钢中贝氏体组织形态

贝氏体组织形态随钢的化学成分及形成温度不同而异，其主要形态为上贝氏体和下贝氏体两种，还有一些其他形态的贝氏体。

1.上贝氏体

在贝氏体相变区较高温度范围内形成的贝氏体称为上贝氏体。对于中、高碳钢来说，上贝氏体在350～550℃的温度区间形成。

典型的上贝氏体组织在光镜下观察时呈羽毛状、条状或针状，少数呈椭圆形或矩形，如图16-1所示。在电镜下观察时可看到上贝氏体组织为一束大致平行分布的条状铁素体和夹于条间的断续条状碳化物的混合物（见图16-2），在条状铁素体中有位错缠结存在。条状铁素体多在奥氏体的晶界形核，自晶界的一侧或两侧向奥氏体晶内长大。条状铁素体束与板条马氏体束很相近，束内相邻铁素体板条之间的位向差很小，束与束之间则有较大的位向差。条状铁素体的碳含量接近平衡浓度，而条间碳化物均为渗碳体型碳化物。

图16-1　T8钢的上贝氏体组织

图16-2　钢中典型贝氏体组织示意图

一般情况下，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，其形态也由粒状变为链珠状、短杆状，直至呈断续条状。当碳含量达到共析浓度时，渗碳体不仅分布在铁素体条之间，而且也在铁素体条内沉淀，这种组织称为共析钢上贝氏体。随着相变温度下降，上贝氏体中的铁素体条变薄，渗碳体细化且弥散度增大。

上贝氏体中的铁素体形成时可在抛光试样表面形成浮突。上贝氏体中铁素体的惯习面为{111}γ，与奥氏体之间的位向关系为K-S关系。碳化物的惯习面为{227}γ，与奥氏体之间也存在一定的位向关系。因此，一般认为碳化物是从奥氏体中直接析出的。

值得指出的是，在含有Si或Al的钢中，由于Si和Al具有延缓渗碳体沉淀的作用，使铁素体条之间的奥氏体为碳所富集而趋于稳定，因此很少沉淀或基本上不沉淀出渗碳体，形成在条状铁素体之间夹有残余奥氏体的上贝氏体组织。

2.下贝氏体

在贝氏体相变区较低温度范围内形成的贝氏体称为下贝氏体。对于中、高碳钢，下贝氏体在350℃～Ms之间形成。碳含量很低时，其形成温度可能高于350℃。

典型的下贝氏体组织在光镜下呈暗黑色针状或片状，而且各个片之间都有一定的交角，如图16-3所示。其立体形态为透镜状，与试样磨面相交而呈片状或针状。下贝氏体既可以在奥氏体晶界上形核，也可以在奥氏体晶粒内部形核。在电镜下观察可以看出，在下贝氏体铁素体片中分布着排列成行的细片状或粒状碳化物，并以55°～60°的角度与铁素体针长轴相交，如图16-4所示。通常，下贝氏体的碳化物仅分布在铁素体片的内部。

图16-3　GCr15钢的下贝氏体组织(www.xing528.com)

图16-4　钢中典型下贝氏体组织示意图

下贝氏体形成时也会在光滑试样表面产生浮突，但其形状与上贝氏体组织不同。上贝氏体的表面浮突大致平行，从奥氏体晶界的一侧或两侧向晶粒内部伸展；而下贝氏体的表面浮突往往相交呈“∧”形，而且还有一些较小的浮突在先形成的较大浮突的两侧形成。

下贝氏体中铁素体的碳含量远远高于平衡碳含量。下贝氏体铁素体的亚结构与板条马氏体和上贝氏体铁素体相似，也是缠结位错，但位错密度往往高于上贝氏体铁素体，而且未发现有孪晶亚结构存在。

下贝氏体中铁素体与奥氏体之间的位向关系为K-S关系。下贝氏体中铁素体的惯习面比较复杂，有人测得为{111}γ，也有人测得为{254}γ及{569}γ。

下贝氏体中的碳化物也可以是渗碳体。但当温度较低时，初期形成ε-碳化物，随着时间延长，ε-碳化物转变为θ-碳化物。由于下贝氏体中铁素体与θ-碳化物及ε-碳化物之间均存在一定的位向关系，因此一般认为碳化物是从过饱和的铁素体中析出的。

3.粒状贝氏体

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可形成粒状贝氏体，如在正火、热轧空冷或焊缝热影响区组织中都可以发现这种组织。

粒状贝氏体在刚刚形成时，是由块状铁素体和粒状（岛状）富碳奥氏体所组成的。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。在光镜下较难识别粒状贝氏体的组织形貌，在电镜下则可看出粒状（岛状）物大多分布在铁素体之中，常常具有一定的方向性。这种组织的基体是由条状铁素体合并而成的，铁素体的碳含量很低，接近平衡浓度，而富碳奥氏体区的碳含量则很高。铁素体与富碳奥氏体区的合金元素含量与钢的平均含量相同，这表明在粒状贝氏体形成过程中有碳的扩散而无合金元素的扩散。

富碳奥氏体区在随后冷却过程中可能发生以下3种情况：部分或全部分解为铁素体和碳化物的混合物；部分转变为马氏体，这种马氏体的碳含量甚高，常常是孪晶马氏体，故岛状物是由γ+α'所组成；或者全部保留下来，成为残余奥氏体。

4.无碳化物贝氏体

无碳化物贝氏体一般形成于低碳钢中，是在贝氏体相变区最高温度范围内形成的。无碳化物贝氏体由大致平行的单相条状铁素体所组成，所以也称为铁素体贝氏体或无碳贝氏体。条状铁素体之间有一定的距离，条间一般为由富碳奥氏体转变而成的马氏体，有时是富碳奥氏体的分解产物或者全部是未转变的残余奥氏体。可见，钢中通常不能形成单一的无碳化物贝氏体组织，而是形成与其他组织共存的混合组织。

无碳化物贝氏体形成时也会出现表面浮突，其铁素体中也有一定数量的位错。无碳化物贝氏体与奥氏体之间的位向关系为K-S关系，惯习面为{111}γ。

5.低碳低合金钢中的BⅠ、BⅡ、BⅢ

在某些低碳低合金高强度钢中的贝氏体可明显地分为3类：BⅠ、BⅡ和BⅢ，它们的铁素体均为条状，但碳化物的形态和分布不同，如图16-5所示。BⅠ在600～500℃等温形成，没有碳化物存在，相当于无碳化物贝氏体；BⅡ在500～450℃等温形成，碳化物主要以杆状或断续条状分布在条状铁素体之间，相当于上贝氏体；BⅢ在450℃～Ms点等温形成，碳化物呈粒状均匀分布于整个条状铁素体组织内部，类似于下贝氏体。在连续冷却时，也可形成这3类贝氏体。冷却速度较慢时，形成BⅠ；冷却速度居中时，形成BⅡ；冷却速度较快时，形成BⅢ。BⅢ组织具有较好的综合力学性能，特别是钢中获得BⅢ加板条马氏体组织时，强度和韧性都高，是一种有工程应用价值的组织形态。