贝氏体_

  温度之间的温区时，将发生由切变相变与短程扩散相配合的转变，其转变产物叫贝氏体或贝茵体。它因Edgar C.Bain于1934年在钢中发现这种组织而得名.。在许多有色合金中也观察到类似的转变产物，亦称为贝氏体。钢中的贝氏体是铁素体和碳化物的混合组织。

  随着时代的进步，当前社会对交通运输、机械制造等行业提出了更高的要求，因此，对于金属材料来讲，也迎来了新的挑战。在保证成本不显著增加的情况下，不仅要求其具备较高的强度和硬度，还需要拥有良好的综合力学性能才能适应时代的发展。传统的材料已经没办法满足时代进步所提出的更加高的要求，新型的材料及工艺亟待研发。

  国内外工程上所使用的结构件大多由金属材料制造成，结构件尺寸普遍较大且形状复杂。对于传统的淬火马氏体组织，在热处理过程中，如果冷速过快，会造成开裂，冷速过慢又会使得心部出现较多层片状珠光体组织，影响结构件的力学性能。唯有通过添加较多的昂贵的合金元素来提高

  近年来，国内外大量的科学家对纳米材料的制备工艺进行了研究，制作纳米材料的技术也慢慢的提升。利用大塑性变形等多种方法已可得到纳米级的金属材料组织。但是大多工艺复杂，难以进行规模生产。

  自20世纪30年代Bain和Davenprot通过中温等温转变获得贝氏体以来，贝氏体

  理论不断的发展，多种形貌的贝氏体组织被科学家们所发现，并且设计出不同成分的钢种和生产的基本工艺，形成了多种系列的

  ，推动了贝氏体钢在实际生产中的应用。Bhadeshia等使用一种高碳高硅钢，将其置于MS点温度附近进行长时间的等温转变，获得了组织极其细小的纳米级贝氏体组织，其贝氏体

  过程中，钢的过冷奥氏体在中温(珠光体转变和马氏体转变的温度范围之间)发生的转变。钢铁热处理理论的奠基者美国人贝茵(E C Bain)在1930年首先发表了这种转变产物的光学金相照片，后来人们把这种转变产物命名为贝氏体。到1939年，美国人梅尔l)把在这个温度范围上部的转变产物称为“上贝氏体”);在这个温度范围下部的转变产物称为“下贝氏体”。

  关于贝氏体的定义和转变机制，是固态转变理论发展中最有争议的领域之一。它形成了两个对立的学派，即以柯俊为代表的切变学派和以美国人阿洛申(H.I.Aaronson)为代表的扩散学派，以及介于两个学派之间的一种所谓转变机制转化连续性和阶段性理论。

  任教的中国学者柯俊及其合作者英国人科垂耳首次研究了钢中贝氏体转变的本质。他们用光学金相法在预先抛光的样品表面发现，在贝氏体转变时有类似于马氏体转变的表面浮凸效应。在当时，转变过程的表面浮凸效应被公认是

  切变机制的有力证据。以此实验现象为依据，认为贝氏体转变是受碳扩散控制的马氏体型转变。铁和置换式溶质原子是无扩散的切变，间隙式溶质原子(如碳)则是有扩散的。这种观点后来为许多学者所继承和发展，人们统称为“切变学派”。它在20世纪50～60年代，是贝氏体转变的主导理论。

  到20世纪60年代末，切变理论受到了美国以研究扩散型相变著称的阿洛申(H.I.Aaronson)及其合作者的挑战。他们从合金热力学的研究结果认为，在贝氏体转变温度区间，相变驱动力不能够满足切变机制的能量条件，因而从热力学上否定了贝氏体转变的切变理论。他们都以为贝氏体转变属于共析转变类型，以扩散台阶机制长大，属于扩散型转变。这种观点为中国著名金属学家徐祖耀等继承和发展，人们统称为“扩散学派”。

  在两大学派之间，还有一些中间性理论。例如，认为贝氏体转变是介于共析分解和马氏体转变之间的中间过渡性转变，上贝氏体的形成机制接近于共析分解，而下贝氏体则与马氏体转变相近。

  中低碳结构钢适当合金化后可显著延迟珠光体转 变，突出贝氏体转变，使钢在奥氏体化后在较大的连续 冷却冷速范围内部能够获得以贝氏体为主的组织，称 为

  。贝氏体钢可以用较低的冷速得到较高的 综合性能，从而简化热处理工艺，减少变形。

  转 变)，最有效的合金元素是B、Mo、Mn、W和Cr。其中 特别是B和Mo在延迟珠光体转变的同时对贝氏体转 变却影响不大。所以

  点愈低，其抗拉强度愈高。合金元素按碳、 锰、钼、铬、镍的次序依次减弱对B

  降低值之比来衡量合金元素对贝 氏体钢的贡献。按此排列则依次为：C、Cr、Mo、Mn、 Ni。

  的最终热处理状态通常是炉冷、空冷或 模冷。其组织以下贝氏体为主。但随冷却的不同也可能 出现板条马氏体和无碳贝氏体。

  下贝氏体和板条马氏体均为板条状，在很多情况 下是相间排列的，在光镜下很难区分。其特征如下：

  M-A组织是在贝氏体、马氏体基底上分布的颗粒 组织。这是由于碳浓度偏析在冷却转变中形成的富碳 奥氏体区，在随后的冷却中部分转变为马氏体，部分保 持奥氏体状态而构成。M-A组织通常在光镜中可以辨 认，呈不规则颗粒，分布在贝氏体铁素体内或晶界上。 随转变温度的降低，颗粒变细变小。马氏体中也可以出 现M-A组织，但只能由电镜加以辨别。而在 55SiMnMo钢的无碳贝氏体上M-A已演变成块状组 织。M-A组织硬度、强度均高于基底。但少量小颗粒的 M-A组织对常规性能没有明显影响。

  55SiMnMo正火态 的主要组织。铁素体和富碳奥氏体组成条片相间的贝 氏体组织，在相内和相间均无碳化物析出。经测定此种 无碳贝氏体中含奥氏体约30%(体积分数)。奥氏体的 含碳量可达w

  2g，冰醋酸2mL，水50mL。先 用硝酸酒精(3+97)侵蚀，使组织清晰，再浸入染色剂 中1～2min。冲洗，烘干时要避免碰擦。这时奥氏体保持明亮、块状，为天蓝色，铁素体呈棕色。

  1) 按贝氏体形成所处的温度分类，分为上贝氏体和下贝氏体。在贝氏体C-曲线的上部温度区(Bs点到鼻温附近) 形成上贝氏体，在贝氏体“鼻温”以下至Ms点附近的较低温度区形成下贝氏体。

  以38Cr Mo钢的TTT图为例所标明的那样，该钢贝氏体的鼻温约400 ℃，Bs点约为500 ℃，马氏体点Ms为320 ℃。

  和有碳化物贝氏体，这是贝氏体组织的两种基本类型。无碳化物贝氏体中包括准上贝氏体、准下贝氏体、

  等; 有碳化物贝氏体是在贝氏体铁素体基体上分布着颗粒状的或短片状渗碳体或ε碳化物，称为“有碳化物贝氏体”，虽然人们尚不习惯这个名称，但是“有碳化物贝氏体”是客观存在，相当于无碳贝氏体，必定是一大类别。

  、粒状贝氏体、柱状贝氏体、条片状贝氏体、针状贝氏体、片状贝氏体、竹叶状贝氏体、正三角型贝氏体、“N”形贝氏体、蝴蝶形贝氏体等，名称很多，形形，不必纠缠众多形貌的名称，只需从本质上认识即可。

  4) 按碳含量分类，可分为超低碳贝氏体、低碳贝氏体、中碳贝氏体、高碳贝氏体。工业上常称为

  的开发和应用进行了大量的研究，取得丰硕成果。尤其是近年来，高分辨电镜等设备的应用，对贝氏体组织和精细结构可以进行了深入细致的观察分析，促进了贝氏体相变理论的研究和创新，促进贝氏体组织的工业应用。

  上贝氏体形态的共同特点是在贝氏体铁素体板条之间有未转变的奥氏体或其转变产物。下贝氏体的未转变奥氏体或其转变产物则位于贝氏体铁素体板条之内。羽毛状上贝氏体或BⅡ型贝氏体，是最早发现的上贝氏体。在贝氏体铁素体板条之间有着不连续的渗碳体片，它是贝氏体转变完成的产物。在贝氏体转变初期，贝氏体铁素体先形成，将碳原子富集到未转变的奥氏体内，而碳化物则尚未析出，就获得

  等形态。针状下贝氏体或BⅢ型贝氏体是最早发现的下贝氏体，渗碳体片以与长轴成50°～60°角分布在板条之内，它也是贝氏体转变完成的产物。准下贝氏体是转变初期的产物。

  与粒状贝氏体相近的所谓“粒状组织”，它的铁素体基体不是贝氏体铁素体，而是块状铁素体，一般认为块状铁素体是块型转变的产物。在铁素体基体上分布的富碳奥氏体或其冷却过程中转变产物的混合组织(简称M/A岛)是无方向性分布的，也没有贝氏体转变那样的表面浮凸效应。

  的中间过渡性特征有直接的关系。钢中的贝氏体本质上是以贝氏体铁素体为基体，其上分布着θ渗碳体( 或ε碳化物) 或残留奥氏体等相构成的有机结合体。是贝氏体铁素体(BF)、碳化物、

  近年来，对于碳含量 0． 08%的超低碳钢组织研究应用较多。该钢淬火或锻轧后控制冷却可获得超低碳贝氏体组织。如将X65管线 ℃ /s冷却得到贝氏体组织中的不规则界面的块状铁素体+条片状铁素体，即为超低碳贝氏体。如果加大冷却速度则能够得到完全细小条片状贝氏体组织。

  上贝氏体是在贝氏体转变温度区的上部(Bs～鼻温) 形成的，形貌各异，有

  无碳贝氏体，这种贝氏体在低碳低合金钢中出现几率较多。当上贝氏体组织中只有贝氏体铁素体和残留奥氏体而不存在碳化物时，称其为

  无碳贝氏体中的铁素体片条大多平行排列，其尺寸及间距较宽，片条间是富碳奥氏体，或其冷却过程的产物。将35Cr Mo钢经过950 ℃奥氏体化后，于530 ℃等温10 min，得到无碳贝 氏体，由贝氏体铁素体(BF) 片条+残留奥氏体(γ) 组成。

  贝氏体铁素体(α) 的形状不规则，并非全部为片条状，而是有的呈块状，有的BF与γ的界面呈锯齿状。铁素体片条之间为富碳γ相，由于碳含量增高，又含有Cr、Mo合金元素，再加之转变为α相后，比容增大，γ相受挤压，因而富碳γ趋于稳定，故不能再发生转变而残留下来。

  在硅钢和铝钢中，由于Si、Al不溶于渗碳体中，Si、Al原子不扩散离去则难以形成渗碳体。因此，在这类钢的上贝氏体转变中，不析出渗碳体，常常在室温时还保留残余奥氏体，形成无碳贝氏体。

  在低碳合金钢中，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，碳原子不断向奥氏体中扩散富集。由于相变体积膨胀，贝氏体铁素体间的富碳奥氏体受胁迫，而趋于稳定，最后保留下来，形成了无碳化物贝氏体。

  ，当过冷奥氏体在上贝氏体温度区等温时，析出贝氏体铁素体(BF) 后，由于碳原子离开铁素体扩散到奥氏体中，使奥氏体中不均匀地富碳，且稳定性增加，难以再继续转变为贝氏体铁素体。这些奥氏体区域一般呈粒状或长条状，即所谓岛状，分布在贝氏体铁素体基体上。这种富碳的奥氏体在冷却过程中，可以部分地转变为马氏体，形成所谓(M/A) 岛。这种由BF +(M/A) 岛构成的整合组织称为粒状贝氏体。

  中存在渗碳体，属于有碳化物贝氏体一类是经典的贝氏体组织，近年来有了新的观察。羽毛状上贝氏体是由条片状贝氏体铁素体和条间分布的渗碳体组成。经典上贝氏体的组织形貌呈现羽毛状，是BF + θ-M3C的整合组织。将GCr15钢奥氏体化后，于450 ℃等温40 s，然后水冷淬火，得到贝氏体+马氏体的整合组织。

  羽毛状贝氏体随着转变温度的降低和钢中含碳量的增高，片条状铁素体(BF) 变薄，位错密度增高，渗碳体片变细，或颗粒变小，弥散度增加。

  下贝氏体组织中也有无碳贝氏体和有碳贝氏体。在高碳钢和高合金铬钼钢中易获得有碳化物贝氏体组织，在含有Si元素较多的钢中，其下贝氏体为无碳贝氏体。下贝氏体是在

  温度区的下部( 贝氏体C曲线“鼻温”以下) 形成的。呈条片状，或竹叶状，片间互相呈交角相遇。

  高碳高硅钢在较低温度下，分别进行不同时间下的等温淬火处理，在不经大塑性变形、机械加工等复杂工艺下获得了纳米级的贝氏体。该钢在125℃下保温25d只有极少量的贝氏体产生，温度达到150℃时，保温30d也只有10%的贝氏体产生；温度超过150℃时，转变速度开始加快；当温度达到190℃，保温时间分别为9d时，贝氏体的转变量达到90%。

  热处理工艺为等温淬火，等温温度分别为200、250、300 ℃，等温淬火时间为一直到贝氏体转化停止的时间。三种不一样的温度下贝氏体铁素体的含量、贝氏体铁素体中碳的含量、组织厚度、位错密度等不同，通过对比指出，在这种低温转变过程中有两个特点：

  ①由于奥氏体在较低温度时强度逐渐增加和转变过程中自由能的变化使得生成的贝氏体铁素体板条只有30～65nm厚；②贝氏体铁素体中有多达0.3%的碳含量。随温度的不同，应力强度、抗拉强度、断裂韧性以及伸长率发生明显的变化。试验过程中塑性变形均匀的分布在拉伸试样的标尺上，并没有颈缩现象的出现。综合可知，这种贝氏体组织有很好的性能，应力强度高于1.2GPa，抗拉强度为1.77～2.2GPa，随着强度的增加，断裂韧性和伸长率有所下降。

  该组织具有好的力学性能的原因，包括两点：①贝氏体铁素体板条的厚度达到纳米级，这种细小的组织极大的提升了试样的强度；②在

  由于转变过程中C原子的移动，在贝氏体铁素错的位置上C原子堆积，影响了组织的位错密度，而位错密度就是该组织性能增强的另外一种机制。并且位错线、Fe晶格强度和溶质原子对位错运动的阻碍也会促进组织性能的增强。

  由于低温贝氏体简单的工艺、优良的综合力学性能，受到了国内外慢慢的变多科研工作者的关注，并且在Bhadeshia等人的基础做出了更深入的研究。Amel-Farzad等 人设 计出一种碳含量为1.15%(质量分数)，不含Mn的高碳钢，并且在200～350 ℃等温淬火之后得到了 纳 米贝氏体组织，硬 度 达 到700HV。然而由于高碳钢较差的焊接性能，大大的限制其作为结构材料的使用。

  后来Zhang等人在一种含铝和硅的低碳齿轮钢的表面制备出低温贝氏体组织，并且也发现Al的加入大幅度缩减了贝氏体转变时间。还发现含铝

  薄膜，同时，变形和断裂过程中易产生二次裂纹，因而阻碍氢的聚集，降低了这类高强度贝氏体钢的氢脆敏感性。还对这种低温贝氏体组织进行了

  ，认为由于超细的组织和富碳的残余奥氏体使得低温贝氏体的耐磨性优于淬火马氏体，并且在磨损机理上，淬火马氏体组织表现出了不同。

  随后设计出碳含量为0.5%(质量分数)左右的中碳钢，通过实验发现，对其过冷奥氏体300～600℃以0.01 ～1s-1的 应 变 速 率 压 缩30%后，并在235 ～250 ℃等 温淬火之后得到了纳米级的贝氏体组织，硬度达到650HV。

  在此基础上又设计出碳含量仅为0.3%（质量分数）的30Mn Si Cr Al Ni Mo低碳钢，通过对其热处理工艺的研究发现，在温度区间MS+10℃～MS-20℃以0.5 ℃/min连续冷却转变可得到低温贝氏体，通过对比，在此工艺下得到的低温贝氏体组织具有最好的综合力学性能，且比等温转变工艺得到的低温贝氏体组织综合性能提高14%到49%。

  是一个动态的过程，贝氏体铁素体板条中的碳在相变过程中会不断的向周围的奥氏体扩散，使得过冷奥氏体C浓度持续不断的增加，而碳含量的增加使得过冷奥氏体的MS温度不断降低，使得在此过程中得到了大量在MS温度以下转变而成的低温贝氏体组织。连续冷却的贝氏体转变温度不高于任何等温淬火的保温温度，因此连续冷却可使得低温贝氏体的综合力学性能达到最佳。

  低温贝氏体属于新型钢铁材料，由于低温贝氏体组织具有处理工艺简单、成本低廉、性能优良等特点，吸引了众多的科研工作者及生产企业。

  对于低温贝氏体组织的相变特点，工艺特点及基本性能研究相对较多。应当加强以下研究工作：

  ①社会的加快速度进行发展对结构材料提出更高的要求，机械构件在使用的过程中会承受更高的工作应力，所以对结构材料的疲劳性能要求逐步的提升。低温贝氏体具备了优良的常规力学性能，但是如果要达到工程应用的标准，还需要具备优良的疲劳性能，对于这种组织的疲劳性能研究不够深入，应当同时对其应力及应变控制疲劳进行更为系统的研究。并通过和淬火马氏体的疲劳性能对比，分析其疲劳断裂机理。

  ，会导致表面呈现出脆性，影响正常使用寿命，因此需要对低温贝氏体组织残余奥氏体稳定性进行研究，在应变作用下，通过与淬火马氏体对比，探究该组织的稳定性情况及怎么样提高其残余奥氏体稳定性。通过这一些方面的研究工作来一直在优化合金成分及热处理工艺，以此来实现低温贝氏体的工程应用。