第6章---贝氏体相变.ppt
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本章内容:
钢中的贝氏体相变,贝氏体相变的基本特征,贝氏体的组织形貌、亚结构特点,贝氏体相变的热力学、动力学、相变机制、性能等重点内容:
贝氏体相变的基本特征,贝氏体的组织形貌、亚结构特点,贝氏体相变的动力学、相变机制等。
第6章贝氏体相变,Robertson(1929)和Bain(1930),首先发现钢在中温相变区的产物,称为针状屈氏体。
1939年,Bain第一次把贝氏体显微组织印放成1000X照片;20世纪40年代末,将钢中温区冷却的组织称贝氏体(B);1952年,在英国伯明翰大学任教的柯俊提出贝氏体相变的切变机制;20世纪60年代末,美国的Aaronson,徐祖耀提出了扩散机制;20世纪70年代初,两大学派进行了对贝氏体相变机制及贝氏体定义的辩论。
前言,中国冶金专家-柯俊,柯俊,汉族,1917年生于长春,浙江黄岩人。
1938年毕业于武汉大学化学系,1948获英国伯明翰大学博士学位。
金属学、金属物理及技术学史专家、教育家,中国科学院院士。
长期从事金属材料基础理论和发展的研究,创始贝茵体相变的切变理论,发展了马氏体相变动力学;开拓冶金材料发展史的新领域,促进定量考古冶金学的发展。
徐祖耀教授,国际著名材料科学专家。
1921年3月出生于浙江省宁波市。
1938年10月-1942年7月在国立云南大学矿冶系毕业,获工学士学位。
曾任教唐山交通大学、北京钢铁学院。
现任教上海交通大学教授。
1995年10月当选为中国科学院院士。
在马氏体相变、贝氏体相变、材料热力学和形状记忆材料等研究领域,获得了一系列国际领先水平的成果,是国际著名的材料科学专家,一些重要成果被国际材料学者广泛引用,前言,贝氏体相变的共识:
过冷奥氏体在中温区发生的非平衡相变,转变有孕育期;转变过程:
主要是贝氏体铁素体的形核及长大,温度不同得到的组织不同;相组成物:
贝氏体铁素体基体+碳化物的非层状组织,还有残余奥氏体;相变特点:
切变共格和扩散型相变,即半扩散型相变,有表面浮凸效应相变过程:
由一个单相转变为两个相的过程。
相变过程中有碳原子的扩散,碳的扩散速度控制贝氏体转变速度并影响组织形貌。
第一节贝氏体相变的基本特征和组织形状,一、贝氏体相变的基本特征1.贝氏体相变的温度范围:
贝氏体相变的温度范围:
BsMs贝氏体相变不能进行到底,有残余奥氏体存在。
2.相变产物:
B由铁素体与碳化物、马氏体、富碳残余奥氏体等组成。
而P由铁素体和碳化物组成。
贝氏体转变与珠光体有着本质的不同:
非平衡、位错密度高、各相无比例关系、相组成不同等。
贝氏体定义:
钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物,它以贝氏体铁素体为基体,同时可能存在-渗碳体或-碳化物、残余奥氏体等相构成的组织。
贝氏体铁素体的形貌多呈条片状,亚结构是位错。
组织形态、碳化物分布状态与温度密切相关:
较高温度形成上贝氏体:
渗碳体分布在铁素体条之间较低温度形成下贝氏体:
渗碳体或碳化物主要分布在铁素体条内部。
随贝氏体的形成温度降低,贝氏体中铁素体的碳含量升高。
3.贝氏体相变动力学:
形核和核长大过程。
可等温形成,也可连续冷却形成。
有孕育期,等温动力学曲线呈“C”曲线。
4.贝氏体相变的扩散性:
相变时只有碳的扩散,而无铁原子和合金元素的扩散;5.贝氏体相变的晶体学特征F形成时有表面浮突现象,说明-Fe是按切变方式长大的上贝氏体的惯习面是111,下贝氏体的是225B中的铁素体与奥氏体、渗碳体与奥氏体有位向关系。
若相变温度低到铁原子扩散困难而碳原子还能扩散时,奥氏体仍然分解为-Fe和Fe3C二个相,但此时-Fe中碳浓度比平衡浓度高,而Fe3C的分散度变大,不再是条片状,这种转变产物被称之为贝氏体.,二、钢中贝氏体的组织形态,1.上贝氏体形成温度:
中、高碳钢350550C组织形态:
光学显微镜下呈羽毛状、条状、针状F条间分布着断续碳化物,F中有位错缠结。
电镜下的组织:
一束大致平行分布的条状铁素体(BF)和夹于条间的断续条状碳化物。
条间位相差很小,束间位相差较大。
形核位置:
条状BF在A的晶界处形核,亚结构为位错。
条状铁素体:
碳含量接近平衡浓度;条间碳化物:
渗碳体型。
随含碳量增加,BF条增加并变薄,条间渗碳体数量增多、形态由粒状向断续状过渡。
随相变温度降低,BF条变薄,渗碳体细化且弥散度增大。
铁素体形成时可产生大致平行的浮突,铁素体的惯习面为111,位相关系为K-S;碳化物的惯习面为227,与奥氏体也有一定的位相关系,故认为碳化物是从奥氏体中析出。
随相变温度降低和含碳量增加,BF条增加并变薄,位错密度增加;条间渗碳体数量增多、颗粒变小,弥散度增大。
2.下贝氏体形成温度:
中、高碳钢350CMs组织形态:
光镜下呈暗黑色针状或片状,片间不平行。
形核部位:
奥氏体晶界上、奥氏体晶粒内部,结构:
铁素体片内分布着排列成行的细片状或粒状碳化物,通常分布于铁素体片内部。
表面也会产生浮突。
F的碳含量高于平衡时的值。
亚结构:
缠结位错密度高于B上铁素体与奥氏体间的位相关系是K-S,惯习面是111等碳化物:
-碳化物、-碳化物(渗碳体),从过饱和铁素体中析出。
3.粒状贝氏体,3.粒状贝氏体形成条件:
低、中碳合金钢在上贝氏体相变区高温范围内等温时形成。
组织形态:
粒状富碳奥氏体分布在铁素体条中。
基体:
条状铁素体合并而成,铁素体的含碳量很低,接近平衡浓度,富碳奥氏体区含碳很高。
粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。
随后冷却时富碳A:
部分或全部分解为F和碳化物的混合物;部分转变为M;或保留为残余A。
4.无碳化物贝氏体,4.无碳化物贝氏体形成于低碳钢中;相变温度:
贝氏体相变区最高温度范围内形成;显微组织:
由大致平行的、有一定距离的单相条状铁素体和条间的马氏体(或残余奥氏体)所组成;形成时会出现表面浮凸,亚结构为位错与奥氏体间的位向关系为K-S关系,惯习面为111,,相变机制:
马氏体型相变:
因为贝氏体中的铁素体与母相奥氏体之间保持第二类共格、有一定的晶体学位向关系、浮凸现象等;扩散型相变:
由单相的奥氏体分解为碳浓度不同的铁素体+碳化物;结论:
贝氏体相变是马氏体相变+碳原子的扩散。
第二节贝氏体相变机制,一、恩金贝氏体相变假说实验一:
低碳钢形成的下贝氏体中的铁素体过饱和,实质上是低碳马氏体;实验二:
中碳钢形成下贝氏体后剩余奥氏体的碳浓度升高,说明有碳的扩散;实验三:
贝氏体的碳化物中的合金元素量与钢的原始含量相同,说明贝氏体相变过程中无合金元素的扩散。
试验证明:
贝氏体相变应属于马氏体相变性质,随后再回火析出碳化物而形成贝氏体。
贫富碳理论假说:
贫碳区发生马氏体相变形成低碳马氏体,随后迅速回火析出碳化物而形成贝氏体;富碳区先析出渗碳体,形成新的贫碳区。
过冷奥氏体中的贫碳区在Ms点以上等温发生马氏体相变的原因如图恩金假说解释了贝氏体的形成、Bs点的意义、碳浓度的变化等。
二、柯俊贝氏体相变假说形成马氏体自由能:
G=-VGV+S+E在Ms点以上,若能使GV增大,使E减小,则可发生马氏体相变。
如果相变时有碳的脱溶,则由高碳奥氏体转变为低碳马氏体。
结论:
相的长大和碳从相中脱溶是同时发生的。
因为贝氏体的长大速度受碳原子的扩散脱溶所控制,所以贝氏体的长大速度远小于马氏体的长大速度。
贝氏体相变的驱动力主要是碳脱溶所增加的化学自由能差。
柯俊贝氏体相变假说可解释:
在Ms点以上温度相可以通过马氏体型相变机制形成;贝氏体的长大速度远小于马氏体的长大速度;不同温度下组织形态不同。
三、贝氏体的形成过程,1.高温区的贝氏体相变过冷度小,形成的铁素体板条少,宽度大。
碳的扩散能力强,碳可通过相界面扩散到奥氏体中使铁素体含碳量降到接近平衡浓度。
进入奥氏体中的碳向内部扩散,不会析出碳化物。
得到条状铁素体加富碳奥氏体无碳化物贝氏体。
富碳奥氏体随后可转变为珠光体、马氏体、残余奥氏体、其他类型贝氏体。
铁素体条可自促发形成。
2.中温区的贝氏体相变相变温度范围:
350550C碳的扩散能力下降,碳在铁素体中有一定的扩散能力,但在奥氏体中的扩散困难;铁素体条间的奥氏体的碳浓度升高到一定时将析出渗碳体,形成上贝氏体平行的条状铁素体加断续的渗碳体。
B上的转变速度受碳在奥氏体中的扩散控制。
3.低温区的贝氏体相变碳原子在奥氏体中不能扩散,在铁素体中有一定的扩散能力,但较难扩散到相界面处,所以在铁素体内沿一定晶面析出细片状碳化物;形成B下片状铁素体加细片状碳化物;B下的转变速度受碳在铁素体中的扩散所控制;碳化物析出和铁素体长大同时进行;自触发形核。
4.粒状贝氏体的形成无碳化物贝氏体的条状铁素体加断续的粒状富碳奥氏体。
结论:
贝氏体中的铁素体都是通过切变机制形成的形成温度不同,铁素体中的碳化物形成方式不同;贝氏体相变的主要控制因素是碳的扩散。
片状铁素体的内部沉淀碳化物组织。
在显微镜下观察呈黑色针状或竹叶状。
它以针片状铁素体为基,其中分布着很细的碳化物片。
下贝氏体+马氏体,片状马氏体:
也称针状马氏体。
在光学显微镜下,片状马氏体呈针状或竹叶状,片间有一定角度,其立体形态为双凸透镜状,颜色较浅,在光学显微镜下呈白亮色。
思考题:
简述贝氏体相变的基本特征。
简述钢中上贝氏体、下贝氏体的组织形态及其形成过程。
一、贝氏体等温相变动力学有孕育期,呈“C”曲线图5-9中珠光体与贝氏体转变分离。
第三节贝氏体相变动力学及其影响因素,图中珠光体转变与贝氏体转变部分重合过冷奥氏体发生混合转变:
较高温度等温时先形成一部分珠光体,再发生贝氏体相变。
二、贝氏体相变时碳的扩散,贝氏体相变主要受碳的扩散控制相变温度越高,相变速度越快。
u=u0exp()相变温度越高,达到一定转变量所需时间越短=0exp()350C是上、下贝氏体的转折点。
原因:
碳在A、F中的扩散激活能不同,三、影响贝氏体相变动力学的因素,1、化学成分的影响随钢中碳含量增加,形成贝氏体需扩散的碳增加,所以“C”曲线右下移,相变速度减慢。
除Co、Al外,其它合金元素如Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、W、V都使“C”曲线向右下方移动。
2、奥氏体晶粒大小和奥氏体化温度的影响随奥氏体晶粒增大,晶界减少,形核部位减少,贝氏体相变速度减慢。
提高保温时间,影响不同:
奥氏体晶粒长大使贝氏体相变速度减慢;奥氏体均匀化使晶体缺陷减少、贝氏体形成时的相变阻力减小,故加速贝氏体相变。
3、应力和塑性变形的影响拉应力使贝氏体相变速度加快。
高温区对奥氏体进行塑性变形:
使奥氏体的晶体缺陷密度提高,有利于碳的扩散,加速贝氏体相变;破坏晶粒取向的连续性,对铁素体的共格长大不利,使贝氏体相变减慢。
中温区对奥氏体进行塑性变形:
使奥氏体中的缺陷密度提高,有利于碳的扩散;造成内应力,有利于贝氏体铁素体按切变机制形成;促进碳化物的析出;提高相变速度。
曲线1:
在珠光体相变和贝氏体相变之间的过冷奥氏体稳定区停留:
有碳化物析出,降低了A稳定性,因此加速贝氏体相变速度。
4、奥氏体冷却时在不同温度停留的影响,曲线2:
在B形成温度的高温区停留,再冷却到下贝氏体相变区,则孕育期延长,转变量减少,即高温停留和发生的部分贝氏体相变所产生的相硬化能引起奥氏体的机械稳定化。
曲线3:
在Ms点附近停留,则先形成的部分M或B,使奥氏体点阵发生畸变,应变自促发形核,加速贝氏体的形成。
奥氏体化方式不同,过冷A的冷却方式不同,钢则转变为不同的组织结构,以获得所要求的性能.过冷奥氏体在临界点以下,随等温温度的降低,可能转变的组织类型依次为:
铁素体(碳化物)+珠光体上贝氏体下贝氏体马氏体性能特点:
强度、硬度越来越高,塑性、韧性越来越差。
组织特点:
从平衡组织逐渐过渡到非平衡组织,硬度不断提高。
钢的力学性能,贝氏体的力学性能主要取决于其成分和组织结构贝氏体的组织:
贝氏体铁素体、碳化物、残余奥氏体、马氏体等。
贝氏体的强度和硬度随相变温度降低而升高。
下贝氏体:
强度和硬度与回火马氏体相当,并具有较高的韧性;上贝氏体:
强度和塑性均较差.高碳钢的下贝氏体组织具有高的强度、硬度、耐磨性和韧性。
第四节钢中贝氏体的力学性能,一、影响贝氏体力学性能的主要因素,1、贝氏体中铁素体的晶粒大小的影响贝氏体形成温度越低:
BF的晶粒大小取决于A晶粒大小和形成温度。
形成温度越低,B强度、硬度越高。
因为:
1)贝氏体铁素体的晶粒越细小,对位错运动的阻力越大;2)形成温度越低:
贝氏体铁素体的过饱和度就越大,强度、硬度越高。
3)形成温度越低:
位错密度增大,则贝氏体的强度和硬度就越高,且韧性有所提高。
贝氏体铁素体的亚结构主要是缠结位错。
2、贝氏体中碳化物弥散度和分布状况的影响碳化物的尺寸越细小,数量越多,则硬度和强度就越高,韧性和塑性有所降低。
碳化物为粒状时贝氏体的韧性最好,为细小片状时强度较高。
随温度降低,碳化物尺寸减小,数量增多,形态为细片状,硬度和强度增高,韧性和塑性降低很少。
随等温时间延长或进行较高温度的回火,渗碳体将向粒状转化。
下贝氏体中,碳化物等向均匀弥散分布,且颗粒较细小,故强度较高,韧性较好。
强度是抵抗位错运动的能力。
贝氏体的强度和硬度随相变温度降低而升高。
0.2=15.4-12.6+11.3d1/2+0.98n1/4高碳钢的B下组织具有高的强度、硬度、耐磨性和韧性。
二、贝氏体的强度和硬度,影响贝氏体强度的因素有:
1、BF的晶粒大小-细晶强化:
贝氏体条片大小主要取决于形成温度:
形成温度越低,贝氏体铁素体条片越小,条内的位错密度越高,所以强度越高。
0.2=15.4-12.6+11.3d-1/2+0.98n1/4,2、碳化物的弥散度-弥散强化:
碳化物的颗粒越小,数量越多,则强度越高。
下贝氏体的碳化物颗粒细小,呈碳化物弥散分布于贝氏体铁素体条内部,所以强度较高;上贝氏体中的碳化物颗粒较大,呈不连续的短棒状分布于铁素体条片间,分布不均匀,所以强度低、脆性大。
0.2=15.4-12.6+11.3d-1/2+0.98n1/4,单位面积碳化物晶粒数,结论:
碳化物的数量、大小主要取决于贝氏体的形成温度和奥氏体中的碳含量,形成温度越低、碳含量越高,碳化物越细小。
3、位错密度:
位错密度随相变温度降低而增加,切变强度与位错密度的平方根成正比。
4、固溶强化因为BF含碳量低,所以固溶强化作用较小。
结论:
B的强度随转变温度降低而升高,贝氏体的疲劳性能和耐磨性:
同种钢在热处理后硬度相同时,等温淬火获得的贝氏体较淬火回火组织具有更高的疲劳强度和耐磨性。
原因:
贝氏体较其他组织具有最佳的强韧性配合,疲劳裂纹的产生和扩展都较困难。
选材:
在重载和大的冲击载荷工作条件下,应首选贝氏体作为使用组织,因为抗冲击耐磨性能以强韧性配合较佳的组织为最好。
中、高碳钢的下贝氏体具有高的强度、韧性、耐磨性。
三、贝氏体的塑性和韧性1、塑性和冲击韧性随着等温温度的下降和强度的升高,贝氏体组织的塑性下降。
决定贝氏体组织韧性的因素是贝氏体铁素体的晶粒大小及碳化物的形态和分布。
下贝氏体铁素体条片细小,较小的碳化物颗粒分布在铁素体内部不易形成裂纹,即使形成裂纹也将受到大量弥散碳化物颗粒和位错的阻止,则具有较高的韧性,碳化物过于弥散时韧性会下降。
下贝氏体的韧性比上贝氏体的高。
贝氏体组织力学性能的重要特点是:
下贝氏体的韧性较高。
思考题:
简述钢中贝氏体的力学性能及影响因素教材中:
18题,
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- 贝氏体 相变