钛合金中的马氏体相变

1、钛合金中的马氏体相变,杨金文 2012730047,一、马氏体 - 马氏体概念 马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。 最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，片状马氏体在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状、竹叶状的原因，板条状马氏体在金相观察中为细长的条状或板状。奥氏体中含碳量1%的钢淬火后，马氏体形态

2、为片状马氏体，当奥氏体中含碳量0.2%的钢淬火后，马氏体形状基本为板条马氏体。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一，同时马氏体的脆性也比较高。,二、其他金属中的马氏体相变 20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，如：Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。,

3、三、钛合金中的马氏体相变 3.1 钛的同素异构转变 钛具有同素异构转变，在882.5以下为具有密排六方晶体结构的- Ti，其晶格常熟c、a分别为0.46849nm和0.29511nm。在882.5以上具有提心立方晶体结构的-Ti，其晶格常数a为0.33065nm。 - Ti -Ti的转变温度称为相变点，高纯钛的相变点是 882.5 ，单对成分十分敏感，该温度是制订钛合金热加工工艺规范的一个重要参数,3.2 钛合金马氏体相变的原理 高纯钛在缓冷退火后，获得多面的组织，如果自高温快速冷却，将发生马氏体转变，晶界变得不完整且呈锯齿状。钛合金自高温快速冷却时，视合金成分的不同， 相可转变为马氏体（或者

4、“）、相或者过冷相，在快速冷却过程中，由于从相转变为相的过程来不及进行， 相将转变为成分与母相相同、晶体结构不同的过饱和固溶体，即马氏体。,在钛合金中经常加入的合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、Si 等,其中Al、Sn、Zr 加入后将扩大相区, 使相变点升高, 称为稳定元素。其它元素加入后将缩小相区( 扩大相区) , 使相变点降低, 称为稳定元素。,在发生马氏体相变时，不发生原子扩散，仅发生相原子集体的、有规律的近程迁移，迁移距离较大时形成，迁移距离较小时形成“。 、 和 “之间的晶体结构如下图所示： 图1 面心立方的相( a) 、密排六方的 ( 或“) ( b)

5、及斜方的“( c) 的结晶构造之间的关系,有两种组织形态: 合金元素浓度较低，呈块状, 在电镜下呈板条状, 在板状马氏体内部存在高密度位错。合金元素浓度较高时, 呈针状组织, 在针状马氏体内部存在大量孪晶。 “则呈更细的针状组织, 在电镜下可以观察到密集的孪晶结构。马氏体转变开始温度Ms 和终止温度Mf取决于合金的化学成分。一般说来, 合金中的稳定元素浓度越高, 则相变过程中晶格重构的阻力越大, 相变所需的过冷度也越大, Ms 和Mf 越低。,从右图图可知：当 稳定元素的浓度达到 临界值C0与C1时，合金 的Ms点和Mf点分别达到 室温。 图2 Ms和Mf的关系,3.3 钛合金相变马氏体的特点

6、 钛合金的马氏体相变属无扩散型相变,在相变过程中不发生原子扩散, 只发生晶格重构。它具有马氏体相变的所有特点。 动力学特点：转变无孕育期; 瞬间形核长大, 转变速度极快, 每个马氏体瞬间长到最终尺寸; 恒温转变量极少, 主要在不断冷却中增加体积分数。 切变特点: 马氏体转变是晶体切变过程, 在切变过程中完成晶格重构。,晶体学特点: 马氏体晶格与母相相之间存在严格取向关系, 而且马氏体总是沿着相的一定晶面形成。 热力学特点: 马氏体转变的阻力很大, 转变时需要较大的过冷度, 而且马氏体转变只能在越来越低的温度下进行。,与钢铁中的马氏体相变相比, 钛合金的马氏体相变有以下特点: 马氏体与母相的晶体学取向不同, 马氏体惯析面也不相同; 转变产物既可能是马氏体, 也可能是另一种过饱和固溶体 相; 马氏体和相