第十三章：贝氏体相变 钢中贝氏体是过冷奥氏体在中温区转变的产物，这由钢的冷却转变图(“C曲线”或CCT曲线)得知。其转变温度位于珠光体温度和马氏体转变温度之间，因此称为中温转变。这种转变的动力学特征和产物的组织形态，兼有扩散型转变和非扩散型转变的特征，称为半扩散型相变。 一般将具有一定过饱和度的α相和Fe3C组成的非层状组织称为贝氏体。 §13-1 贝氏体转变的热力学 钢中过冷奥氏体转变为贝氏体，必须满足： ΔG=GB-Gγ≤0 贝氏体转变属于半扩散型相变，除新相表面能Sσ外，还有母相与新相比容不同产生的应变能和维持两相共格关系的弹性应变能εV，则贝氏体形成时系统自由能也可以表示为： ΔG=VΔgv+Sσ+εV≤0 与马氏体相变比较，贝氏体转变时碳的扩散降低了α相的过饱和含碳量，弹性应变能εV减小；碳的脱溶使贝氏体与奥氏体的比容差降低，相变时由于体积变化引起的应变能减小，使α相的自由能降低，新相与母相自由能差ΔG增加，相变驱动力增大，因此贝氏体转变开始温度Bs在Ms之上。 另外，与珠光体转变相比，贝氏体形成时α相的过饱和程度比珠光体α相的过饱和程度大，新相与母相的弹性应变能εV比珠光体转变时的弹性应变能εV大，贝氏体转变开始温度Bs在Ps之下。因此，贝氏体转变的开始温度介于Ms和Ps之间。 §13-2 贝氏体的组织形态 一、上贝氏体 过饱和的平行条状α相和夹于α相条间的断续条状Fe3C的混合物。形状如羽毛，又称羽毛状贝氏体。在原奥氏体晶界形核，沿晶界一侧或两侧向晶内长大。见图13-2。 (1)形成温度：中高碳钢350~550℃；又称高温贝氏体；形成温度低，α相条变薄，碳化物弥散度增大，细化晶粒。 (2)亚结构：位错缠解。比板条马氏体低2~3个数量级，形成温度越低，位错密度越大。 (3)光镜下，α相呈条状或针状，少数呈椭圆状或矩形；电镜下清晰可见断续条状Fe3C分布于α相条间，也可能分布在α相条内。 (4)C%增加，α相条增多、变薄，Fe3C量增加、变细，碳化物由粒状→链珠状→断续条状。 合金元素Si、Al、增加奥氏体的稳定性，抑制Fe3C析出，使残余奥氏体数量增多。 二、下贝氏体 过饱和的片状α相和其内部沉淀的Fe3C的混合物。形状为针状、片状或竹叶状。各针状物间有一定交角。碳化物细小、弥散，呈粒状和细片状排列成行，与α相长轴方向成55?~65?。 (1)形成温度：中高碳钢350℃~Ms；又称低温贝氏体。 (2)亚结构：缠解位错。比上贝氏体位错密度高，未发现孪晶。 (3)光镜下，α相呈暗黑色针状或片状，各针状有一定交角；电镜下清晰可见排列成行的粒状或片状Fe3C分布于α相条内，与α相长轴方向交成55?~60?，也可能分布在α相条外。 (4)下贝氏体α相内含有过饱和C原子，其固溶量比上贝氏体高。上贝氏体的α相平行，下贝氏体的α相有交角。 双磨面金相分析——对同一试样的两个垂直表面进行金相观察，以分析组成物的立体形态。 二、贝氏体分类 关于贝氏体分类目前很难统一 (1)按光镜组织则以α相形貌为依据。α相成簇分布呈条状为上贝氏体；呈针状或片状为下贝氏体。 (2)按电镜组织则以碳化物形貌和分布为依据。碳化物呈断续条状或杆状分布在α相之间为上贝氏体；呈粒状或细片状分布在α相之中为下贝氏体。 §13-3 贝氏体的形成 一、贝氏体的形成过程 过冷奥氏体冷却到贝氏体转变温度区，在贝氏体转变开始前，过冷奥氏体内部C原子产生不均匀分布，出现许多局部贫碳区和富碳区，在贫碳区产生α相晶核，当其尺寸大于该温度(贝氏体转变温度)下的临界晶核尺寸时，α相晶核不断长大，由于过冷奥氏体所处的温度较低，Fe原子的自扩散困难，只能按共格切变方式长大。C原子从α相长大的前沿向两侧奥氏体中扩散，而且α相内过饱和C原子不断脱溶。(1)高温时C原子穿过α相界扩散到奥氏体中或在相界面沉淀成碳化物；(2)低温时C原子在α相内部一定晶面上聚集并沉淀成碳化物；或同时在α相界面和α相内部沉淀成碳化物。 因此贝氏体的形成取决于形成温度和过冷奥氏体含碳量。 二、上贝氏体的形成过程 首先在过冷奥氏体晶界处或晶界附近贫碳区生成贝氏体α相晶核，如图13-3(a)，并且成排地向晶粒内长大。同时条状α相长大前沿的C原子不断向两侧扩散，而且α相多余的C也将通过扩散向两侧的界面移动。由于C在α相中的扩散速度大于在奥氏体中的扩散速度，在较低温度下，C在晶界处发生富集，如图13-3(b)，当富集的C浓度相当高时，在条状α相间形成Fe3C，而转变为典型的上贝氏体。如图13-3(c)和图13-3(d)。 当上贝氏体的形成温度较低或钢的含碳量较高时，上贝氏体形成时与α相条间沉淀碳化物的同时，在α相条内也沉淀出少量的多向分布的Fe3C小颗粒，如图13-3(c′)和图13-3(d′)。 三、下贝氏体的形成过程 在中高碳钢中，如果贝氏体转变温度比较低时，首先在奥氏体晶界或晶粒 内部某些贫碳区形成α相晶核(图13-4a)，并按切变共格方式长大成片状或透镜状(图13-4b)。由于转变温度较低，C原子扩散困难，较难迁移至晶界，和α相共格长大的同时，C原子只能在α相的某些亚晶界或晶面上沉淀为细片状碳化物(图13-4c)，和马氏体转变相似，当一片α相长大时，会促发其它方向片状α相形成(图13-4d)，从而形成典型的下贝氏体。 如果钢的含碳量相当高，而且下贝氏体的转变温度又不过低时，形成的下贝氏体不仅在片状α相中形成Fe3C，而且在α相边界上也有少量Fe3C形成，如图13-4c′和图13-4d′。 §13-4 钢中贝氏体的机械性能 钢中贝氏体的机械性能主要取决其显微组织形态，即取决于α相和Fe3C的显微组织形态。 一、α相的显微组织形态 1.贝氏体α相中相对细晶的呈条状(上贝氏体)或呈针状(下贝氏体)比相对粗晶的呈块状(粒状贝氏体)具有较高的强度和硬度。贝氏体转变温度降低，α相由块状→条状→针片状。 2.贝氏体中α相晶粒(亚晶粒)越小，强度越高，韧性越好(可以通过控制①过冷奥氏体晶粒大小和②控制冷却速度来控制α相晶粒大小)。 3.与平衡状态的α相对比，贝氏体中α相过饱和度大，导致固溶强化引起强度增加，但塑性和韧性降低很少。 4.贝氏体中α相的亚结构为缠结位错(相变应变产生的)，而且下贝氏体比上贝氏体位错密度高，因此强度比上贝氏体高。 二、碳化物的显微组织形态 1.碳化物尺寸相同时，其含量(取决于钢的含碳量)越多，强度和硬度越高，塑性和韧性越低。 2.成分一定时，贝氏体转变温度降低，碳化物尺寸减小，数量(不是含量)增加，即弥散分布，强度高韧性高，因此下贝氏体比上贝氏体性能好得多。 3.粒状碳化物不易产生应力集中，韧性好；上贝氏体碳化物呈断续杆状(条状或层状)的脆性大；下贝氏体碳化物呈细片状强度高。 三、非贝氏体组织形成对机械性能的影响(略)