比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同

试比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同一．组织形态：1.珠光体：珠光体的组织形态特征：珠光体的典型组织特征是由一层铁素体和一层渗碳体交替平行堆叠而形成的双相组织。根据片层间距的不同，可将珠光体分为三种：珠光体：S0=450-150nm，形成温度为A1－650℃，普通光学显微镜可以分辨。索氏体：S0=150-80nm，形成温度为650－600℃，高倍光学显微镜可以分辨。屈氏体：S0=80-30nm，形成温度为600－550℃，电子显微镜可以分辨。铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织为粒状珠光体。这种组织一般是通过球化退火或淬火后高温回火得到的。在珠光体转变过程中，所形成的珠光体中的铁素体与母相奥氏体具有一定的晶体学位向关系。珠光体中，铁素体与渗碳体之间存在一定的晶体学位向关系。2.马氏体：马氏体的组织形态：○1.板条马氏体是低、中碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：在一个原奥氏体晶粒内部有几个（3－5个）马氏体板条束，板条束间取向随意；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体板条，板条间是小角晶界。马氏体板条内存在大量的位错，所以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。板条状马氏体也称为位错型马氏体。○2.片状马氏体是中、高碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：在一个原奥氏体晶粒内部有许多相互有一定角度的马氏体片。马氏体片的空间形态为双凸透镜状，横截面为针状或竹叶状。在原奥氏体晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，以后陆续形成的马氏体片越来越小，所以马氏体片的尺寸取决于原始奥氏体晶粒的尺寸。片状马氏体的形成温度较低，在马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。片状马氏体的内部亚结构主要是孪晶。当碳含量较高时，在马氏体片中可以看到中脊，中脊面是密度很高的微孪晶区。马氏体片形成时的相互撞击，马氏体片中存在大量的纤维裂纹。3.贝氏体：贝氏体的组织形态：○1.上贝氏体上贝氏体形成于贝氏体转变区较高温度范围，中、高碳钢大约在350-550℃形成。为成束分布、平行排列的条状铁素体和夹于其间的断续条状渗碳体的混合物。多在奥氏体晶界形核，自晶界的一侧或两侧向晶内长大，具有羽毛状特征。上贝氏体中铁素体的亚结构是位错，其密度比板条马氏体低2－3个数量级，随形成温度降低，位错密度增大。随碳含量增加，上贝氏体中铁素体条增多、变薄，渗碳体数量增多、变细。随转变温度降低，上贝氏体中铁素体条变薄，渗碳体细化。上贝氏体中铁素体条间还可能存在未转变的残余奥氏体。○2.下贝氏体下贝氏体形成于贝氏体转变区较低温度范围，中、高碳钢大约在350℃-Ms之间温度形成。下贝氏体是由过饱和片状铁素体和其内部沉淀的渗碳体组成的机械混合物。铁素体片空间呈双凸透镜状，截面为针状或竹叶状，片间呈一定角度，可在奥氏体晶界形核，也可在奥氏体晶内形核。下贝氏体的铁素体中碳化物细小、弥散、呈粒状或条状，沿着与铁素体长轴成一定角度平行排列。○3.粒状贝氏体粒状贝氏体是低碳或中碳合金钢在上贝氏体转变区上限温度范围内形成的一种贝氏体组织。粒状贝氏体组织特征是：在粗大的块状或针状铁素体内或晶界上分布着一些孤立小岛，小岛形态呈粒状或长条状。这些小岛在贝氏体刚刚形成时是富碳奥氏体，冷却时可分解为珠光体、马氏体或保留为富碳奥氏体。粒状贝氏体中铁素体的亚结构为位错。○4.无碳化物贝氏体无碳化物贝氏体一般产生于低碳钢或硅、铝含量较高的钢中。无碳化物贝氏体是由大致平行的条状铁素体和条间富碳奥氏体或其转变产物组成的。形成时也会出现表面浮凸，铁素体中亚结构时位错。○5.柱状贝氏体柱状贝氏体一般产生于高碳钢中，形成温度为下贝氏体形成温度。柱状贝氏体中铁素体呈放射状，碳化物分布在铁素体内部。○6.反常贝氏体反常贝氏体也称反向贝氏体或倒易贝氏体，产生在共析钢中，形成温度略高于350℃。二．转变特点：1.珠光体：○1.片状珠光体形成过程当共析钢由奥氏体转变为珠光体时，是由均匀的奥氏体转变为碳含量很高的渗碳体和含碳量很低的铁素体的机械混合物。因此，珠光体的形成过程，包含着两个同时进行的过程：一个是通过碳的扩散生成高碳的渗碳体和低碳的铁素体；另一个是晶体的点阵重构。由面心立方体的奥氏体转变为体心立方题点阵的铁素体和复杂单斜点阵的渗碳体。共析钢成分过冷奥氏体发生珠光体转变时，多半在奥氏体晶界上成核，晶界交叉点更有利于珠光体的成核，也可在晶体缺陷比较密集的区域成核。如果以渗碳体作为领先相，当奥氏体冷却至以下时，首先在奥氏体晶界上产生一小片渗碳体晶核，核刚形成时，可能与奥氏体保持共格关系，而成片状。渗碳体晶核成片状，一方面为渗碳体成长提供C原子的面积大，另一方面形成渗碳体所需要的C原子扩散距离缩短。在原始奥氏体中，各种不同取向的珠光体不断长大，而在奥氏体晶界上和珠光体-奥氏体相界上，又不断产生新晶核，并不断长大，直到长大着的各个珠光体晶粒相碰，奥氏体全部转变为珠光体时，珠光体形成即告结束。○2.粒状珠光体的形成过程粒状珠光体是通过渗碳体球化获得的。在略高于的温度下保温将使溶解的渗碳体球化，这是因为第二项颗粒的溶解度与其曲率半径有关，与渗碳体尖角处相接触的奥氏体中的碳含量较高，而与渗碳体平面处相接触的奥氏体的含碳量较低，因此奥氏体中的C原子将从渗碳体的尖角处向平面处扩散。扩散的结果，破坏了相平衡。为了恢复平衡，尖角处将溶解而使曲率半径增大，平面处将长大而使曲率半径减小，一直逐渐成为颗粒状。从而得到在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体组织。然后自加热温度缓冷至以下时，奥氏体转变为珠光体。转变时，领先相渗碳体不仅可以在奥氏体晶界上成核，而且也可以从已存在的颗粒状渗碳体上长出，最后得到渗碳体呈颗粒状分布的粒状珠光体。这种处理称为“球化退火”。2.马氏体：马氏体相变的主要特点：○1.切变共格和表面浮凸现象：奥氏体向马氏体晶体结构的转变是靠切变进行的，由于切变使相界面始终保持共格关系，因此称为切变共格。由于切变导致在抛光试样表面在马氏体相变之后产生凸起，即表面浮凸现象。○2.马氏体转变的无扩散性：原子不发生扩散，但发生集体运动，原子间相对运动距离不超过一个原子间距，原子相邻关系不变。转变过程不发生成分变化，但却发生了晶体结构的变化。转变温度很低，但转变速度极快。○3.具有一定的位向关系和惯习面：位向关系：K-S关系：{111}γ//{011}α’，101γ//111α’，可有24种取向西山关系：{111}γ//{011}α’，211γ//110α’，可有12种取向惯习面：随碳含量提高和转变温度降低:(111)γ,(225)γ,(259)γ○4.马氏体转变是在一个温度范围内完成的：马氏体转变是奥氏体冷却的某一温度时才开始的，这一温度称为马氏体转变开始温度，简称Ms点。马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下才能使转变继续进行，如冷却中断，则转变立即停止。当冷却到某一温度时，马氏体转变基本完成，转变不再进行，这一温度称为马氏体转变结束温度，简称Mf点。从以上分析可以看出，马氏体转变需要在一个温度范围内连续冷却才能完成。如果Mf点低于室温，则冷却到室温时，将仍保留一定数量的未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。○5.马氏体转变的可逆性：在某些合金中，奥氏体冷却转变为马氏体后，重新加热时，已经形成的马氏体又可以通过逆向马氏体转变机构转变为奥氏体。这就是马氏体转变的可逆性。将马氏体直接向奥氏体转变的称为逆转变。逆转变开始温度为As点，终了温度为Af点。Fe-C合金很难发生马氏体逆转变，因为马氏体加热尚未达到As点时，马氏体就发生了分解，析出碳化物，因此得不到马氏体逆转变。3.贝氏体：贝氏体转变的基本特征：○1.贝氏体转变需要一定的孕育期，可以等温形成，也可以连续冷却转变。○2.贝氏体转变是形核长大过程；铁素体按共格切变方式长大，产生表面浮凸；碳原子可以扩散，铁素体长大速度受碳扩散控制，速度较慢。○3.贝氏体转变有上限温度（Bs）和下限温度（Bf）。○4.较高温度形成的贝氏体中碳化物分布在铁素体条之间，较低温度形成的贝氏体中碳化物主要分布在铁素体条内部；随形成温度下降，贝氏体中铁素体的碳含量升高。○5.上贝氏体转变速度取决于碳在奥氏体中的扩散速度；下贝氏体转变速度取决于碳在铁素体中的扩散速度。○6.上贝氏体中铁素体的惯习面是(111)γ；下贝氏体铁素体的惯习面是(225)γ；贝氏体中铁素体与奥氏体之间存在K-S位向关系。三．转变热力学：1.珠光体：珠光体转变的动力是体系自由能的下降，其大小取决于转变温度。过冷度越大，转变驱动力越大。珠光体转变温度较高，铁和原子扩散能力较强，都能扩散较大的距离，珠光体又是在位错等微观缺陷较多的晶界形成，相变需要的自由能较小，所以，在较小的过冷度时就可以发生珠光体转变。2.马氏体：相变驱动力：过冷奥氏体转变为马氏体有两个必要条件：一是必须快冷，避免珠光体转变发生；二是必须深冷，到马氏体开始转变温度以下，马氏体转变才能发生。马氏体转变的驱动力是在转变温度下奥氏体与马氏体的自由能差，而转变阻力是界面能和界面弹性应变能。马氏体相变新相与母相完全共格，同时体积效应很大，因此界面弹性应变能很大。为了克服这一相变阻力，驱动力必须足够大。因此马氏体相变必须有很大的过冷度。3.贝氏体：贝氏体转变是一个有碳原子扩散的共格切变过程，兼具珠光体和马氏体转变特征。和其它相变一样，贝氏体转变的热力学条件也是驱动力和阻力分析。贝氏体转变的驱动力是体系的自由能差，阻力包括界面能和界面弹性应变能。贝氏体转变需要共格切变，因此弹性应变能阻力非常大，按照马氏体转变热力学分析，只有在Ms点以下相变驱动力才能克服阻力发生相变。一方面，在贝氏体相变时，碳在奥氏体中发生预先扩散，重新分布。由于碳的扩散，降低了形成贝氏体中铁素体的碳含量，使铁素体的自由能降低，增大了新旧两相的自由能差，提高了相变驱动力。另一方面，碳原子从奥氏体中析出，使奥氏体中出现贫碳区，降低了切变阻力，使切变可以在较高温度发生。贝氏体转变也有温度区间，上限温度为Bs，下限温度为Bf，两个温度都随碳含量的提高而降低。四．转变动力学：1.珠光体：○1.珠光体转变有孕育期。随转变温度降低，孕育期减小，某一温度孕育期最短，温度再降低，孕育期又增加。随转变时间增加，转变速度提高，当转变量超过50%时，转变速度又逐渐降低，直至转变完成。○2.温度一定时，转变速度随时间的延长有一极大值○3.随转变温度的降低，珠光体转变的孕育期有一极小值，在此温度下转变最快○4.珠光体转变中合金元素的影响很显著a．对A1点和共析碳浓度的影响除镍和锰以外的合金元素可以提高A1温度。当珠光体转变温度一定时，相当于提高了过冷度，降低了珠光体片层间距。所有合金元素都使钢的共析碳浓度降低。b．对珠光体转变动力学的影响奥氏体中的合金元素使珠光体转变的孕育期增大，转变速度降低。只有合金元素在奥氏体化过程中溶入奥氏体，才能起到提高过冷奥氏体稳定性的作用。C．对珠光体转变过程的影响合金元素在奥氏体中扩散速度很慢，降低珠光体的转变速度。合金元素降低了铁原子的结构转变速度，从而降低珠光体转变速度。合金元素降低碳在奥氏体中的扩散速度，从而降低珠光体转变速度。2.马氏体：马氏体转变主要有四种方式：降温转变，爆发式转变，等温转变，表面转变○1.碳钢和低合金钢中的马氏体降温转变：马氏体转变必须在连续不断的降温过程中才能进行，瞬间形核，瞬间长大。形核后以极大的速度长大到极限尺寸，相变时马氏体量的增加是由于降温过程中新马氏体片的形成，而不是已有马氏体的长大。马氏体转变量是温度的函数，取决于冷却达到的温度，与在某一温度停留时间无关。马氏体转变导致体积膨胀，使剩余的奥氏体受到压应力，发生塑性变形，产生强化，继续转变为马氏体的阻力增大。因此在某一温度马氏体转变结束后，要继续转变，必须继续降温，提供更大的相变驱动力。这就是马氏体转变一般为降温转变的原因。○2.Fe-Ni合金中的爆发式转变：Ms点低于0℃的Fe-Ni合金冷却到0℃以下的某一温