[科普中国]-贝氏体相变

正文

1930 年达文波特（E.S.Davenport）和贝茵（E.C.Bain）首次观察到钢经中温等温转变后相变产物的金相组织形态，后人为了纪念贝茵的功绩，将这种组织定名为“贝氏体”（Bainite）。1939年梅尔（R.F.Mehl）又把在较高温度和较低温度形成的不同形态贝氏体分别称为上贝氏体和下贝氏体。由于对贝氏体相变的本质了解不够，贝氏体尚无统一的定义。

贝氏体形貌贝氏体又称贝茵体。过冷奥氏体的中温 转变产物。因奥氏体中含碳量、合金元 素及转变温度不同，钢中贝氏体组织 形态有下述几种：①上贝氏体。含碳量 高于0.4%的碳素钢中，在600～ 350℃的较高温度下形成。在光镜下为 羽毛状。在电镜下，上贝氏体由许多从 奥氏体晶界向晶内平行生长的板条状 铁素体和在相邻铁素体条间存在的不 连续的、短杆状的渗碳体所组成，其铁 素体的形态与亚结构和板条马氏体相 似，但位错密度要低2～3个数量级， 约为10～10/cm； ②下贝氏体。在 350℃～Ms的较低温度下形成。在光 镜下呈黑色针状。下贝氏体中铁素体 的形态与马氏体很相似，碳含量低时 呈板条状，碳含量高时呈透镜片状，碳 含量中等时两种形态兼有。与马氏体 不同，下贝氏体中铁素体的亚结构为 位错型，不存在孪晶，其位错密度比上 贝氏体中铁素体的高；③反常贝氏体。 出现在过共析钢中，以渗碳体为领先 相；④粒状贝氏体。可能存在于一些低 碳钢及低碳、中碳合金钢中，在上贝氏 体形成温度以上和奥氏体转变为贝氏 体最高温度 （Bs点）以下的温度范围 内形成。由块状或针状铁素体基体以 及分布在基体上的一些颗粒状小岛所 组成。小岛呈不连续条形，平行排列在 铁素体基体中。下贝氏体形成温度较 低，其铁素体针细小，无方向性，碳的 过饱和度大，位错密度高，且碳化物分 布均匀，弥散度大，所以硬度高，韧性 好，具有较好的综合性能。上贝氏体的 铁素体片较宽，强韧性均差，故在生产 上力求避免。

转变过程上贝氏体开始转变前，在过冷奥氏体的贫碳区先孕育出铁素体晶核。它处于碳过饱和状态，碳有从铁素体中向奥氏体扩散的倾向，随着密排的铁素体条的伸长、变宽，生长着的铁素体中的碳不断地通过界面排到其周围的奥氏体中，导致条间奥氏体的碳不断富集，当其碳质量分数足够高时，便在条间沿条的长轴方向析出碳化物，形成典型的上贝氏体，如图1（a）。

下贝氏体是在较大的过冷度下形成的，碳的扩散能力降低，尽管初生的下贝氏体的铁素体周围溶有较多的碳，具有较大的析出碳化物的倾向，但碳的迁移却未能超出铁素体片的范围，只是在片内沿一定的晶面偏聚起来并进而沿与长轴成55°～60°夹角的方向上沉淀出碳化物粒子，转变温度越低，碳化物粒子越细，分布越弥散，而且此时仍有部分碳过饱和地固溶在铁素体中形成典型的下贝氏体，如图1（b）。

此外，在低中碳合金钢中，还往往会出现粒状贝氏体，其形成温度大致在上贝氏体转变温度区的上部。

粒状贝氏体金相组织的特征是在较粗大的块状铁素体内部出现孤立的“小岛”。它们呈粒状或长条状多样形态，很不规则，如图2所示。这些小岛原先是高碳奥氏体，随后的转变产物有三种可能： a. 分解为α-Fe和碳化物；b. 发生马氏体转变；c. 仍保持为高碳奥氏体。有时在一个组织中出现其中一种情况或同时出现多种情况，视奥氏体的化学成分和热处理工艺而异。2

转变特性钢中贝氏体转变具有以下公认的特性：①有表面浮突效应；②碳原子进行扩散；③较马氏体转变速度缓慢；④新、旧相间有一定的对应的晶体学关系和惯析面。

合金元素的影响合金钢中某些合金元素能使过冷奥氏体转变图（C曲线）中的珠光体（或珠光体+铁素体）区和贝氏体区分为各自独立的C曲线。有些合金元素（Cr、W、V等）能减小碳的扩散系数,另一些合金元素（C、Ni、Mn等）降低临界点和减少相变自由能，致使贝氏体转变速度减慢,孕育期增长。又有一些合金元素（Mn和微量B）能明显抑止先共析铁素体（F）的析出，合金元素Mo、W则能显著推迟珠光体 （P）转变，但对贝氏体转变影响较小。利用Mn或Mo-B合金化,可使低碳钢的（F+P）区孕育期延长，而贝氏体的孕育期无明显改变，贝氏体鼻部相应地突出出来，空冷后易获得贝氏体，这类合金可称贝氏体型钢。

非铁合金中的贝氏体转变在非铁合金的相变中也有类似钢中的贝氏体转变，如黄铜（约40%Zn）在固溶化后，于一定温度等温处理一定时间，便有条状新相从β基体中沉淀，它的Zn含量高于α/β相间平衡状态下的α相中的Zn含量。若延长保温时间,Zn原子从新相中脱溶而扩散进入β基体中。新相在β相一定结晶（惯析）面上形核，生长速度缓慢，且呈表面浮突效应，具有钢中贝氏体型转变的特性。