貝氏體轉(zhuǎn)變案例

貝氏體轉(zhuǎn)變案例第1頁/共38頁

貝氏體轉(zhuǎn)變是中溫轉(zhuǎn)變。優(yōu)點(diǎn)：1）使鋼得到良好的綜合機(jī)械性能2）減少像一般淬火產(chǎn)生的變形和開裂傾向。因此，研究貝氏體轉(zhuǎn)變及其應(yīng)用，對于改善鋼的強(qiáng)韌性，具有重要的意義。研究貝氏體轉(zhuǎn)變的意義第2頁/共38頁貝氏體轉(zhuǎn)變的基本特點(diǎn)和規(guī)律轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)，性能及其影響因素等轉(zhuǎn)變機(jī)理（一般性介紹）相變動力學(xué)貝氏體力學(xué)性能本章主要內(nèi)容第3頁/共38頁貝氏體分類第4頁/共38頁貝氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在“鼻溫”至Ms點(diǎn)范圍內(nèi)進(jìn)行的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。

上貝氏體貝氏體是碳化物（滲碳體）分布在碳過飽和的鐵素體基體上的兩相混合物。

共析鋼上貝氏體大約在550℃（“鼻溫”）至350℃之間形成

光學(xué)顯微鏡觀察，典型上貝氏體組織形態(tài)呈羽毛狀貝氏體組織和性能第5頁/共38頁

共析鋼下貝氏體大約在350℃至Ms之間形成

下貝氏體

光學(xué)顯微鏡觀察，下貝氏體呈黑色針狀或竹葉狀。針與針之間呈一定的角度

下貝氏體中的碳化物呈粒狀或短條狀彌散分布，與鐵素體長軸呈55～600金相TEM貝氏體組織和性能第6頁/共38頁無碳化物貝氏體Si、Al等抑制碳化物析出元素延遲碳化物形成低碳合金鋼，形成貝氏體鐵素體后，滲碳體尚未析出，奧氏體穩(wěn)定化當(dāng)上貝氏體組織中只有貝氏體鐵素體和殘余奧氏體而不存在碳化物時，稱為無碳化物貝氏體貝氏體鐵素體片條平行排列，片條間是富碳奧氏體或冷卻產(chǎn)物貝氏體組織和性能無碳化物貝氏體第7頁/共38頁粒狀貝氏體F（鐵素體）基體上分布著孤立的M/A（馬氏體/奧氏體）小島形成條件：低碳或中碳合金鋼在一定的冷速范圍內(nèi)連續(xù)冷卻時獲得的貝氏體組織和性能粒狀貝氏體第8頁/共38頁貝氏體的力學(xué)性能由組織形態(tài)決定貝氏體的力學(xué)性能上貝氏體的強(qiáng)度較低、韌性較差下貝氏體不僅強(qiáng)度高，而且韌性也好，表現(xiàn)為具有較好的綜合力學(xué)性能，是一種很有應(yīng)用價值的組織

第9頁/共38頁貝氏體的力學(xué)性能B的強(qiáng)度的影響因素1．B的F條或片的粗細(xì)－晶粒細(xì)化

B晶粒（板條）直徑愈小，強(qiáng)度愈高。強(qiáng)度決定于形成溫度，溫度愈低，強(qiáng)度愈高。2．彌散K質(zhì)點(diǎn)

B下中K顆粒小，顆粒數(shù)量多，對B下的貢獻(xiàn)大；

B上中K顆粒粗，且分布在F條間，分布極不均勻，所以B上的強(qiáng)度比B下低得多。3．其它因素的強(qiáng)化作用－固溶強(qiáng)化（程度低于M），位錯強(qiáng)化（亞結(jié)構(gòu)）第10頁/共38頁C的固溶強(qiáng)化隨著形成溫度的降低，貝氏體（包括無碳B、上B和下B）鐵素體中碳的過飽和程度增加，碳的固溶強(qiáng)化的作用也越來越顯著。但與M相比，貝氏體鐵素體中的碳含量要低許多，所以C的固溶強(qiáng)化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要小許多。合金元素的固溶強(qiáng)化與碳的固溶強(qiáng)化相比作用小一些。固溶強(qiáng)化與一般鐵素體相比，無碳B、上B和下B的鐵素體的位錯密度都比較高，其中下B中鐵素體的位錯密度最大，因此強(qiáng)化效果最明顯。位錯強(qiáng)化強(qiáng)化機(jī)理第11頁/共38頁低碳貝氏體的塑性總是高于高碳貝氏體，即使在相同強(qiáng)度條件下?？梢酝ㄟ^降低碳含量來提高貝氏體的塑性，而通過合金元素的置換固溶強(qiáng)化來保證強(qiáng)度。當(dāng)殘余奧氏體主要以薄膜形式存在于貝氏體鐵素體亞單元之間時，延伸率最大貝氏體的塑性第12頁/共38頁貝氏體的沖擊韌性

合金組織為單相時，韌性主要決定于晶粒大小，當(dāng)有第二相時，韌性還與第二相大小，形狀和數(shù)量有關(guān)。強(qiáng)度高的下貝氏體的韌性比上貝氏體高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度也比較低，這是因?yàn)橄仑愂象w中碳化物比較細(xì)小、彌散造成的。隨著B形成溫度的降低，強(qiáng)度的逐漸增加，韌性并不降低，反而有所增加－這是B組織力學(xué)性能變化的重要特點(diǎn)。第13頁/共38頁轉(zhuǎn)變溫度范圍：介于P轉(zhuǎn)變與M轉(zhuǎn)變之間－中溫轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：α相與K組成的兩相混合物（非層狀混合組織）轉(zhuǎn)變過程：形核、長大的過程，需要孕育期，鐵素體為領(lǐng)先相鐵素體的成長和碳化物的析出不完全性：貝氏體等溫轉(zhuǎn)變與馬氏體一樣，也不能進(jìn)行到終了擴(kuò)散性：Fe原子不能擴(kuò)散，C原子能擴(kuò)散晶體學(xué)特征：有表面浮凸→轉(zhuǎn)變以切變的方式完成晶格重構(gòu)貝氏體中的鐵素體以切變形式形成6.2貝氏體的轉(zhuǎn)變基本特征第14頁/共38頁目的：為弄清貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制提供線索，同時為制定與貝氏體轉(zhuǎn)變有關(guān)的熱處理工藝提供依據(jù)。B轉(zhuǎn)變動力學(xué)6.3.1等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)第15頁/共38頁B轉(zhuǎn)變時C的擴(kuò)散

與M不同，B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行依賴于碳原子的擴(kuò)散。為了在A中形成低C的F，C必將向A富集，當(dāng)A的C含量超過Fe3C在A中的溶解度曲線ES及其延長線時，C又將以Fe3C形式析出，使A含C量下降。

中碳時，等溫開始后，B轉(zhuǎn)變前，A中C含量就發(fā)生了明顯變化，表明在A中已出現(xiàn)了局部小范圍的低碳區(qū)，為形成低碳的B作好了準(zhǔn)備。以后隨B轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，A碳含量不斷升高。C為1.18％時，孕育期和轉(zhuǎn)變初期，A中C含量基本不變，隨后，C含量顯著下降，因?yàn)樽詩W氏體中析出了碳化物。C為1.39％時，在孕育期，奧氏體碳含量就有了明顯下降，表明自等溫一開始就析出了碳化物。第16頁/共38頁等溫轉(zhuǎn)變量（曲線1）及奧氏體點(diǎn)陣常數(shù)（曲線2）與等溫時間的關(guān)系a)C=0.48%;b)C=1.18%;c)C=1.39%B轉(zhuǎn)變時C的擴(kuò)散第17頁/共38頁影響B(tài)轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素1）碳含量隨A中C含量的增加，B轉(zhuǎn)變速度下降。因?yàn)镃含量高，形成B時需要擴(kuò)散的C原子量增加。2）合金元素（Me)除Al、Co外，Me都或多或少地降低B轉(zhuǎn)變速度，同時使B轉(zhuǎn)變的溫度范圍下降，從而使P與B的C曲線分開。第18頁/共38頁4)應(yīng)力拉應(yīng)力加快B轉(zhuǎn)變。5)塑性變形在較高溫度的形變，使B轉(zhuǎn)變變慢；在較低溫度的形變，使B轉(zhuǎn)變加快。3)A晶粒大小與A化溫度⑴晶粒大小隨A晶粒增大，B轉(zhuǎn)變孕育期增長，轉(zhuǎn)變速度變慢。這表明A晶界是B形核的優(yōu)先部位。⑵A化溫度和時間隨奧氏體化溫度升高，時間延長，B轉(zhuǎn)變速度先升后降？影響B(tài)轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素第19頁/共38頁6）冷卻時在不同溫度下的停留時間曲線1：在P與B轉(zhuǎn)變區(qū)之間的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的停留會加速隨后的轉(zhuǎn)變。因?yàn)槲龀隽薑，降低了A穩(wěn)定性。曲線2：在B形成溫度區(qū)域的高溫區(qū)停留，形成部分B上后再冷至低溫區(qū)，先形成的B會降低B轉(zhuǎn)變速度。曲線3：先冷至Ms以下形成少量M或B下再升至較高溫度，可使B轉(zhuǎn)變速度加快。影響B(tài)轉(zhuǎn)變動力學(xué)的因素第20頁/共38頁切變理論B轉(zhuǎn)變機(jī)制Bhadashia模型Hehemann模型B轉(zhuǎn)變包括B中F的形成與K析出臺階擴(kuò)散理論（Aaronson，美國冶金學(xué)家）第21頁/共38頁

在貝氏體形成過程，F(xiàn)e和置換式原子不發(fā)生擴(kuò)散，貝氏體鐵素體以切變相變方式形核長大，完成面心立方結(jié)構(gòu)向體心立方結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣改組。鐵素體長大速度高于碳的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致碳在鐵素體中過飽和。隨后多余的碳以碳化物形式從過飽和的鐵素體中析出，或擴(kuò)散到奧氏體中，再從奧氏體中以碳化物析出。切變理論——Hehemann模型第22頁/共38頁切變理論——Hehemann模型鋼中貝氏體相變過程示意圖?Hehemann模型第23頁/共38頁切變理論——Bhadashia模型觀點(diǎn)：貝氏體鐵素體通過亞單元的應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)形核和長大。貝氏體的形成經(jīng)歷了三個過程，即亞單元的重復(fù)形核、長大及碳化物的析出。切變理論的一個重要推論是當(dāng)合金中的碳含量足夠高時不形成上貝氏體，而合金中的碳含量足夠低時不形成下貝氏體。第24頁/共38頁貝氏體相變過程示意圖?Bhadeshia模型切變理論——Bhadashia模型第25頁/共38頁臺階擴(kuò)散理論核心思想為：貝氏體是非層狀共析產(chǎn)物，在貝氏體相變過程包括了鐵和置換式原子及碳原子的擴(kuò)散過程。貝氏體鐵素體的形核和長大通過臺階的激發(fā)形核-臺階長大機(jī)制進(jìn)行，長大過程受碳的擴(kuò)散控制。在貝氏體鐵素體寬面上存在生長臺階，在臺階前沿的殘留奧氏體中碳富集程度高，碳化物在臺階前沿的富碳奧氏體中析出。第26頁/共38頁臺階的水平面為α－γ的半共格界面，界面兩側(cè)的α、γ有一定的位向關(guān)系，在半共格界面上存在柏氏矢量與界面平行的刃形位錯；臺階的端面（垂面）為非共格面，其原子處于較高的能量狀態(tài)，因此有較高的活動性，易于實(shí)現(xiàn)遷移，使臺階側(cè)向移動，從而導(dǎo)致臺階寬面向前推進(jìn)。臺階擴(kuò)散理論第27頁/共38頁臺階移動的速度受碳原子的擴(kuò)散控制。在原有臺階消失后，必須待新的臺階形成后，長大才能繼續(xù)進(jìn)行。關(guān)于臺階的來源至今還未完全弄清楚。《貝氏體相變理論》－俞德剛、王世道著上海交通大學(xué)出版社，1998年出版。臺階擴(kuò)散理論第28頁/共38頁如何采用盡可能簡單的熱處理工藝獲得綜合性能優(yōu)異的金屬材料？將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的淬火工藝----等溫淬火。第29頁/共38頁工件淬火加熱后，若長期保持在下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度，使之完成奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，獲得下貝氏體組織，這種淬火稱為等溫淬火6.6等溫淬火及其應(yīng)用①、等溫淬火一般用于中碳以上的鋼，低碳鋼一般不采用等溫淬火；②、等溫淬火適用于尺寸較小的工件；③、等溫淬火適合于處理形狀復(fù)雜、尺寸精度要求較高的工具和重要的機(jī)器零件，如模具、刀具、齒輪等。④、等溫淬火適合于形狀復(fù)雜，要求變形小，處理后具有高硬度和強(qiáng)韌性的塑性和韌性的工件。⑤、常用于合金鋼、高碳鋼小尺寸零件及球墨鑄鐵件。第30頁/共38頁總結(jié)T/℃時間/sA1MSMfA鼻溫過冷AM+A’MPSTB上B下珠光體貝氏體馬氏體共析鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變的C曲線<HRC25HRC25～35HRC35～40HRC45～55HRC45～65第31頁/共38頁ThecompleteTTTdiagramforaniron-carbonalloyofeutectoidcompositionA:austeniteB:bainiteM:martensiteP:pearlite第32頁/共38頁2、一般認(rèn)為共析鋼的珠光體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是———

，貝氏體轉(zhuǎn)變的領(lǐng)先相是———

。(a)滲碳體(b)鐵素體(c)奧氏體(d)滲碳體和鐵素體3、隨著貝氏體形成溫度的降低，強(qiáng)度逐漸———，韌性———

。(a)降低，降低(b)增加，增加(c)降低，增加(d)增加，降低4、上貝氏體轉(zhuǎn)變的形成溫度范圍是———

。550℃以上(b)350～550℃(c)350℃以下(d)Ms點(diǎn)以下5、請畫出普通碳鋼的TTT圖，并在其上標(biāo)出上、下貝氏體的形成溫度范圍。6、影響貝氏體強(qiáng)度的主要因素是什么？上、下貝氏體的性能有何不同？思考題第33頁/共38頁1、貝氏體的定義為（

）。

2、根據(jù)碳化物分布不同，貝氏體可分為：（

）、（

）、（

）。

3、上貝氏體微觀組織形貌為（

），由鐵素體板條和分布于板條間的滲碳體；下貝氏體微觀組織形貌為（

），由片狀鐵素體和分布于鐵素體內(nèi)部的碳化物組成。

4、貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制有：（

）、（

）。

7、（

）強(qiáng)度較高，韌性也較好。（

）強(qiáng)度低，韌性很差。貝氏體性能變化趨勢：隨著B形成溫度的降低，強(qiáng)度和硬度（

），塑性和韌性（