第5章贝氏体转变.ppt
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1、,马氏体晶体学、形态及其形成特征,马氏体转变热力学,相变驱动力 过冷度T=To-Ms Ms点的物理意义 Ms点是开始发生马氏体转变的温度,是奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需要的最小驱动力值时的温度。,影响Ms点因素,奥氏体化学成分,CMs,除Co、Al外 Ms,拉应力Ms 压应力Ms,塑性变形(MdMs) 应变诱发MMs 抑制后面M转变,Md的物理意义:获得应变诱发马氏体的最高温度。,M转变前A己部分 转变为BMs,M转变前A己部 分转变为PMs点,马氏体转变动力学,M转变动力 学类型,钢变温转变,Fe-Ni合金,其实质瞬间形该(无孕育期)、高速长大(长到极限尺寸)。,等温转变,爆发式转
2、变,M转变量只决定于转变温度,而与保温时间无关。,亚结构,马氏体的性能,强度和硬度高,塑性和韧性,固溶强化,时效强化,亚结构强化,位错型马氏体 塑性、韧性好,孪晶马氏体 塑性、韧性低,应变诱发马氏体,MsMd塑性变形,相变诱发塑性钢,马氏体相变诱发塑性,奥氏体的稳定化,(奥氏体转变为马氏体能力减低的现象),化学稳定化,热稳定化,机械稳定化,Ms点降低,M形成温度范围内保温或冷却中断引起的A稳定化,由塑性变形引起的A稳定化,滞后温度值的意义由于C、N原子钉扎位错,而要求提供附加的化学驱动力以克服C、N原子的钉扎力,为获得这个附加的化学驱动力所需的过冷度。,上一页,下一页,回主页,第5章 贝氏体转
3、变,第5章 贝氏体转变,5.1 贝氏体的组织形态和亚结构 5.2 贝氏体转变的特点和晶体学 5.3 贝氏体转变过程及其热力学分析 5.4 贝氏体转变机理 5.5 贝氏体转变动力学 5.6 贝氏体的机械性能 5.7 魏氏组织,9,5.1 贝氏体的组织形态和亚结构,钢中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,同时可能存在碳化物、渗碳体、残留奥氏体等相构成的组织。 5.1.1 上贝氏体 定义:在贝氏体相变较高温度范围内形成的贝氏体。 形成温度:中、高碳钢中上贝氏体大约在350550的温度区间形成。,10,上一页,下一页,回主页,11,图5.1 上贝氏体形貌,(a) 光学显微组织 (
4、b) 电镜照片,上一页,下一页,构成:由成束的、大体上平行的板条状且含碳过饱和的铁素体和条间分布的不连续渗碳体所组成的非片层状组织。 形态:羽毛状,特征 (a) 上贝氏体中的铁素体形成时在抛光试样表面形成浮凸。 (b) 上贝氏体的亚结构与板条马氏体的相似。铁素体中含有过饱和的碳(过饱和度不高),且存在位错缠结。 影响因素 (a) 随钢中碳含量增加,上贝氏体中的铁素体条增多并变薄,条间渗碳体的数量增多,其形态由粒状变为链珠状、短杆状、直至断续条状。 (b) 随相变温度下降,上贝氏体中的铁素体条变薄,渗碳体细化且弥散度增大。,12,上一页,下一页,5.1.2 下贝氏体,定义:在贝氏体相变区较低温度
5、范围内形成的贝氏体。 形成温度:中、高碳钢下贝氏体大约在350 Ms之间形成。 构成:由含碳过饱和的铁素体和分布在其内部的碳化物(渗碳体或碳化物)所组成。,13,上一页,下一页,14,图5.2 GCr15下贝氏体形貌,(a) 光学显微组织 (b) SEM组织,上一页,下一页,形态:针状或片状,各片之间有一定的交角。,特征 (a)下贝氏体形成时也会在光滑的试样表面产生浮凸,但其形状与上贝氏体组织不同。 (b)下贝氏体中的铁素体的碳含量高于上贝氏体,且远高于平衡碳含量。 (c)下贝氏体铁素体的亚结构与上贝氏体铁素体相似,也是缠结位错,但位错密度高于上贝氏体铁素体。 (d)下贝氏体中的碳化物一般是渗
6、碳体。但当温度较低时,初期形成碳化物,随时间延长,碳化物转变为渗碳体。,15,上一页,下一页,影响因素 (a) 随钢中碳含量的增加,下贝氏体铁素体中沉积的碳化物增多,并随形成温度的降低趋于弥散。 (b)当钢中含有较多稳定奥氏体的合金元素时,在铁素体基体上可同时有残余奥氏体和碳化物存在。,16,上一页,下一页,贝氏体的表示: (贝氏体铁素体)BF(过饱和) + Fe3C 上贝氏体-B上(过饱和+Fe3C短杆状) 下贝氏体-B下(过饱和+ Fe3C针片状或碳化物),17,上一页,下一页,5.1.3 其它各类贝氏体,1.无碳化物贝氏体 定义:在贝氏体转变区最上部的温度范 围内形成的不含碳化物的贝氏体
7、。 组成:由条束状的铁素体构成的单相组织。 形态:从奥氏体晶界开始向晶内平行生长的成束的板条状铁素体,其板条较宽,条间距离也较大,条片间是富碳奥氏体或其冷却过程的产物(珠光体、其它贝氏体或马氏体)。,18,上一页,下一页,19,图5.3 无碳化物贝氏体形貌,(a) 光学显微镜照片 (b) 示意图,上一页,下一页,特征 (a)无碳贝氏体总不是单一存在的,而是与其它组织共存。 (b)这类贝氏体形成时也具有浮凸效应。其铁素体中也有一定数量的位错。 形成条件 (a)在硅钢和铝钢中(Si、Al不溶于渗碳体,故延缓渗碳体的形成,使在室温时仍保留残余奥氏体而不析出渗碳体,形成无碳贝氏体); (b)在低碳合金
8、钢中(形成贝氏体铁素体后,渗碳体尚未析出,贝氏体铁素体间仍为奥氏体,碳不断向奥氏体中扩散富集,使奥氏体趋于稳定而保留下来,形成无碳贝氏体) ; (c)既可在等温时形成,也可在缓冷时形成。,20,上一页,下一页,2.粒状贝氏体,定义: 低、中碳合金钢以一定速度连续冷却或在上贝氏体相变区高温范围内等温时形成的贝氏体。 形成温度:接近于Bs(奥氏体转变为贝氏体的最高温度),约500400温度范围或更高一些。 构成:由块状铁素体和粒状(岛状)富碳奥氏体所组成的。,21,上一页,下一页,图5.4 粒状贝氏体形貌,22,上一页,下一页,(a) 透射电镜组织 (b) 示意图,形态:块状铁素体基体上分布着岛状
9、第二相。,特征 (a)这种铁素体的碳含量很低,接近平衡浓度,富碳奥氏体区的碳含量则很高。 (b)富碳奥氏体可以分布在铁素体晶粒内部,也可以分布在铁素体晶界上。,23,上一页,下一页,富碳奥氏体区随后冷却可能发生的三种转变 (1)部分或全部分解成铁素体和渗碳体; (2)部分转变为马氏体,其余部分则成为残余奥氏体,其中的马氏体是高碳孪晶马氏体;,(3)全部保留下来而成为富碳奥氏体。 一般来说,第二种情况最为普遍。,24,上一页,下一页,3. 反常贝氏体 这种贝氏体产生于过共析钢中,由于以渗碳体领先形核,与一般贝氏体以铁素体领先形核相反,故称为反常贝氏体。,贝氏体转变是过冷奥氏体在中温区发生的非平衡
10、相变,转变温度范围较宽,转变有孕育期; 贝氏体转变过程主要是贝氏体铁素体的形核及长大过程。在不同温度下,得到不同类型的贝氏体组织形貌; 贝氏体相变是半扩散型相变。相变中有碳原子的扩散,而且碳的扩散速度控制贝氏体转变速度并影响贝氏体组织形貌。,25,上一页,下一页,5.2.1 贝氏体转变的基本特征,5.2 贝氏体转变的特点和晶体学,贝氏体形成时会产生表面浮凸。贝氏体转变时新相与母相奥氏体之间存在一定的晶体学取向关系。 贝氏体转变有一个上限温度Bs,高于该温度则不能形成,贝氏体转变也有一个下限温度(Bf)到达此温度则转变即告终止。 贝氏体转变也具有不完全性,即使冷至Bf温度,贝氏体转变也不能进行完
11、全,随转变温度升高,转变的不完全性越大。,26,上一页,下一页,贝氏体与珠光体转变的区别 (1)珠光体由F+Fe3C两相组成。贝氏体可以由BF+Fe3C(碳化物),或BF+Ar,或BF+M/A岛,或BF+Fe3C+A+M等多相组成。 (2)珠光体晶核是两相,即F+Fe3C;贝氏体的晶核是单相,即贝氏体铁素体(BF)。,27,上一页,下一页,(3)珠光体共析分解反应式为AF+Fe3C;贝氏体相变不能写成此式。上贝氏体和下贝氏体中的渗碳体晶核不与铁素体共析共生。 (4)珠光体转变在晶界形核,而贝氏体相变的形核可在晶界也可以在晶内。 (5)珠光体是过冷奥氏体在高温平衡区的分解产物或接近平衡的转变产物
12、;贝氏体是中温区的非平衡相变产物。,28,上一页,下一页,(6)珠光体中铁素体可以是片状的(片状珠光体)、或等轴状的(粒状珠光体)、其中的位错密度低;贝氏体铁素体由亚单元乃至超细亚单元构成,位错密度极高,甚至发现存在精细孪晶。 (7)珠光体中铁素体、渗碳体两相存在着比例关系,如共析钢的珠光体中,渗碳体的相对含量约占13;贝氏体中各相没有固定的比例关系,渗碳体析出量不定,还会夹杂着残留奥氏体等相。,29,上一页,下一页,珠光体、贝氏体、马氏体转变特点比较,30,上贝氏体 下贝氏体,31,奥氏体贝氏体铁素体晶体学关系,上一页,下一页,5.2.2 贝氏体转变的晶体学,(011)Fe3C ,32,上贝
13、氏体中碳化物为Fe3C型,与奥氏体间的晶体学位向关系为: 下贝氏体中铁素体与碳化物间的取向关系尚无定论。下贝氏体中的碳化物类型取决于钢的成分、形成温度及其时间。,上一页,下一页,奥氏体碳化物、贝氏体铁素体碳化物 的晶体学关系,钢中硅含量较高时,基本上是碳化物。 其他钢的下贝氏体中碳化物通常为渗碳体与碳化物的混合,或全部是渗碳体。 一般来说,形成温度愈低,时间愈短,愈容易出现碳化物、且所占比例愈大;反之,则愈小。,33,上一页,下一页,5.3 贝氏体转变过程及其热力学分析,5.3.1 贝氏体转变过程 1.贝氏体转变的两个基本过程 贝氏体转变包含铁素体形成和碳化物析出两个基本过程。 2.奥氏体中碳
14、的再分配 贝氏体转变时,在过冷奥氏体中首先通过碳的扩散再分配,形成富碳和贫碳区,以满足新相形核时所必需的浓度(成分)条件。,34,不发生合金元素的再分配,钢中碳和合金元素含量,转变温度,影响奥氏体中 碳再分配因素,3.贝氏体铁素体的形成及其碳含量,35,上一页,下一页,贝氏体中铁素体的形成是按马氏体转变机制进行的。即贝氏体铁素体和奥氏体保持共格联系并沿母相奥氏体特定晶面依靠切变而长大。,贝氏体铁素体最先是由A中贫碳区形成低碳马氏体,在随后的保温过程中因发生分解,析出了碳化物,由此得到由贝氏体铁素体和碳化物所构成的贝氏体组织。,36,X成分的奥氏体过冷到T温度时,C在奥氏体中处于过饱和状态,在孕
15、育期内发生C的再分配而形成贫碳区和富碳区; 当奥氏体贫碳区中的碳含量降到Y以下,则此成分的奥氏体处在Ms点或以下发生M转变; 所形成的低碳M在随后的等温过程中发生分解析出碳化物,由此得到由含碳过饱和的铁素体和碳化物组成的贝氏体。,上一页,下一页,图5.5 贝氏体形成温度与 贝氏体铁素体碳含量的关系,在A富碳区中则析出渗碳体,其碳浓度下降变为贫碳区,一旦碳含量降到Y以下,将发生M转变; 贝氏体铁素体的过饱和碳量远低于钢的平均碳含量,高于在该温度下平衡状态铁素体的碳含量; 转变温度愈高,铁素体中碳的过饱和度愈小; 反之,则过饱和度愈大。,37,图5.5 贝氏体形成温度与 贝氏体铁素体碳含量的关系,
16、在贝氏体相变发生之前奥氏体发生碳的扩散重新分配,形成贫碳区和富碳区。 在贫碳区发生马氏体相变形成低碳马氏体,然后马氏体迅速回火形成过饱和铁素体和渗碳体组成物,即贝氏体。 在富碳区中首先析出渗碳体,使其碳浓度下降为贫碳区,然后从新的贫碳区通过马氏体相变形成马氏体,而后又通过回火成为过饱和铁素体加渗碳体的两相组成物(贝氏体)。而在相变过程中铁及合金元素的原子不发生扩散。,38,综上所述,4. 碳化物相的类型和成分,类型:渗碳体或碳化物。 成分:碳化物中的合金元素含量总是大致等于钢中合金元素的平均含量。 5.3.2 贝氏体转变的热力学分析 1.贝氏体转变的驱动力 与马氏体转变相比,贝氏体转变的自由能
17、低,相变驱动力大,所需的过冷度小。贝氏体形成的上限温度Bs显著高于马氏体开始形成的温度Ms。,39,上一页,下一页,40,原因,1)贝氏体转变时,奥氏体中碳发生了再分配,使贝氏体铁素体中碳含量降低,其自由能减小,增大了相同温度下新、母相间自由能差。 2)贝氏体与奥氏体之间比容差小,使因比容增大和维持切变共格所引起的弹性应变能减小,与周围奥氏体的协同形变能减小。,上一页,下一页,于是,在不需要像马氏体转变时那样大的过冷度条件下就有可能满足贝氏体转变的热力学条件。,2. Bs点及其与钢成分的关系,Bs为贝氏体开始转变的温度;Bs点的意义是表示奥氏体和贝氏体之间自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值
18、时的温度。高于Bs点则贝氏体转变不能进行。 Bf为贝氏体转变终止的温度;即使到达Bf时,过冷奥氏体也不能全部转变为贝氏体,残余奥氏体的量随转变温度降低而减少;Bs和Bf的温度差,对大多数钢来说约相差120。 一般而言,Bs随碳和合金元素含量的增加而降低。,41,上一页,下一页,5.4 贝氏体转变机制,争议 (1)贝氏体铁素体的长大是切变长大还是台阶长大? (2)贝氏体碳化物析出源问题。 5.4.1 切变机制 贝氏体中铁素体以切变共格方式长大,同时伴随碳原子的扩散和碳化物从铁素体中脱溶沉淀的过程,整个转变过程的速度受原子的扩散过程所控制。,42,上一页,下一页,不同形态贝氏体中的铁素体都是通过切
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