6.3.1 贝氏体等温转变动力学
1.贝氏体转变动力学特点 2.贝氏体等温转变动力学曲线 3.影响贝氏体等温转变动力学的主要因素
1.贝氏体转变动力学特点
1) 贝氏体转变和绝大多数相变一样，需要通过新相形核与核心长大来完成，其形核 速率和长大速率决定了贝氏体转变的速率。 2) 贝氏体形核(多数以贝氏体铁素体为领先相)需要一定的孕育期，这与珠光体转变相 似。 3) 贝氏体转变速率比马氏体转变速率慢很多，这与贝氏体转变需要原子扩散以及相 变驱动力相对较小有关。 4) 贝氏体转变有一上限温度Bs和一下限温度Bf,高于Bs温度和低于Bf温度，都不能发 生贝氏体转变。 5) 贝氏体转变具有不完全性，这与贝氏体形成过程中由于奥氏体中碳富集导致的奥 氏体化学稳定性增加有关，也与贝氏体和奥氏体比体积差造成的奥氏体力学稳定化 相关。
6.1.1 贝氏体的定义和分类
1.贝氏体的定义 2.贝氏体的分类
1.贝氏体的定义
贝氏体转变非常复杂，其转变产物形态多样， 给出严格的、准确的贝氏体定义十分困难。我 国在国家标准“GB/T 7232—1999金属热处理工 艺术语”中对贝氏体的描述是：贝氏体是钢铁 奥氏体化后，过冷到珠光体转变温度区域与Ms 之间的中温区等温，或连续冷却通过中温区时 形成的组织。
2.贝氏体铁素体中的位错
贝氏体铁素体中通常具有高密度的位错，而且 位错密度随贝氏体形成温度的降低而增大。增 加钢中的含碳量可以降低贝氏体的形成温度， 因此，增加含碳量可以提高贝氏体铁素体中的 位错密度。
3.贝氏体铁素体中的亚单元
图6-9 Fe-0.5%C-3.8%Cr-1.44%Si上贝氏体组织结构照片 (扫描隧道显微镜STM)(1150℃×5min＋365℃×15min) a) 亚片条、亚单元形态 b) 亚片条、亚单元、超亚单元形态
6.2 贝氏体的相变机制
贝氏体相变包括贝氏体铁素体的形成和碳化物 的析出两个基本过程。贝氏体相变机制包括贝 氏体相变的领先相、贝氏体铁素体的形核与长 大、碳化物的析出位置等诸多方面。
6.2.1 贝氏体相变的切变理论
1. Hehemann模型 2. Bhadeshia模型
1. Hehemann模型
a)表面浮凸(在A区无表面浮凸)(600×) b)与a)同一部位的表面干涉图像(600×) c)与a)同一部位的光学金相(600×) d)扫描电镜像(复型)(4000×)
5.反常贝氏体
图6-7 1.17%C-4.9%Ni钢450℃等温90s 形成的反常贝氏体电镜照片(8000
6.柱状贝氏体
图6-8 1.02%C-3.5%Mn-0.1%V钢经950℃加热、250℃等温80min后水淬的柱状贝 氏体
6.4.3 贝氏体组织的应用
7.试比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同。 8.试分析高碳钢在连续冷却条件下为什么不能得到贝氏体组织。 9.为什么要开发贝氏体钢？开发贝氏体钢的原则是什么？
2.在金属材料中的应用
1) 在一个相当宽的冷速范围能得到以贝氏体为主的组织。 2) 在保证提高强度的同时，使钢具有良好的韧性，尤其是具有低的韧脆转变温度。 3) 贝氏体钢要具有良好的焊接性和成形性。 4) 钢材价格低廉。
(1) 化学成分
图6-14 动力学理论计算的各种
(1) 化学成分
图6-15 硼元素对等温转变图
(2) 原始组织
原始奥氏体组织对贝氏体转变有一定的影响。
(3) 工艺条件
1)在贝氏体转变温度区间的较高温度，随着等温冷却温度的降低，过冷度增加，相变 驱动力增大，即贝氏体转变速率提高；在贝氏体转变温度区间的较低温度，随着等温 冷却温度的降低，原子扩散能力减弱，即贝氏体转变速率降低。 2) 过冷奥氏体在珠光体转变和贝氏体转变之间的温度等温停留，会促进随后的贝氏 体转变，这可能与在等温停留过程中由于奥氏体析出碳化物，导致奥氏体中碳和合金 元素含量降低有关；在贝氏体转变温度区间较高温度等温停留或发生部分贝氏体转变， 会减慢随后在较低温度的贝氏体转变，这可能与过冷奥氏体热稳定化和先期贝氏体转 变使未转变的奥氏体含碳量升高有关；在贝氏体转变温度区间的较低温度或Ms以下 等温停留，可使随后在较高温度的贝氏体转变加速，这可能与较低温度下发生部分贝 氏体转变或马氏体转变形成的应力和应变导致的附加驱动力有关［4,10］。 3) 对过冷奥氏体施加拉应力可促进贝氏体转变，施加压应力阻碍贝氏体转变。 4) 对高温(800~1000℃)奥氏体进行塑性变形可减慢贝氏体转变，这与奥氏体内部发生 回复，形成多边形亚结构以及亚晶界，阻碍α相切变长大有关；在Bs温度以下对过冷 奥氏体进行塑性变形，可促进贝氏体转变，这与塑性变形导致过冷奥氏体位错密度升 高而产生的附加驱动力以及促进原子扩散有关。
图6-12 经典的扩散控制台阶长大模型
6.3 贝氏体相变动力学
贝氏体相变动力学是贝氏体相变的重要组成部 分。一方面，相变机制决定相变动力学，因此 贝氏体相变动力学的研究可促进贝氏体相变机 制的研究；另一方面，相变速率是相变动力学 研究的重点，也是人们制订贝氏体淬火工艺过 程时必须关注的问题。本节主要探讨贝氏体相 变速率及其相关内容。
2.贝氏体的韧性
图6-21 几种钢在等温淬火和普通淬火、回火状态下冲击韧度与强(硬)度的关系 (图中数字代表等温温度或普通淬火后的回火温度) a) 30CrMnSiA b)40CrA c) 40CrNiMoA
2.贝氏体的韧性
图6-22 贝氏体冲击韧度与贝氏体形成温度的关系 a) 等温30min b)等温60min
a) 光学显微组织(500×) b) 电子显微组织(5000×)
6.1.3 贝氏体铁素体的精细结构
1.贝氏体铁素体中的含碳量 2.贝氏体铁素体中的位错 3.贝氏体铁素体中的亚单元
1.贝氏体铁素体中的含碳量
贝氏体铁素体中的含碳量通常是过饱和的，且 随贝氏体形成温度而变化。贝氏体形成温度越 低，其中的铁素体中碳的过饱和度越高，反之 亦然。
铁素体为片状或透镜状 铁素体为板条状 铁素体为板条状，放射状分 布
铁素体为板条状
分类依据 相变过程
2.贝氏体的分类
表6-1 贝氏体组织的分类和相关命名
组织命名 反常贝氏体 其它贝氏体
说明 碳化物优先析出 铁素体优先析出
6.1.2 贝氏体的显微组织特征
1.上贝氏体 2.下贝氏体 3.无碳化物贝氏体 4.粒状贝氏体 5.反常贝氏体 6.柱状贝氏体
分类依据 碳化物分布
金相形态
碳含量
2.贝氏体的分类
表6-1 贝氏体组织的分类和相关命名
组织命名 上贝氏体， 下贝氏体，
无碳化物贝氏体， ，粒状贝氏体 针状/针叶状贝氏体 羽毛状贝氏体 柱状贝氏体
粒状贝氏体 低碳贝氏体 中碳贝氏体 高碳贝氏体
说明 碳化物在铁素体板条之间 碳化物在铁素体内部，与铁 素体长轴方向呈55°~60°夹 角 无碳化物
2.细晶强化
图6-18
a)
b)
3.亚结构强化
贝氏体铁素体中的位错亚结构对贝氏体强度也 有较大贡献，很显然，位错密度越高，贝氏体 强度越大。在铁碳合金中，位错密度与由此引 起10的-4ρ屈1/服2，强式度中的ρ增为量位之错间密的度关［系4］为。：Δσs =1.2×
4.碳化物弥散强化
图6-19
a)
b)
4.碳化物弥散强化
图6-20 碳钢贝氏体抗拉强度与形成温度的关系
6.4.2 贝氏体的塑性和韧性
1.贝氏体的塑性 2.贝氏体的韧性
1.贝氏体的塑性
在相同强度下，低碳贝氏体钢的断后伸长率比 回火马氏体钢高，但高碳钢的情况正好相反。 贝氏体钢的断面收缩率总是比回火马氏体钢低， 原因尚不清楚［1］。
(3) 工艺条件
5) 外加磁场可提高贝氏体转变温度，使贝氏体转变加速［21］。
6.3.2 贝氏体连续冷却转变动力学
6-16.TIF
6.3.2 贝氏体连续冷却转变动力学
6-17.TIF
6.4 贝氏体的力学性能与应用
贝氏体组织，尤其是下贝氏体组织具有优良的 力学性能。一般而言，在相同的强度水平下， 贝氏体组织比回火马氏体组织具有更高的韧性。 另外，实际热处理生产中通常采用等温淬火的 方法获得贝氏体组织。
1.上贝氏体
图6-1 上贝氏体的显微组织 a)光学金相显微组织(500×) b)扫描电子显微图像(4000×)
2.下贝氏体
图6-2 低碳低合金钢(15CrMnMoV) 中的下贝氏体组织
(薄膜透射，975℃加热，油淬)(26400×)
2.下贝氏体
图6-3 高碳钢的下贝氏体组织(1150℃加热2h，水淬) a)光学金相(500×) b) 扫描电子复型图像(5000×)
6.4.1 贝氏体的强度和硬度
1.固溶强化 2.细晶强化 3.亚结构强化 4.碳化物弥散强化
1.固溶强化
钢中的碳和合金元素一部分溶解在贝氏体铁素 体中，一部分形成碳化物。溶解于贝氏体铁素 体中的碳和合金元素产生固溶强化，使贝氏体 具有高的强度和硬度。碳因其形成间隙固溶体， 并具有一定的过饱和度，其固溶强化作用比合 金元素的作用更为明显。
图6-10 钢中贝氏体相变过程示意图(Hehemann
1. Hehemann模型
图6-11 贝氏体相变过程示意图(Bhadeshia
2. Bhadeshia模型
更精细的研究证明，在光学显微镜下观察到的 板条状或针状贝氏体铁素体是由尺寸更小的铁 素体亚片条、亚单阶-扩散理论
2.贝氏体等温转变动力学曲线
图6-13 a) 单一C曲线，珠光体和贝氏体形成温区合并 b) 两组C曲线，珠光体和贝氏体形
成温区明显分离
3.影响贝氏体等温转变动力学的主要因素
(1) 化学成分 碳和合金元素(除钴、铝以外)都延缓贝氏体转变，使贝氏体转变C曲线 右移，图6-14所示为Bhadeshia等根据动力学理论计算的各种合金的等温转变图，图6 -15所示为硼元素对等温转变图影响的示意图。 (2) 原始组织 原始奥氏体组织对贝氏体转变有一定的影响。 (3) 工艺条件 加热工艺、冷却工艺及其它的一些外部因素都会影响贝氏体转变速率。