1、材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用貝氏體相變貝氏體相變第五章第五章材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（550550M MS S）材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用

2、什么是貝氏體？什么是貝氏體？“GB/T7232-1999金屬熱處理工藝術語”貝氏體：貝氏體： 是鋼經奧氏體化后，過冷到珠光體轉變溫度區域與Ms之間的中溫區等溫，或連續冷卻通過中溫區時形成的組織。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用貝氏體相變的基本特征貝氏體相變的基本特征1）B相變是過冷相變是過冷A在中溫轉變區發生的非平衡相變，在中溫轉變區發生的非平衡相變，轉變溫度范圍寬，轉變有孕育期。轉變溫度范圍寬，轉變有孕育期。2）B轉變過程主要是轉變過程主要是BF的形核和長大過程，在不同的形核和長大過程，在不同溫度下得到不同類型的溫度下得到不同類型的B

3、組織形貌。組織形貌。3）B組織的相組成主要是組織的相組成主要是B鐵素體和碳化物，但當鐵素體和碳化物，但當轉變不完全時有殘余轉變不完全時有殘余A。4）B轉變有表面浮凸現象。轉變有表面浮凸現象。5）B轉變是轉變是B鐵素體的共格切變型相變和碳原子的鐵素體的共格切變型相變和碳原子的擴散型相變，碳原子的擴散速度控制著擴散型相變，碳原子的擴散速度控制著B的轉變速的轉變速度。度。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-1 共析碳鋼共析碳鋼 C 曲線曲線Mf高溫高溫中溫中溫低溫低溫材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理

4、 與與 應應 用用5.1 貝氏體相變特點、組織形態和力學性能貝氏體相變特點、組織形態和力學性能5.1.1 貝氏體相變的特點貝氏體相變的特點（1）貝氏體轉變溫度范圍）貝氏體轉變溫度范圍 在在A1以下，以下，MS以上，有一轉變的上限以上，有一轉變的上限溫度溫度BS點和下限溫度點和下限溫度Bf 點，碳鋼的點，碳鋼的BS點約點約為為550。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 貝氏體轉變產物為貝氏體轉變產物為相相與與碳化物碳化物的兩相混合物，為非層的兩相混合物，為非層片狀組織。片狀組織。相：相： 相（即貝氏體鐵素體相（即貝氏體鐵素體BF）形態類似于

5、馬氏體而不同于）形態類似于馬氏體而不同于珠光體中的鐵素體。珠光體中的鐵素體。（2）貝氏體轉變產物）貝氏體轉變產物碳化物：碳化物： 上貝氏體，碳化物上貝氏體，碳化物(滲碳體滲碳體) 分布在分布在鐵素體條之間；鐵素體條之間； 下貝氏體，碳化物既下貝氏體，碳化物既(滲碳體滲碳體或或-碳化物碳化物）分布在）分布在鐵素體條鐵素體條內部內部。 低、中碳鋼中，當貝氏體形成溫度較高時，也可能形成低、中碳鋼中，當貝氏體形成溫度較高時，也可能形成不含碳化物的不含碳化物的無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 通過形核與長大進行，等溫

6、轉通過形核與長大進行，等溫轉變動力學圖是變動力學圖是C形。形。 可以在一定溫度范圍內等溫形成，也有孕育期；也可以在一定溫度范圍內等溫形成，也有孕育期；也可以在某一冷卻速度范圍內連續冷卻轉變可以在某一冷卻速度范圍內連續冷卻轉變（3）轉變動力學）轉變動力學材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-3 合金鋼合金鋼 C曲線曲線圖圖5-2 共析碳鋼共析碳鋼 C曲線示意圖曲線示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（4）轉變的不完全性）轉變的不完全性 轉變結束時總有一部分未轉變結束時總有一部分

7、未轉變的轉變的A，繼續冷卻，繼續冷卻AM，形成形成B+M+AR組織。組織。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 由單相轉變形成低碳相和高碳由單相轉變形成低碳相和高碳相，故有碳原子的擴散，但鐵和合金相，故有碳原子的擴散，但鐵和合金元素原子不擴散。元素原子不擴散。相變速度取決于碳原子的擴散速度相變速度取決于碳原子的擴散速度（5） 擴散性擴散性材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（6）晶體學特征）晶體學特征111 貝氏體形成時，有表面浮凸，鐵素體按切變共格方式長大，位向關系和慣習面接近于馬氏體

8、。上貝氏體慣習面為 ，下貝氏體的慣習面為225貝氏體中鐵素體與母相奧氏體之間存在K-S關系，滲碳體與奧氏體以及滲碳體與鐵素體之間也存在一定的晶體學位相關系。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用珠光體轉變珠光體轉變貝氏體轉變貝氏體轉變馬氏體轉變馬氏體轉變轉變溫度范圍轉變溫度范圍Ar1 550550 Ms 350 ，-Fe(C) + Fe3C 350 ，-Fe(C) + FexC單相組織單相組織-Fe(C)合金元素合金元素擴散擴散不擴散不擴散不擴散不擴散表表 5-1 珠光體、馬氏體、貝氏體轉變特點的比較珠光體、馬氏體、貝氏體轉變特點的比較材料科

9、學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用形成于低碳鋼中，形成于低碳鋼中，在靠近在靠近BS的溫度處的溫度處形成，由形成，由平行板條平行板條鐵素體束鐵素體束及板條間及板條間未轉變的未轉變的富碳奧氏富碳奧氏體體組成。組成。5.1.2 貝氏體的組織形態貝氏體的組織形態A 無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體（1）上貝氏體）上貝氏體圖圖5-4 無碳化物貝氏體示意圖無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶原奧氏體晶界界BFAA材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用5.1.2 貝氏體的組織形態貝氏體的組織形態A 無碳化物貝氏體無碳

10、化物貝氏體BF核在核在A晶界上形成后，晶界上形成后，向晶內一側成束長大。向晶內一側成束長大。板條比較寬，板條間距離板條比較寬，板條間距離也較大，且兩者均隨形成溫也較大，且兩者均隨形成溫度的下降而變小。度的下降而變小。板條間為富碳的板條間為富碳的A，在隨，在隨后冷卻時轉變為后冷卻時轉變為M或保留至或保留至室溫成為室溫成為AR 。（1）上貝氏體）上貝氏體圖圖5-4 無碳化物貝氏體示意圖無碳化物貝氏體示意圖原奧氏體晶原奧氏體晶界界BFAABF與奧氏體的位向關系為與奧氏體的位向關系為K-S關系，關系，慣習面為慣習面為111A 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與

11、與 應應 用用圖圖5-5 無碳化物貝氏體組織，無碳化物貝氏體組織， 1000 （30CrMnSiA鋼，鋼，450等溫等溫20s）材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用B 粒狀貝氏體粒狀貝氏體低中炭鋼以一定速度連續冷卻，一般是在稍高低中炭鋼以一定速度連續冷卻，一般是在稍高于上貝氏體的形成溫度下形成，由塊狀貝氏體于上貝氏體的形成溫度下形成，由塊狀貝氏體鐵素體與鐵素體與島狀物島狀物組成，島狀物多為馬氏體和奧組成，島狀物多為馬氏體和奧氏體，稱氏體，稱M-A島。島。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用

12、用粒狀貝氏體：粒狀貝氏體：貝氏體鐵素體島狀物（貝氏體鐵素體島狀物（M-A島）島） 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 在貝氏體相變的較高溫度區域在貝氏體相變的較高溫度區域形成，對于中、高碳鋼形成，對于中、高碳鋼, 大約在大約在350550 區間。區間。C 經典上貝氏體經典上貝氏體材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-6 (a)上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖 (b)T8鋼中的上貝氏體組織鋼中的上貝氏體組織(a)(b)形貌特征：形貌特征：材料科學與工程學院材料科學與工程學院

13、固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 其形態在光鏡下為其形態在光鏡下為羽毛狀羽毛狀。組織為一束平行的。組織為一束平行的自自A晶界長入晶內的晶界長入晶內的BF板條。板條。BF板條與板條與M板條相板條相近，但在鐵素體板條之間分布有不連續碳化物。近，但在鐵素體板條之間分布有不連續碳化物。圖圖5-6 上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用珠光體珠光體板條馬氏體板條馬氏體上貝氏體上貝氏體材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n BF板條內亞結構為板

14、條內亞結構為位錯位錯。與。與A的位向關系為的位向關系為K-S關關系，慣習面為系，慣習面為111A。碳化物慣習面為。碳化物慣習面為227 A，與，與A有確定的位向關系。有確定的位向關系。圖圖5-6 上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 碳含量：碳含量：隨碳含量的隨碳含量的增加增加，鐵，鐵素體條增素體條增多多并變并變薄薄，條間滲碳體，條間滲碳體數量數量增多增多，形態也有粒狀變為鏈，形態也有粒狀變為鏈珠狀、短桿狀、直至斷續條狀。珠狀、短桿狀、直至斷續條狀。當達到共析濃度時，部分滲碳體當達到共析濃度時，部分滲碳

15、體也在鐵素體內部沉淀。也在鐵素體內部沉淀。圖圖5-6 上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖n溫度：溫度：隨溫度隨溫度降低降低，上貝氏體鐵素體條變，上貝氏體鐵素體條變薄薄，滲，滲碳體細化且彌散度碳體細化且彌散度增加增加。組織影響因素：組織影響因素：材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n合金元素：合金元素：含有含有Si或或Al的鋼中，由于的鋼中，由于Si和和Al具有延具有延緩滲碳體沉淀的作用，鐵素體條之間的奧氏體由于富緩滲碳體沉淀的作用，鐵素體條之間的奧氏體由于富碳而趨于穩定，于是變為碳而趨于穩定，于是變為無碳化物貝氏體無碳化物貝氏體。圖圖5-

16、6 上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用D 準上貝氏體準上貝氏體 由條狀貝氏體鐵素體和條間的殘余奧氏體薄由條狀貝氏體鐵素體和條間的殘余奧氏體薄膜組成，屬于無碳貝氏體。膜組成，屬于無碳貝氏體。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 在貝氏體相變的低溫轉變區在貝氏體相變的低溫轉變區形成，大約在形成，大約在350以下。以下。A 經典下貝氏體經典下貝氏體（2）下貝氏體）下貝氏體材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應

17、 用用圖圖5-7 (a)下貝氏體組織示意圖下貝氏體組織示意圖 (b)GCr15鋼的下貝氏體組織鋼的下貝氏體組織(a)(b)材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 形核部位在奧氏體晶界或晶內。形核部位在奧氏體晶界或晶內。各個貝氏體之間都有一定的交角，立體形貌各個貝氏體之間都有一定的交角，立體形貌呈呈透鏡片狀透鏡片狀。針狀或片狀貝氏體鐵素體內分布呈一定角度針狀或片狀貝氏體鐵素體內分布呈一定角度排列的排列的-碳化物。碳化物。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用BF中碳含量遠遠高于平衡碳含量，中碳

18、含量遠遠高于平衡碳含量，亞結構亞結構為為纏結纏結位錯位錯，密度高于上，密度高于上BF，不存在孿晶。，不存在孿晶。貝氏體鐵素體與奧氏體的取向關系為貝氏體鐵素體與奧氏體的取向關系為K-S關關系系,慣習面有慣習面有110f, 254f, 569f等。等。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用片狀馬氏體片狀馬氏體下貝氏體下貝氏體材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用B 準下貝氏體準下貝氏體在其貝氏體鐵素體內按一

19、定角度排列著殘余奧在其貝氏體鐵素體內按一定角度排列著殘余奧氏體。氏體。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用將鋼中可能出現的九種貝氏體歸類將鋼中可能出現的九種貝氏體歸類:以上貝氏體為代表：以上貝氏體為代表：無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、準上貝氏體、上貝氏體；準上貝氏體、上貝氏體；以下貝氏體為代表：以下貝氏體為代表：柱狀貝氏體、準下貝氏體、特殊下貝氏體、柱狀貝氏體、準下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。下貝氏體。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應

20、用用n 貝氏體相變的驅動力也是貝氏體相變的驅動力也是化學自由能差。化學自由能差。n 鐵素體的鐵素體的Gibbs自由能隨著碳過飽和度的自由能隨著碳過飽和度的增加而增加。增加而增加。5.2 貝氏體相變的熱力學條件、相變機理貝氏體相變的熱力學條件、相變機理5.2.1 貝氏體相變的熱力學條件貝氏體相變的熱力學條件材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用MsBs圖圖5-8 奧氏體和貝氏體自由能與溫度的關系奧氏體和貝氏體自由能與溫度的關系 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 由于碳在由于碳在BF中的

21、不斷脫溶，增加了新中的不斷脫溶，增加了新相與母相間的自由能差（相與母相間的自由能差（G）。）。n BF中碳的脫溶還使其比容降低，從而中碳的脫溶還使其比容降低，從而減少作為相變阻力的比容應變能，這些減少作為相變阻力的比容應變能，這些都會促進都會促進BF的進一步長大。的進一步長大。影響貝氏體相變驅動力的因素：影響貝氏體相變驅動力的因素：Ed材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用5.2.2 貝氏體相變的機理貝氏體相變的機理(一一)貝氏體相變機理的學術爭論貝氏體相變機理的學術爭論共識共識: 鐵素體形成是馬氏體型相變鐵素體形成是馬氏體型相變,并伴隨有碳

22、原子的擴并伴隨有碳原子的擴散散. 為什么在為什么在Ms點以上會有馬氏體相變發生點以上會有馬氏體相變發生? 切變學派切變學派(恩金貝氏體相變假說恩金貝氏體相變假說) 擴散學派擴散學派(柯俊貝氏體相變假說柯俊貝氏體相變假說)材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用切變學派切變學派(恩金貝氏體相變假說恩金貝氏體相變假說)主要論點：主要論點：1）B組織與無擴散的M相似，BF實質上是低碳M；2）B相變浮凸現象與M相似；3）在晶體學位向關系上，B與M相似；4）B相變在動力學上類似于等溫M；5）B轉變也有不完全現象；轉變機制：轉變機制：碳的重新分配（相變前）

23、碳的重新分配（相變前）貧碳區貧碳區富碳區富碳區M相變相變低碳低碳M快速回火快速回火過飽和鐵素體過飽和鐵素體滲碳體滲碳體B先析出滲碳體先析出滲碳體* B相變相變 = M相變相變 + 碳原子擴散碳原子擴散材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用為什么在Ms點以上會發生馬氏體型相變？ 馬氏體相變開始點馬氏體相變開始點Ms隨碳濃度增加而下降！隨碳濃度增加而下降！切變學派解釋了切變學派解釋了貝氏貝氏體的形成，體的形成，Bs點的意點的意義義和和貝氏體中鐵素體貝氏體中鐵素體的碳濃度隨溫度變化的碳濃度隨溫度變化而變化而變化等現象，但沒等現象，但沒有解釋有解釋貝

24、氏體的形態貝氏體的形態變化和組織結構變化和組織結構等問等問題。題。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用擴散學派擴散學派(柯俊貝氏體相變假說柯俊貝氏體相變假說)主要論點：主要論點：1）在B寬面上存在巨型臺階，以及B長大界面為非共格界面，說明B可能是按擴散臺階機制長大；2）B的表面浮凸不同與M，擴散臺階機制也可以形成表面浮凸現象；3）在晶體學關系上，B的慣習面與同一合金的M不同；4）對Fe-C合金系，B轉變驅動力的計算，在熱力學上B不可能以切變方式形成；5）熱力學計算表明，在B相變時不能形成富碳區。轉變機制：轉變機制：足夠大彈性能減小材料科學與

25、工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用自由能自由能G溫溫 度度GHG HT0HMSHGV VHGLG LT0LMSLGV VLT0HLMSHLGV VH HL自由能差自由能差Gv增加增加由于碳的脫溶，由于碳的脫溶，A與與B比容差小于比容差小于A與與M比容差，所以彈性能比容差，所以彈性能E也減小也減小！材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用擴散學派認為擴散學派認為:l 貝氏體相變是貝氏體相變是相相的不斷長大和碳從的不斷長大和碳從相中不斷脫溶兩個過程同時發生相中不斷脫溶兩個過程同時發生;l 貝氏體相變為有

26、擴散貝氏體相變為有擴散(碳原子碳原子)和有共格的相變和有共格的相變;l 貝氏體相變的主要驅動力是因碳脫溶而增加的化學自由能貝氏體相變的主要驅動力是因碳脫溶而增加的化學自由能;l 碳從碳從相中的脫溶方式有兩種相中的脫溶方式有兩種: 碳通過相界面從碳通過相界面從相擴散到相擴散到相中相中; 碳在碳在相內脫溶沉淀為碳化物相內脫溶沉淀為碳化物.能夠解釋能夠解釋: (1) 在在Ms點以上溫度點以上溫度相可以通過馬氏體型相變機制形成相可以通過馬氏體型相變機制形成; (2) 按馬氏體型相變機制形成的貝氏體長大速度遠低于馬氏體長大速度按馬氏體型相變機制形成的貝氏體長大速度遠低于馬氏體長大速度; (3) 在不同溫

27、度下形成的貝氏體有著截然不同的組織形態在不同溫度下形成的貝氏體有著截然不同的組織形態;材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 貝氏體轉變的領先相是貝氏體轉變的領先相是鐵素體鐵素體，在轉變溫，在轉變溫度下，奧氏體中存在濃度起伏，度下，奧氏體中存在濃度起伏，BF核在貧核在貧碳區形成。碳區形成。 較高溫度時，較高溫度時，BF在奧氏體晶界形核（上在奧氏體晶界形核（上B）；）； 較低溫度時較低溫度時(下下B)，BF大多在奧氏體晶粒內形大多在奧氏體晶粒內形核。核。5.2.2 貝氏體相變的機理貝氏體相變的機理（一）貝氏體相變機理概述（一）貝氏體相變機理概述

28、材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 BF以以共格切變方式共格切變方式長大，但長大速度緩慢，長大，但長大速度緩慢，這是因為受碳原子向周圍奧氏體的擴散所控這是因為受碳原子向周圍奧氏體的擴散所控制。制。 形成的形成的BF為碳的過飽和為碳的過飽和固溶體，形成溫度固溶體，形成溫度越低，過飽和度越大。在越低，過飽和度越大。在BF形成的同時，將形成的同時，將發生碳的脫溶，析出碳化物。發生碳的脫溶，析出碳化物。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（二）無碳化物貝氏體的形成機理（二）無碳化物貝氏體的形成

29、機理n 高溫范圍轉變，組織為高溫范圍轉變，組織為BF+富碳富碳A。圖圖5-10 無碳化物貝氏體形成機理示意圖無碳化物貝氏體形成機理示意圖(1) BF在奧氏體晶界形核，初形成的在奧氏體晶界形核，初形成的BF過飽和過飽和度很小，以共格切變方式向晶粒內一側長大，度很小，以共格切變方式向晶粒內一側長大，形成相互平行的形成相互平行的BF板條束。板條束。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(2) 轉變溫度較高，在轉變溫度較高，在BF中的碳原子可以中的碳原子可以越過越過BF/A相界面向相界面向A中擴散，直至達到中擴散，直至達到平衡濃度。平衡濃度。圖圖5-

30、10 無碳化物貝氏體形成機理示意圖無碳化物貝氏體形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-10 無碳化物貝氏體形成機理示意圖無碳化物貝氏體形成機理示意圖 (3) 通過相界面進入通過相界面進入A的碳能很快向的碳能很快向遠遠離界面處擴散離界面處擴散，不至于在界面附近產，不至于在界面附近產生積聚，從而不會從生積聚，從而不會從A中析出碳化物。中析出碳化物。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 (4) 在隨后的冷卻過程中，富碳奧氏體在隨后的冷卻過程中，富碳奧氏體可以轉變為馬氏體，也

31、可以保持到室可以轉變為馬氏體，也可以保持到室溫而成為富碳的殘余奧氏體。溫而成為富碳的殘余奧氏體。圖圖5-10 無碳化物貝氏體形成機理示意圖無碳化物貝氏體形成機理示意圖原奧氏體原奧氏體晶界晶界BFAA材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n中溫范圍轉變，在中溫范圍轉變，在350550，組織為，組織為BF + Fe3C，形態為形態為羽毛狀羽毛狀。 （三）上貝氏體的形成機理（三）上貝氏體的形成機理材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-6 (a)上貝氏體組織示意圖上貝氏體組織示意圖 (b)T

32、8鋼中的上貝氏體組織鋼中的上貝氏體組織(a)(b)材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(1) BF在奧氏體晶界形核，以在奧氏體晶界形核，以共格切變共格切變方式方式向晶粒內一側長大，形成相互平行的向晶粒內一側長大，形成相互平行的BF板條束。板條束。Fe3C圖圖5-11 上貝氏體的形成機理示意圖上貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(2) 碳原子越過碳原子越過BF/A相界面向相界面向A中中擴散擴散。Fe3C圖圖5-11 上貝氏體的形成機理示意圖上貝氏體的形成機理示意圖材

33、料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(3)轉變溫度降低，進入相界面附近轉變溫度降低，進入相界面附近A中的碳中的碳原子已不能向遠處擴散，尤其是鐵素體板原子已不能向遠處擴散，尤其是鐵素體板條間奧氏體中的碳原子，在這些地方將產條間奧氏體中的碳原子，在這些地方將產生碳的生碳的堆積。堆積。Fe3C圖圖5-11 上貝氏體的形成機理示意圖上貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（4）隨著）隨著BF的長大，的長大，鐵素體板條間鐵素體板條間奧氏體中的奧氏體中的碳含量顯著升高，當碳濃度升高

34、一定程度時，碳含量顯著升高，當碳濃度升高一定程度時，將從奧氏體中將從奧氏體中析出碳化物析出碳化物（Fe3C），從而形成），從而形成羽毛狀上貝氏體。由于得不到奧氏體中碳原子羽毛狀上貝氏體。由于得不到奧氏體中碳原子的不斷補充，這些滲碳體呈的不斷補充，這些滲碳體呈不連續不連續的。的。Fe3C圖圖5-11 上貝氏體的形成機理示意圖上貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用u 上貝氏體的轉變速度受上貝氏體的轉變速度受碳在奧氏體中碳在奧氏體中的擴散的擴散所控制。隨形成所控制。隨形成溫度的降低溫度的降低，條，條狀鐵素體狀鐵素體變薄變薄，

35、條間析出的滲碳體顆粒，條間析出的滲碳體顆粒細化細化。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 低溫范圍轉變，低溫范圍轉變， 350。（四）下貝氏體的形成機理（四）下貝氏體的形成機理材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用圖圖5-7 (a)下貝氏體組織示意圖下貝氏體組織示意圖 (b)GCr15鋼的下貝氏體組織鋼的下貝氏體組織(a)(b)材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（1）BF大多在奧氏體晶粒內通過共格大多在奧氏體晶粒內通過共格切變方式形

36、成，形態為切變方式形成，形態為透鏡片狀透鏡片狀。（四）下貝氏體的形成機理（四）下貝氏體的形成機理圖圖5-12 下貝氏體的形成機理示意圖下貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(2) 由于溫度低，由于溫度低，BF中碳的過飽和度很中碳的過飽和度很大。同時，碳原子已不能越過大。同時，碳原子已不能越過BF/A相相界面擴散到奧氏體中去，所以就在界面擴散到奧氏體中去，所以就在BF內部內部析出細小的碳化物。析出細小的碳化物。圖圖5-12 下貝氏體的形成機理示意圖下貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態

37、相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用(3)隨著隨著BF中碳化物的析出，自由能進一中碳化物的析出，自由能進一步降低，比容降低，導致應變能下降，步降低，比容降低，導致應變能下降，將使已形成的將使已形成的BF片進一步長大片進一步長大。同時，。同時，在其側面成一定角度也將形成新的下貝在其側面成一定角度也將形成新的下貝氏體鐵素體片。氏體鐵素體片。圖圖5-12 下貝氏體的形成機理示意圖下貝氏體的形成機理示意圖材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用u 可見，下貝氏體的轉變速度受可見，下貝氏體的轉變速度受碳在鐵碳在鐵素體中素體中的擴散所控制。的擴散所控制

38、。碳化物析出和鐵素碳化物析出和鐵素體長大兩個過程同時進行，隨溫度下降，碳體長大兩個過程同時進行，隨溫度下降，碳化物顆粒變得細小、彌散。化物顆粒變得細小、彌散。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 綜上所述，不同形態貝氏體中的鐵綜上所述，不同形態貝氏體中的鐵素體都是通過素體都是通過切變機制切變機制形成的。只是形成的。只是因為形成溫度不同，使因為形成溫度不同，使鐵素體中碳的鐵素體中碳的脫溶脫溶以及以及碳化物的形成碳化物的形成方式不同，從方式不同，從而導致貝氏體的組織形態不同。而導致貝氏體的組織形態不同。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固

39、 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用特點：特點： 也呈也呈C形（與形（與P相同）；相同）；有有B轉變上限溫度轉變上限溫度Bs（與（與PA1，MMs）；）；也存在一個也存在一個“鼻子鼻子”（隨溫度降低，轉變速度先增后減）；（隨溫度降低，轉變速度先增后減）； 對于碳鋼，對于碳鋼，P轉變和轉變和B轉變轉變C曲線重疊在一起；曲線重疊在一起； B轉變的轉變的C曲線實際是由兩個獨立的曲線實際是由兩個獨立的C曲線合并而成的，即曲線合并而成的，即B上上C曲線和曲線和B下下C曲線，說明由兩種機制形成。曲線，說明由兩種機制形成。5.3 貝氏體相變的動力學影響因素貝氏體相變的動力學影響因素5.3.1 貝

40、氏體等溫相變動力學曲線貝氏體等溫相變動力學曲線材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（1）溫度）溫度 等溫溫度越高，轉變量越少；等溫溫度越高，轉變量越少；有孕育期；有孕育期；轉變速度先增后減。轉變速度先增后減。5.3.2 影響貝氏體相變動力學的因素影響貝氏體相變動力學的因素材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用冷卻時在不同溫度下停留的影響冷卻時在不同溫度下停留的影響圖圖5-13 冷卻時不同溫度停留的冷卻

41、時不同溫度停留的三種情況三種情況材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 曲線曲線1：在珠光體相變與貝氏體相變之間的：在珠光體相變與貝氏體相變之間的過冷奧氏體穩定區停留過冷奧氏體穩定區停留，會，會加速加速隨后的貝氏隨后的貝氏體轉變速度。體轉變速度。 原因原因：在等溫停留時：在等溫停留時從奧氏體中析出了碳化物，從奧氏體中析出了碳化物，降低了奧氏體中碳和合金降低了奧氏體中碳和合金元素的濃度，即降低了奧元素的濃度，即降低了奧氏體的穩定性，所以使貝氏體的穩定性，所以使貝氏體轉變加速。氏體轉變加速。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相

42、變變 原原 理理 與與 應應 用用 曲線曲線2：在貝氏體形：在貝氏體形成溫度的高溫區停留，成溫度的高溫區停留，形成部分上貝氏體形成部分上貝氏體，然，然后再冷至貝氏體相變的后再冷至貝氏體相變的低溫區，將降低貝氏體低溫區，將降低貝氏體轉變的速度，即奧氏體轉變的速度，即奧氏體發生了發生了穩定化穩定化。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 曲線曲線3：先冷至低：先冷至低溫，溫，形成少量馬氏體形成少量馬氏體或下貝氏體或下貝氏體，然后再，然后再升至較高溫度，則先升至較高溫度，則先形成的少量馬氏體和形成的少量馬氏體和下貝氏體將下貝氏體將加速加速隨后隨后的

43、貝氏體轉變速度。的貝氏體轉變速度。原因：原因：較低溫度下的相變使奧氏體點陣發生畸變，較低溫度下的相變使奧氏體點陣發生畸變，從而加速了貝氏體的形核，加速貝氏體的形成。從而加速了貝氏體的形核，加速貝氏體的形成。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 奧氏體中碳含量的增加，轉變奧氏體中碳含量的增加，轉變時需要擴散的原子數量增加，等時需要擴散的原子數量增加，等溫轉變溫轉變C曲線右移，轉變速度下曲線右移，轉變速度下降。降。（2）碳含量）碳含量n 上貝氏體鐵素體的長大速度主要取決于前沿奧氏上貝氏體鐵素體的長大速度主要取決于前沿奧氏體中體中碳的擴散速度碳

44、的擴散速度；下貝氏體的相變速度，主要取；下貝氏體的相變速度，主要取決于鐵素體內決于鐵素體內碳化物的沉淀速度碳化物的沉淀速度。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 除除Al、Co外，合金元素都或多或少地降低外，合金元素都或多或少地降低貝氏體轉變速度，同時也使貝氏體轉變的溫貝氏體轉變速度，同時也使貝氏體轉變的溫度范圍下降，從而使珠光體與貝氏體轉變的度范圍下降，從而使珠光體與貝氏體轉變的C曲線分開。曲線分開。（3）合金元素）合金元素材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 奧氏體晶粒越大，晶界

45、面積越少，形奧氏體晶粒越大，晶界面積越少，形核部位越少，孕育期越長，貝氏體轉變核部位越少，孕育期越長，貝氏體轉變速度下降。速度下降。（4）奧氏體晶粒大小）奧氏體晶粒大小材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用（5）應力和塑性變形的影響）應力和塑性變形的影響n 拉應力加快貝氏體轉變拉應力加快貝氏體轉變;n 在在較高溫度較高溫度的形變使貝氏體轉變的孕的形變使貝氏體轉變的孕育期延長，速度育期延長，速度減慢減慢；而在；而在較低溫度較低溫度的的形變卻使轉變的孕育期縮短，速度加快。形變卻使轉變的孕育期縮短，速度加快。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固

46、固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用5.1.3 貝氏體的機械性能貝氏體的機械性能（一）貝氏體的強度和硬度（一）貝氏體的強度和硬度n 貝氏體的強度和硬度隨形成溫度貝氏體的強度和硬度隨形成溫度的降低而提高。的降低而提高。材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用 貝氏體鐵素體細化強化（細晶強化）貝氏體鐵素體細化強化（細晶強化）形成溫度越低，貝氏體鐵素體越細，強形成溫度越低，貝氏體鐵素體越細，強度越高。度越高。n 影響貝氏體強度的因素：BF的晶粒大小主要取決于奧氏體晶粒大小和的晶粒大小主要取決于奧氏體晶粒大小和形成溫度。形成溫度。 形成溫

47、度越低，鐵素體條的厚度越薄；形成溫度越低，鐵素體條的厚度越薄； 形成溫度越低，位錯密度增大，強度和韌性增高；形成溫度越低，位錯密度增大，強度和韌性增高； 形成溫度越低，亞結構尺寸越小強度和韌性也提高。形成溫度越低，亞結構尺寸越小強度和韌性也提高。 材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原 理理 與與 應應 用用n 下貝氏體中碳化物顆粒較小，顆粒數下貝氏體中碳化物顆粒較小，顆粒數量較多，且分布均勻，故下貝氏體的量較多，且分布均勻，故下貝氏體的強度高于上貝氏體。強度高于上貝氏體。n 貝氏體形成貝氏體形成溫度越低溫度越低，碳化物顆粒越，碳化物顆粒越小、越多，強度越高。小、越多，強度越高。 碳化物的彌散強化（第二項強化碳化物的彌散強化（第二項強化）材料科學與工程學院材料科學與工程學院 固固 態態 相相 變變 原原