贝氏体是由铁素体与碳化物两相组成的机械混合物。其形态除主要取决于形成温度,还与奥氏体的含碳量及合金元素的含量有关。贝氏体虽然都是由铁素体和渗碳体组成的,但由于铁素体和渗碳体的分布及形态不同,贝氏体大致可以分为上贝氏体、下贝氏体、无碳化物贝氏体、粒状贝氏体,低碳钢和低碳合金钢中的BⅢ、BⅠ和BⅡ相当于无碳化合物贝氏体和上贝氏体以及其他类型的贝氏体。其贝氏体形成范围见图1。
1.上贝氏体
上贝氏体一般在较高温度(600~350℃之间)下形成,又称高温贝氏体。上贝氏体由铁素体和碳化物组成,其组织形态在光学显微镜下观察时成羽毛状或针状,少数呈椭圆状或矩形,在电子显微镜下观察时是自奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部平行生长的铁素体板条束,束间分布着断续的短杆状的渗碳体(有时还有残留奥氏体),上贝氏体的铁素体中有位错缠结存在。碳化物之间的距离决定于铁素体板条的宽度。它通常比在同一温度下形成的片层状珠光体的片间距要大些。随着形成温度的降低以及碳含量的增加,铁素体板条宽度要减小,渗碳体的尺寸要减小,数量则增多,其分布将由铁素体板条之间转为分布于铁素体板条内部,同时贝氏体的形态由羽毛状而变得很不规则,上贝氏体的硬度为40~50HRC。在含Si、Al等元素含量较高的钢中,由于这些元素有延缓渗碳体沉淀作用,使这些钢在发生贝氏体转变是在铁素体板条之间沉淀不出碳化物,得到类似无碳化物贝氏体。
2.下贝氏体
下贝氏体一般在较低温度(350℃到Ms或Ms以下)形成,又称低温
贝氏体。下贝氏体由铁素体和碳化物组成,其组织形态在光学显微镜下铁素体呈针状,针与针间有一定的交角,但也有叫少数针间呈一束平行排列。在电子显微镜下观察可以见到,在铁素体片内碳化物呈细片状或颗粒状与铁素体片的长轴呈55~60°平行排列。下贝氏体的铁素体中有位错缠结存在,位错密度比上贝氏体的铁素体中高,下贝氏体的硬度为50~60HRC。
3.无碳化物贝氏体
无碳化物贝氏体是一种单相组织,由铁素体组成。又称为纯铁素体贝氏体。无碳化物贝氏体在贝氏体形成温度范围的上部形成。它是由大致平行排列的板条状铁素体单相形成,板条较宽,与上贝氏体比较其铁素体板条宽度和板条间距离较宽较大。板条之间为富碳的奥氏体转变而来的马氏体、或其他转变产物,甚至奥氏体全部残留下来。贝氏体的亚结构中有一定数量的位错,一般产生于低碳钢中。
4.粒状贝氏体
粒状贝氏体是由块状铁素体和富碳的奥氏体区所组成。某些低中碳合金钢连续冷却到贝氏体形成温度范围的高温区域,形成温度稍高于上贝氏体所形成温度,或在此温度区域内等温,往往形成粒状贝氏体,其组织形态是铁素体呈块状,在块状铁素体内包含着富碳的奥氏体小岛或富碳奥氏体的转变产物(P或M)小岛。
5.BⅠ、BⅡ、BⅢ
BⅠ、BⅡ、BⅢ出现在某些低碳低合金高强度钢。这三中贝氏体中的铁素体均呈板条状。
(a) BⅠ在500~600℃之间等温处理后形成,在BⅠ中,没有碳化物存在。
(b) BⅡ在450~500℃之间等温处理后形成,碳化物以少量分布在铁素体板条内部,而大部分以杆状的形态分布于铁素体板条之间。
(c) BⅢ在Ms~450℃之间等温处理后形成的,碳化物以粒状的形态较为均匀分布在铁素体板条的内部。在光学显微镜下观察其形态类似上贝氏体,即呈羽毛状。
6.其他类型贝氏体
(a)反常贝氏体
这种贝氏体发生于过共析钢,形成温度略高于350℃。
(b)柱状贝氏体
柱状贝氏体中的铁素体呈放射状,一般在高碳碳素钢或高碳中合金钢中,等温温度处于下贝氏体形成温度范围时出现。
几种常见的贝氏体形成机理示意图及组织特征分别见图2和表1
表1常见的钢经热处理后所得的贝氏体组织特征
材料 |
热处理工艺 |
金相组织特征 |
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20CrMo |
1100℃加热,保温0.5h,450℃保温0.5h,水冷 |
上贝氏体 |
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65Mn |
1100℃加热,保温0.5h,370℃保温50s,水冷 |
上贝氏体 |
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65Mn |
1100℃加热,保温0.5h,460℃保温10s,水冷 |
羽毛状上贝氏体+马氏体 |
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GCr15 |
1100℃加热,保温0.5h,450℃保温5min,水冷 |
棒状贝氏体+马氏体 |
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40MnB |
1100℃加热,保温0.5h,370℃保温50s,水冷 |
下贝氏体+马氏体 |
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65Mn |
1100℃加热,保温0.5h,320℃保温5min,水冷 |
下贝氏体+马氏体 |
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9Cr2Mo |
1100℃加热,保温0.5h,250℃保温20min,水冷 |
下贝氏体+马氏体 |
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T12 |
1100℃加热,保温0.5h,320℃保温13min,水冷 |
下贝氏体+马氏体 |
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20CrMo |
1100℃加热,保温0.5h,420℃保温1min,水冷 |
BⅢ |
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20CrMo |
1100℃加热,保温0.5h,560℃保温15s,水冷 |
无碳化物贝氏体 |
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20CrMo |
1100℃加热,保温0.5h,500℃保温60s,水冷 |
粒状贝氏体+上贝氏体 |
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60Si2Mn |
1100℃加热,保温0.5h,450℃保温60s,水冷 |
类似无碳化物贝氏体 |
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60Si2Mn |
1100℃加热,保温0.5h,450℃保温60s,水冷 |
类似无碳化物贝氏体 |
图3为几种常见贝氏体显微组织。