuǎn)變 在此溫度范圍內(nèi) 鐵原子已難以擴(kuò)散 而碳原子還能進(jìn)行擴(kuò)散 這就決定了這一轉(zhuǎn)變既不同于鐵原子也能擴(kuò)散的珠光體轉(zhuǎn)變以及碳原子也基本上不能擴(kuò)散的馬氏體轉(zhuǎn)變 為紀(jì)念美國著名冶金學(xué)家Bain 此轉(zhuǎn)變被命名為貝氏體轉(zhuǎn)變 轉(zhuǎn)變所得產(chǎn)物則被稱為貝氏體 英文名稱Bainite 用B表示 1 4貝氏體轉(zhuǎn)變 1 一 貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特征 一 貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍貝氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)上限Bs點(diǎn) 也有一個(gè)下限溫度Bf點(diǎn) Bf與Ms無關(guān) 二 貝氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也是由 相與碳化物組成的機(jī)械混合物 但與珠光體不同 不是層片狀組織 且組織形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān) 其中包括 相的形態(tài) 大小以及碳化物的類型及分布等均隨轉(zhuǎn)變溫度而異 三 貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)貝氏體轉(zhuǎn)變也是一個(gè)形核長大過程 可以等溫形成 也可以連續(xù)冷卻形成 等溫形成需要孕育期 等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線具有S形 等溫形成圖也呈C字形 2 四 貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全性貝氏體轉(zhuǎn)變一般不能進(jìn)行到底 通常隨轉(zhuǎn)變溫度的升高 轉(zhuǎn)變的不完全程度增大 即轉(zhuǎn)變具有自制性 在等溫時(shí)有可能出現(xiàn)二次珠光體轉(zhuǎn)變 五 貝氏體轉(zhuǎn)變的擴(kuò)散性貝氏體轉(zhuǎn)變過程中存在有原子的擴(kuò)散 但只有碳原子的擴(kuò)散 而Fe及合金元素的原子均不發(fā)生擴(kuò)散 六 貝氏體轉(zhuǎn)變晶體學(xué)特征貝氏體中F形成時(shí)也能產(chǎn)生表面浮凸 這說明F在形成時(shí)同樣與母相的宏觀切變有關(guān) 母相與新相之間維持第二共格關(guān)系 但所產(chǎn)生的表面浮凸與馬氏體形成所產(chǎn)生的表面浮凸不同 馬氏體是N形的 貝氏體為V形的 七 貝氏體中F的碳含量貝氏體中F的碳含量也是過飽和的 且隨轉(zhuǎn)變溫度的降低過飽和程度增大 3 二 貝氏體的組織形態(tài)和晶體學(xué)一 無碳化物貝氏體1 形成溫度范圍在B轉(zhuǎn)變的最高溫度范圍內(nèi)形成 2 組織形態(tài)是一種單相組織 由大致平行的F板條組成 F板條自A晶界形成 成束地向一側(cè)晶粒內(nèi)長大 在F板條之間為富碳的A F板條較寬 間距較大 隨轉(zhuǎn)變溫度下降 F板條變窄 間距縮小 4 5 富碳的A在隨后的冷卻過程中可能轉(zhuǎn)變?yōu)镻 B M或保持不變 所以說無碳化物貝氏體不能單獨(dú)存在 3 晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)慣習(xí)面為 111 位向關(guān)系為K S關(guān)系 F內(nèi)有一定數(shù)量的位錯(cuò) 二 上貝氏體1 形成溫度范圍在B轉(zhuǎn)變區(qū)的較高溫度范圍內(nèi)形成 對(duì)于中 高碳鋼約在350 550 范圍內(nèi)形成 所以上貝氏體也稱高溫貝氏體 2 組織形態(tài)上貝氏體是一種兩相組織 是由 相和滲碳體組成的 成束的大致平行的 相板條自A晶粒晶界的一側(cè)或兩側(cè)向A晶粒內(nèi)部長大 滲碳體 有時(shí)還有殘余A 分布于 相板條之間 整體看呈羽毛狀 6 7 影響組織形態(tài)的因素C 隨鋼中碳含量的增加 上貝氏體中的 相板條更多 更薄 Cem的形態(tài)由粒狀 鏈球狀而成為短桿狀 Cem數(shù)量增多 不但分布于 相之間 而且可能分布于各 相內(nèi)部 形成溫度 隨形成溫度的降低 相變薄 滲碳體更小 且更密集 3 晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)F的慣習(xí)面為 111 位向關(guān)系接近于K S關(guān)系亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò) 位錯(cuò)密度較高 能形成纏結(jié) 8 三 下貝氏體1 形成溫度范圍一般在350 Ms之間的低溫區(qū) 2 組織形態(tài)也是一種兩相組織 由 相與碳化物組成 相的立體形態(tài)呈片狀 或透鏡片狀 在光學(xué)顯微鏡下呈針狀 與片狀M相似 形核部位大多在A晶界上 也有相當(dāng)數(shù)量位于A晶內(nèi) 碳化物為Cem或 碳化物 碳化物呈細(xì)片狀或顆粒狀 排列成行 約以55 60 角度與下貝氏體的長軸相交 并且僅分布在F片內(nèi)部 鋼的化學(xué)成份 A晶粒度和均勻化程度對(duì)下貝氏體的組織形態(tài)影響較小 9 10 3 晶體學(xué)特征及亞結(jié)構(gòu)下貝氏體中 相與A之間的位向關(guān)系為K S關(guān)系 慣習(xí)面不確定 110 254 及 569 亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)無孿晶 相中碳的含量是過飽和的 隨轉(zhuǎn)變溫度降低 過飽和程度增大 11 四 粒狀貝氏體是1957年由Habraken首先確定的 主要是在低碳和中碳合金鋼中以一定的速度連續(xù)冷卻后獲得的 如正火 熱軋后的空冷 焊縫的熱影響區(qū)中等 后來的研究 發(fā)現(xiàn)等溫也可以形成 形成溫度稍高于上貝氏體的形成溫度 其組織是由F和富碳的A組成 F呈塊狀 由F針片組成 而富碳的A呈條狀在F基體上呈不連續(xù)分布 F的C 很低 接近平衡狀態(tài) 而A的C 確很高 12 13 14 富碳的A由于冷卻條件和其穩(wěn)定性的不同 在隨后的冷卻過程中 可能發(fā)生以下三種不同的轉(zhuǎn)變情況 1 部分或全部分解為F和碳化物 2 可能部分轉(zhuǎn)變?yōu)镸 C 很高 屬于孿晶片狀M M和殘余A統(tǒng)稱為 M A 組成物或 M A 組織 3 可能全部保留下來 15 五 反常貝氏體在過共析鋼中可以見到 形成溫度在350 稍上 F夾在兩片Cem中間的組織形態(tài) 16 六 柱狀貝氏體一般在高碳碳素鋼或高碳中合金鋼中當(dāng)溫度處于下貝氏體形成溫度范圍時(shí)出現(xiàn) F呈放射狀 碳化物分布在F內(nèi)部 形成時(shí)不產(chǎn)生表面浮凸 17 七 B B B 日本的大森在研究低碳低合金高強(qiáng)時(shí)發(fā)現(xiàn) 在某些鋼中的貝氏體可以明顯地分為三類 分別把這三類B稱為第一類 第二類和第三類貝氏體 并用B B B 分別表示 B 約在600 500 之間形成 無碳化物析出 B 約在500 450 之間形成 碳化物在F之間析出 B 約在450 Ms之間形成 碳化物分布在F內(nèi)部 18 19 三 貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué) 一 貝氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)1 貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn) 1 貝氏體轉(zhuǎn)變速度比馬氏體轉(zhuǎn)變速度慢很多原因 一般認(rèn)為B長大速度受碳原子從F中脫溶速度控制 2 貝氏體轉(zhuǎn)變的不完全性一般B轉(zhuǎn)變量隨溫度降低最大轉(zhuǎn)變量增加 通常有兩種情況 一是溫度低于某一溫度 A可全部轉(zhuǎn)變?yōu)锽 二是等溫溫度很低時(shí)也不能完全轉(zhuǎn)變 20 殘留下來的A可能發(fā)生下列變化 1 一直保持不變 2 當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)發(fā)生二次珠光體轉(zhuǎn)變 甚至到A全部轉(zhuǎn)變 3 可能與珠光體和馬氏體轉(zhuǎn)變重疊1 與珠光體轉(zhuǎn)變重疊 P轉(zhuǎn)變?cè)谙?B轉(zhuǎn)變?cè)诤?2 與馬氏體轉(zhuǎn)變重疊 當(dāng)Ms較高時(shí) 在Ms以下可先形成一定數(shù)量的M 而后發(fā)生B轉(zhuǎn)變 21 2 貝氏體等溫形成圖與P轉(zhuǎn)變相同 B的等溫動(dòng)力學(xué)曲線也具有S形 但B等溫轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底 等溫溫度愈高 愈接近Bs點(diǎn) 等溫轉(zhuǎn)變量愈少 22 B轉(zhuǎn)變的等溫形成圖也具有C字形 在Bs溫度以下隨等溫溫度降低 孕育期先增后減具有一個(gè)鼻子 對(duì)于碳鋼 由于P轉(zhuǎn)變與B轉(zhuǎn)變C曲線重疊在一起 因此合并成一個(gè)C曲線 23 24 二 貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)碳的擴(kuò)散1 奧氏體中碳的擴(kuò)散B轉(zhuǎn)變是在碳原子還能擴(kuò)散的中溫范圍內(nèi)發(fā)生的 為了在A中形成低碳的F C必將在A中偏聚 當(dāng)A的碳含量超過其溶解度時(shí) ES及其處長線 碳將以碳化物的形式自A中析出 而使A的C 降低 在B轉(zhuǎn)變過程中A的C 有可能升高 也有可能降低 具體情況取決于A的成份及轉(zhuǎn)變溫度而定 25 26 2 貝氏體中鐵素體內(nèi)碳的擴(kuò)散F形成初期C含量是過飽和的 而B轉(zhuǎn)變溫度范圍較M轉(zhuǎn)變高 故B中F在形成后必然要發(fā)生分解 以碳化物的形式由B中的F內(nèi)析出過飽和的碳 從而使F的C 下降 27 三 影響貝氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的因素1 碳含量規(guī)律 隨A中碳含量的增加 B轉(zhuǎn)變速度下降 原因 C含量高時(shí) 形成F核心 較困難 而從F中向外排出碳的數(shù)量增多 從而增加了B的形成時(shí)間 28 2 合金元素凡是降低C擴(kuò)散速度 阻礙F共格長大 阻礙碳化物形成的元素 都使B轉(zhuǎn)變速度下降 因此 除Co Al以外所有合金元素都降低B轉(zhuǎn)變速度 使B轉(zhuǎn)變的C曲線右移 但作用不如C顯著 同時(shí)也使貝氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍下降 從而使珠光體與貝氏體轉(zhuǎn)變的C曲線分開 29 3 奧氏體晶粒大小和奧氏體化溫度A晶粒大小 隨A晶粒增大 B轉(zhuǎn)變?cè)衅谘娱L轉(zhuǎn)變速度下降 其原因是由于晶粒大晶界面積小 形成F核心的幾率小 同時(shí)碳的擴(kuò)散距離長 A化溫度 A化溫度高 晶粒粗大 成份均勻 貧碳區(qū)少 這都影響F的形核 使B轉(zhuǎn)變的孕育期延長 轉(zhuǎn)變速度下降 30 4 應(yīng)力的影響拉應(yīng)力使B轉(zhuǎn)變速度增加 尤其對(duì)下B更顯著 壓應(yīng)力的作用不清楚 5 塑性變形 1 在較高溫度 1000 800 范圍內(nèi)對(duì)A進(jìn)行塑性變形 將使A向B轉(zhuǎn)變的孕育期增長 轉(zhuǎn)變速度下降 轉(zhuǎn)變的不完全程度增大 原因 一方面變形使A中的缺陷密度增加 有利于C原子的擴(kuò)散 有利于B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行 而另一方面 A形變后會(huì)產(chǎn)生多邊化亞結(jié)構(gòu) 這對(duì)B中F的共格生長是不利的 通常以后者的作用為主 31 2 在較低溫度 350 300 范圍內(nèi)對(duì)A進(jìn)行塑性變形將加速B的形成 原因 A晶體缺陷密度更大 促進(jìn)C的擴(kuò)散 并且形變會(huì)使A中的應(yīng)力增加 有利于B中F按M型轉(zhuǎn)變機(jī)制形成 結(jié)果使B轉(zhuǎn)變速度加快 6 冷卻在不同溫度下停留 1 在P與B轉(zhuǎn)變區(qū)之間的亞穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)停留會(huì)加速隨后的B轉(zhuǎn)變 原因 停留過程中A析出碳氮化物 降低了A的穩(wěn)定性 2 在高溫區(qū)先進(jìn)行部份上B轉(zhuǎn)變 將會(huì)使低溫區(qū)下B的轉(zhuǎn)變速度降低 孕育期處長 不完全程度增大 原因 可能是一種A的穩(wěn)定化現(xiàn)象 還不十分清楚 32 3 先在低溫區(qū)形成少量M或下B 將促進(jìn)后續(xù)高溫區(qū)的B形成 轉(zhuǎn)變速度加快 原因 可能是因?yàn)樵谳^低溫度下進(jìn)行部份M和下B轉(zhuǎn)變時(shí) 所產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)促進(jìn)以后在較高溫度下進(jìn)行B轉(zhuǎn)變的晶核的形成 33 四 貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)及轉(zhuǎn)變機(jī)制 一 貝氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)B轉(zhuǎn)變是通過形核與長大過程進(jìn)行的 轉(zhuǎn)變時(shí)的領(lǐng)先相是通過形核與長大進(jìn)行的 轉(zhuǎn)變時(shí)的領(lǐng)先相是鐵素體 轉(zhuǎn)變過程中有碳原子的擴(kuò)散 轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力同樣是新舊兩相之間的體積自由能之差 G GV GD GS GE 34 1 恩菌假說由于貧碳造成Ms升高而使B轉(zhuǎn)變可以在原Ms溫度以上的溫度下發(fā)生 認(rèn)為A在沒轉(zhuǎn)變?yōu)镸之前已經(jīng)發(fā)生了C原子的擴(kuò)散再分布 形成了富碳A區(qū)和貧碳A區(qū) 在貧碳A區(qū) 由于C 低 而引起Ms點(diǎn)升高 而含碳高的富碳A區(qū)的Ms則降低 因此 在等溫過程中貧碳A達(dá)到了Ms點(diǎn)溫度則轉(zhuǎn)變?yōu)镸 而M再分解為低C的F和碳化物所組成的B 而富碳的A在等溫過程中 由于C含量高而析出碳化物變成貧碳的A 然后再轉(zhuǎn)變?yōu)镸 該M在等溫度過程中進(jìn)一步分解為B 35 2 柯俊熱力學(xué)說相變時(shí)自由能的變化 G GV GD GS GE從上式來看 M相變可以發(fā)生的條件是 G 0 但由于M相變的熱滯較大 所以M相變只能在Ms以下的溫度才能發(fā)生 如果在轉(zhuǎn)變過程中 能使 Gv升高 即絕對(duì)值增大 使 Ge 彈性應(yīng)變能 降低 可以使 G降低 從而使M形的相變可以在Ms以上發(fā)生 36 在B轉(zhuǎn)變過程中 伴隨著碳原子的擴(kuò)散 從而降低了B中的F的碳含量 使F的自由能降低 引起 Gv升高 同時(shí)B與A之間的比溶差較小 使體積變化產(chǎn)生的應(yīng)變能減小 形成溫度高 長大速度慢 A強(qiáng)度低 使A塑變和共格界面移動(dòng)克服的阻力減小 這些都引起 Ge減小 使B轉(zhuǎn)變可以在Ms以上的溫度下進(jìn)行 即Bs高于Ms 37 二 貝氏體轉(zhuǎn)變的切變機(jī)制貝氏體轉(zhuǎn)變包括貝氏體鐵素體的形成以及碳化物的析出 長期以來 圍繞著這兩個(gè)問題進(jìn)行著爭(zhēng)論 在爭(zhēng)論中最主要的是切變機(jī)制與臺(tái)階機(jī)制之爭(zhēng) 1 切變機(jī)制柯俊最先發(fā)現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變一樣 在形成貝氏體鐵素體時(shí)也能在拋光表面引起浮凸 以后又得出形成魏氏鐵素體時(shí)也能引起浮凸 據(jù)此 認(rèn)為魏氏鐵素體即貝氏體鐵素體 貝氏體鐵素體與馬氏體一樣 也是通過切變機(jī)制形成的 由于貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)碳原子尚能擴(kuò)散 這就導(dǎo)致貝氏體轉(zhuǎn)變與馬氏體轉(zhuǎn)變的不同以及貝氏體組織的多樣性 38 39 1 高溫范圍的轉(zhuǎn)變 無碳化物貝氏體 由于溫度高 初形成的鐵素體的過飽和度很小 且碳在鐵素體和奧氏體中的擴(kuò)散能力均很強(qiáng) 在貝氏體鐵素體形成后 鐵素體中過飽和的碳可以通過界面很快進(jìn)入奧氏體而使鐵素體的碳含量降低到平衡濃度 通過界面進(jìn)入奧氏體的碳也能很快地向奧氏體縱深擴(kuò)散 使奧氏體的碳含量都得到提高而不致集聚在界面附近 如果奧氏體的含碳量并不高 不會(huì)因?yàn)樨愂象w鐵素體的形成而析出碳化物 因此得到的是貝氏體鐵素體及碳富化了的奧氏體 即無碳化物貝氏體 也包括魏氏鐵素體在內(nèi) 40 2 中溫范圍的轉(zhuǎn)變 上貝氏體 在350 550 的中間溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變時(shí) 轉(zhuǎn)變初期與高溫范圍的轉(zhuǎn)變基本一樣 但此時(shí)的溫度已比較低 碳在奧氏體中的擴(kuò)散已變得困難 通過界面由貝氏體鐵素體擴(kuò)散進(jìn)入奧氏體中的碳原子已不可能進(jìn)一步向奧氏體縱深擴(kuò)散 尤其是板條鐵素體束兩相鄰鐵素體條之間的奧氏體中的碳更不可能向外擴(kuò)散 故界面附近的奧氏體 尤其是兩鐵素體條之間的奧氏體中的碳將隨貝氏體鐵素體的長大而顯著升高 當(dāng)超過奧氏體溶解度極限時(shí) 將自奧氏體中析出碳化物而形成羽毛狀的上貝氏體 41 3 低溫范圍的轉(zhuǎn)變 下貝氏體 在350 以下轉(zhuǎn)變與上述轉(zhuǎn)變有較大的差異 由于溫度低 初形成的鐵素體的碳含量高 故貝氏體鐵素的形態(tài)已由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥哥R片狀 此時(shí) 不僅碳原子已難以在奧氏體中擴(kuò)散 就是在鐵素體中也難以作較長距離的擴(kuò)散 而貝氏體鐵素中的過飽和度又很大 而碳原子又不能通過界面進(jìn)入奧氏體 只能以碳化物的形式在貝氏體鐵素體內(nèi)部析出 隨著碳的析出 貝氏體鐵素體的自由能將下降以及比容的縮小所導(dǎo)致的彈性應(yīng)變能的下降 將使已形成的貝氏體鐵素片進(jìn)一步長大 得到下貝氏體組織 42 43 4 粒狀貝氏體的形成一般認(rèn)為在某些低碳鋼中出現(xiàn)的粒狀貝氏體是由無碳化物貝氏體演變而來的 當(dāng)無碳化物貝氏體針長大到彼此匯合時(shí) 剩下的小島狀?yuàn)W氏體便為鐵素體所包圍沿鐵素體條間呈條狀斷續(xù)分布 因鋼碳含量較低 剩余奧氏體的碳含量也不超過其溶解度極限 故不會(huì)析出碳化物 這就形成了粒狀貝氏體 5 貝氏體的亞基元 44 45 6 切變機(jī)制存在的問題1 為什么貝氏體轉(zhuǎn)變所引起的浮凸不同于馬氏體所引起的浮凸 2 為什么貝氏體鐵素體與奧氏體之間的晶體學(xué)位向關(guān)系不同于馬氏體與奧氏體之間的位向關(guān)系 3 為什么透鏡片狀貝氏體鐵素體中沒有孿晶 4 為什么下貝氏體中的碳化物的分布與回火馬氏體中碳化物分布明顯不同 5 按切變機(jī)制 貝氏體鐵素體應(yīng)是片狀 但為什么上貝氏體鐵素體接近針狀 46 三 貝氏體轉(zhuǎn)變的臺(tái)階機(jī)制Aaronson等人強(qiáng)調(diào)貝氏體是非層狀共析反應(yīng)產(chǎn)物 亦即貝氏體轉(zhuǎn)變是一種特殊的共析反應(yīng) 他們認(rèn)為 貝氏體轉(zhuǎn)變與珠光體轉(zhuǎn)變或馬氏體轉(zhuǎn)變不同 是通過臺(tái)階機(jī)制長大的 47 臺(tái)階的水平面為 的半共格界面 界面兩側(cè)的 與 有一定的位向關(guān)系 在半共界面上存在著柏氏矢量與界面平行的刃型位錯(cuò) 界面由位錯(cuò)和臺(tái)階組織成 臺(tái)階的端面為非共格界面 這樣的界面活動(dòng)能力很高 易于向側(cè)面移動(dòng) 從而使水平面向上推移 48 珠光體 貝氏體 馬氏體轉(zhuǎn)變主要特征 49 五 貝氏體的力學(xué)性能貝氏體的力學(xué)性能決定于其組織形態(tài) 但組織和性能又受多種因素影響 所以對(duì)貝氏體來說在組織和性能之間還很難建立起定量的關(guān)系 僅能定性的說明與兩者之間的關(guān)系 一般來說 下貝氏體的強(qiáng)度較高 韌性也較好 而上貝氏體的強(qiáng)度低 韌性差 50 一 貝氏體的強(qiáng)度 硬度 影響貝氏體強(qiáng)度的因素有 1 貝氏體鐵素體條或片的粗細(xì)如果將貝氏體條 片 的大小看作是貝氏體的晶粒 則可用