貝氏體的機械性能知識

第一部分

影響貝氏體機械性能的主要因素

01貝氏體中鐵素體的影響

貝氏體的強度與貝氏體中鐵素體的晶粒大小符合Hall-Petch公式，即貝氏體中鐵素體晶粒（或亞晶粒）愈細小，貝氏體的強度就愈高，而且韌性有時還有所提高。

貝氏體中鐵素體的晶粒大小主要取決于奧氏體晶粒大小（影響鐵素體條的長度）和形成溫度（影響鐵素體條的厚度），但以后者為主。貝氏體形成溫度愈低，貝氏體鐵素體晶粒的整體尺寸就愈小，貝氏體的強度和硬度就愈高。

貝氏體鐵素體往往較平衡狀態鐵素體的碳含量稍高，但一般小于0.25%。貝氏體鐵素體的過飽和度主要受形成溫度的影響，形成溫度越低，碳的過飽和度就越大，其強度和硬度增高，但韌性和塑性降低較少。

貝氏體鐵素體的亞結構主要是纏結位錯。隨相變溫度降低，位錯密度增大，強度和韌性提高。隨貝氏體鐵素體的亞結構尺寸減小，強度和韌性也增高。

02貝氏體中滲碳體的影響

根據彌散強化機理，碳化物顆粒尺寸愈細小，數量愈多，對強度的貢獻就愈大。

在滲碳體尺寸相同情況下，貝氏體中滲碳體數量愈多，則硬度和強度就愈高，韌性和塑性就愈低。

滲碳體的數量主要取決于鋼中的碳含量。貝氏體中滲碳體可以是片狀、粒狀、斷續桿狀或層狀。一般來說，滲碳體為粒狀時貝氏體的韌性較高，為細小片狀時其強度較高，為斷續桿狀或層狀時其脆性較大。

當鋼的成分一定時，隨相變溫度降低，滲碳體的尺寸減小，數量增多，滲碳體形態也由斷續桿狀或層狀向細片狀變化，硬度和強度增高，但韌性和塑性降低較少。隨等溫時間延長或進行較高溫度的回火，滲碳體將向粒狀轉化。

通常，滲碳體等向均勻彌散分布時，強度較高，韌性較好。若滲碳體定向不均勻分布，則強度較低，且脆性較大。在上貝氏體中滲碳體易定向不均勻分布，且顆粒較粗大，而在下貝氏體中滲碳體分布較為均勻，且顆粒較細小，所以上貝氏體的強度和韌性要比下貝氏體低很多。

03其他因素的影響

由于奧氏體化溫度不同，引起奧氏體的化學成分及其晶粒度發生變化，也會影響貝氏體的性能。

另外，由于貝氏體相變的特性，導致貝氏體鐵素體條件出現殘余奧氏體、珠光體以及馬氏體（回火馬氏體）等非貝氏體組織，也會影響貝氏體的性能。

第二部分

貝氏體的強度和硬度

根據上述分析可以得出，貝氏體的強度和硬度隨相變溫度降低而升高。貝氏體的屈服強度可用下述經驗公式表示：

式1：d（mm）為貝氏體中鐵素體晶粒尺寸；n為每平方毫米截面中碳化物顆粒數。

式1僅適用于細小彌散碳化物的分布狀態，只有在碳化物間距小于貝氏體中條狀鐵素體厚度尺寸時，碳化物彌散度才成為有效的強化因素。

所以，低碳上貝氏體的強度實際上由貝氏體鐵素體的晶粒尺寸所控制。只有在下貝氏體或高碳上貝氏體中，碳化物的彌散強化才有比較明顯的貢獻。

另外，由于中、高碳鋼特別是高碳鋼的下貝氏體組織具有高的強度和韌性，因此可望具有高的耐磨性。試驗表明，鋼中的下貝氏體是最耐磨的組織形態之一。

第三部分

貝氏體的韌性

韌性是高強度材料的一項重要的性能指標。在低碳鋼中，上貝氏體的沖擊性比下貝氏體要低，并且貝氏體組織從上貝氏體過渡到下貝氏體時脆性轉折溫度突然下降，其原因可能是：

1在上貝氏體中存在粗大碳化物顆粒或斷續條狀碳化物，也可能存在高碳馬氏體（由未轉變奧氏體在冷卻過程中形成），所以容易形成大于臨界尺寸的裂紋，并且裂紋一旦擴展，便不能由貝氏體中鐵素體之間的小角晶界來阻止，而只能由大角貝氏體“束"界或原始奧氏體晶界來阻止。因此上貝氏體組織中裂紋擴散迅速。

2許多中碳合金鋼經等溫處理獲得上貝氏體組織時，其沖擊韌性急劇降低，這種現象稱為“貝氏體脆性"。

其產生原因是由于上貝氏體中鐵素體條之間的碳化物分布不均勻。此外，在出現貝氏體脆性的相變溫度范圍內鋼的宏觀硬度增高，表明這種脆性也與過冷奧氏體在該溫度范圍內轉變不全，在隨后冷卻過程中部分轉變為馬氏體有關。

3在下貝氏體組織中，較小的碳化物顆粒不易形成裂紋，即使形成裂紋也難以達到臨界尺寸，并其即使形成解理裂紋，其擴展也將受到大量彌散碳化物顆粒和位錯的阻止。

因此，裂紋形成后也不易擴展，常常被抑制而必須形成性新的裂紋，因而脆性轉折溫度降低。所以，下貝氏體組織盡管強度較高，但其沖擊韌性要比強度稍低的上貝氏體組織要高得多。

對于具有回火脆性的鋼，等溫淬火獲得貝氏體與淬后回火處理獲得馬氏體相比，如果在回火脆性溫度范圍內回火，當溫度或強度相同時，貝氏體組織的沖擊韌性高于回火馬氏體；①當等溫淬火溫度較低，獲得下貝氏體組織時，可保持較高的沖擊韌性，優于淬火回火處理；②當等溫淬火溫度較高，獲得上貝氏體組織時，不僅強度降低而且沖擊韌性也明顯下降，甚至低于淬火回火處理。因此，等溫淬火處理只有獲得下貝氏體加殘余奧氏體組織時，鋼件才能具有較高的沖擊韌性和較低的脆性轉折溫度。

若鋼的碳含量或合金元素含量較高，Ms點較低，淬火后獲得孿晶馬氏體時，與淬后低溫回火處理相比，等溫淬火獲得的下貝氏體組織常常具有較高的沖擊韌性。