第五章 马氏体转变(14-1)

1、 第五章第五章 马氏体相变马氏体相变 共析碳钢共析碳钢 CCT曲线曲线MfMsA1Vc 奥氏体化的钢，以奥氏体化的钢，以Vc的速度冷却时，的速度冷却时，过冷奥氏体冷却到过冷奥氏体冷却到Ms温度以下，转变为马温度以下，转变为马氏体，这种操作叫淬火。马氏体是强化钢材氏体，这种操作叫淬火。马氏体是强化钢材的重要组织。的重要组织。 共析碳钢奥氏体向马氏体转变式：共析碳钢奥氏体向马氏体转变式： A M f.c.c , 0.77C% b.c.c or b.c.t , 0.77C% 只有晶格改组而无成分变化只有晶格改组而无成分变化 非扩散型转变非扩散型转变 1 钢中马氏体晶体结构特点钢中马氏体晶体结构特点

2、C 在在-Fe 中的中的过饱和固溶体过饱和固溶体。 亚稳；单相亚稳；单相 C 位置：扁八面体间隙，位置：扁八面体间隙， R间隙间隙0.19，RC 0.77 晶格畸变较严重晶格畸变较严重bac扁八面体扁八面体间隙位置间隙位置5.1.2 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构晶体结构类型：晶体结构类型： 体心立方或体心正方等结构体心立方或体心正方等结构 后者存在正方度后者存在正方度： c/a c/a =1+0.046C% 与与 C 含量有关含量有关(1) 马氏体马氏体 体心立方体心立方(b.c.c), C%1； ba 体心斜方体心斜方(b.c.p), C%1.4%, c/a1, b/a1 其它类型马氏体

3、其它类型马氏体(2) 马氏体马氏体：密排六方：密排六方(h.c.p)，淬火中常见，淬火中常见中间相中间相(3)马氏体马氏体：密排菱面体：密排菱面体, 的中间相，缺陷多时易的中间相，缺陷多时易出现；出现；(4)马氏体马氏体： bcc、 bcp, 与与马氏体相似但晶格常数不马氏体相似但晶格常数不同同(c/a 小得多，又称反常轴比马氏体小得多，又称反常轴比马氏体)，只存在于，只存在于低温条件低温条件(0) ； M(Ms0 ) ； 具体由具体由C%定定 马氏体晶体结构不完整性马氏体晶体结构不完整性： M 转变中存在较大内应力转变中存在较大内应力 各种缺陷各种缺陷(位错、层错等位错、层错等) c = a

4、0 +P ; a = a0 -P ; c/a =1+p P含碳量；含碳量； a0 -Fe晶格常数晶格常数 、常数常数2 马氏体正方度与含碳量的关系马氏体正方度与含碳量的关系正方度正方度基本只基本只与含碳与含碳量有关量有关，并随，并随 C% 增增加而升高。加而升高。（1）正方度与含碳量的关系）正方度与含碳量的关系造成正方度的主要造成正方度的主要原因原因： C 原子择优占据、有序分布原子择优占据、有序分布于立方于立方 C 轴的轴的八面体间隙位置。八面体间隙位置。 若若 C 原子无序分布原子无序分布立方结构立方结构。体心正方结构时存在正方度，体心正方结构时存在正方度， 而体心立方结构时正方度为而体心

5、立方结构时正方度为1（2）反常轴比现象反常轴比现象： 实际中马氏体实际中马氏体 的晶体结构除与的晶体结构除与 C 含量有关含量有关外，还与外，还与 C 原子位置的变化有关，在某些条件原子位置的变化有关，在某些条件下可能出现反常轴比现象：下可能出现反常轴比现象：低轴比低轴比： C 原子同时占据八面体和四面体间隙位置原子同时占据八面体和四面体间隙位置 Ms200 Ms200 Mf Ms，A强度低强度低(210Mpa)， 易孪生易孪生(所需应力小所需应力小)孪晶孪晶 , 片状。片状。 分界温度大约为分界温度大约为200 滑移或孪生所需应力与温滑移或孪生所需应力与温度及马氏体亚结构的关系度及马氏体亚结

6、构的关系临临界界分分切切应应力力温度温度孪生孪生滑移滑移板条状板条状片状片状200 本质：奥氏体变形方式的分界温度本质：奥氏体变形方式的分界温度200 总体：钢及铁合金中马氏体的组织形态总体：钢及铁合金中马氏体的组织形态一、板条一、板条M 成分：低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢和不锈钢成分：低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢和不锈钢显微组织：许多成群的板条细晶粒组成显微组织：许多成群的板条细晶粒组成 亚结构：主要是高密度的位错亚结构：主要是高密度的位错二、片状二、片状M 成分：成分：高碳钢、中碳钢、高高碳钢、中碳钢、高Ni的的Fe-Ni合金合金 显微组织：大小不等、互成一定角度的双凸透镜形、显微组织：大

7、小不等、互成一定角度的双凸透镜形、片状、针状晶粒片状、针状晶粒亚结构：主要是孪晶亚结构：主要是孪晶-孪晶孪晶M M时效钢时效钢：典型钢种：典型钢种： 如铁基中含如铁基中含17%19% Ni，7%9% Co，4.5%5% Mo和和0.6%0.9% Ti（无碳或微碳）。这类合金经淬火成马氏（无碳或微碳）。这类合金经淬火成马氏体，然后在体，然后在480500回火。回火中，由于回火。回火中，由于合金元素在马氏体中过饱和，合金元素在马氏体中过饱和，沉淀析出后形沉淀析出后形成金属间化合物成金属间化合物，导致强的，导致强的沉淀强化沉淀强化效果。效果。 优点：优点：良好冷变形能力，焊接性能，高强度良好冷变形能

8、力，焊接性能，高强度运用：运用：火箭及导弹外壳火箭及导弹外壳。切变共格性切变共格性CC含量越高，含量越高，MsMs越低，残余奥氏体越多越低，残余奥氏体越多非扩散相变非扩散相变原子发生切变原子发生切变位移，但相对位置位移，但相对位置没有发生变化没有发生变化军队式转变军队式转变界面界面扩散型相变扩散型相变原子不切变，位原子不切变，位置由于扩散而改变置由于扩散而改变平民式转变平民式转变界面界面形状改变形状改变形状不改变形状不改变注意：马氏体相变的最基本的特征：注意：马氏体相变的最基本的特征： （1 1）切变共格性切变共格性 （2 2）无扩散性无扩散性其他特点均由这两个基本特点派生而来。其他特点均由这

9、两个基本特点派生而来。 应变能应变能E包括几个方面：包括几个方面： 1、切变能切变能； 2、比容变化而使、比容变化而使M体积体积膨胀膨胀增加的增加的能能量；量； 3、维持、维持M-A两相两相共格共格所需要的所需要的能能量；量； 4、M和和A内部内部储存能储存能。界面能界面能+ + 应变能应变能M内部高密度的位错或孪晶增加的能量；内部高密度的位错或孪晶增加的能量；M形成时因体积膨胀，对周围形成时因体积膨胀，对周围A有作用力，使有作用力，使其发生变形，位错密度增加而增加的能量其发生变形，位错密度增加而增加的能量很大很大 马氏体转变主要受马氏体转变主要受应变能应变能控制，（界面能和扩控制，（界面能和

10、扩散激活能很小）散激活能很小） 而珠光体转变主要受而珠光体转变主要受界面能界面能和和扩散激活能扩散激活能控制控制。 EE虽共格界面，虽共格界面，SS很小，但很小，但EE很大很大马氏体相变需要大的过冷度马氏体相变需要大的过冷度G GG Ms To A3 GVGT0点的物理意义点的物理意义： M 和和 A 自由能相等时的温度自由能相等时的温度MS点的物理意义点的物理意义：M 和和 A 的体积自由能差刚好克服的体积自由能差刚好克服相变阻力相变阻力(相变所需最小驱动力相变所需最小驱动力)时的温度时的温度3 影响钢中影响钢中Ms点点的主要因素的主要因素 Ms点对于马氏体转变的重要性：点对于马氏体转变的重

11、要性： 1、Ms点的高低决定其点的高低决定其亚结构亚结构，进而决定了马，进而决定了马氏体的氏体的机械性能机械性能； 2、Ms点的高低决定钢淬火冷却到室温时的点的高低决定钢淬火冷却到室温时的M转变量和转变量和残余奥氏体量残余奥氏体量； 3、制定、制定淬火工艺淬火工艺（如（如分级淬火分级淬火或或等温淬火等温淬火）时，必须参照时，必须参照Ms点。等等。点。等等。 因此重点讨论影响因此重点讨论影响Ms的各种因素。的各种因素。（一）、（一）、化学成分化学成分1、碳含量：碳含量： C，Ms，且扩大，且扩大M形成温形成温度范围。度范围。 原因原因： C对对A和和M均有均有固溶强化固溶强化作用，增大作用，增大

12、了了AM转变时的切变阻力，需要更大的过冷度以转变时的切变阻力，需要更大的过冷度以获得更大的相变驱动力，使获得更大的相变驱动力，使Ms； C是稳定是稳定A的元素，使的元素，使A3点点，故使，故使Ms。碳碳含量对钢中含量对钢中Ms点点的影响的影响 每增加每增加1C，使，使Ms点点 -300。 20 2、合金元素、合金元素 除除Co、Al外，其余合金元外，其余合金元素都不同程度地降低素都不同程度地降低Ms点。点。原因：原因： 影响了平衡温度影响了平衡温度T0 提高提高A的的s，使切变阻力，使切变阻力增加增加。 如如Mn、Ni、Cr, 溶入溶入A中使中使T0，s， 使使Ms Mo、W、V、Ti溶入溶入

13、A中使中使T0 ，s， 使使Ms Co、Al、 溶入溶入A中使中使T0，S， 使使Ms用用经验公式经验公式可大致求出某种材料的可大致求出某种材料的Ms: Ms()=538-317(C)-33(Mn)-28(Cr) -17(Ni)-11(Si+Mo+W)（二）形变与应力的影响（二）形变与应力的影响1、塑性变形塑性变形在在Ms点以上不太高的温度范围内点以上不太高的温度范围内(MsMd)对对过冷过冷A变形，可促使变形，可促使M转变，在转变，在Ms点以上即可形点以上即可形成一部分成一部分M，叫，叫形变诱发形变诱发M，相当于提高了，相当于提高了Ms点。点。 形成形成M数量取决于形变温度和形变量。形变温数

14、量取决于形变温度和形变量。形变温度越低，形变量越大，诱发度越低，形变量越大，诱发M数量越多。数量越多。 形变诱发形变诱发M的上限温度的上限温度称之为称之为Md点。点。 预先变形对变形温度下预先变形对变形温度下以及随后冷却时马氏体转变的影响以及随后冷却时马氏体转变的影响=0形变诱发形变诱发M原因原因 Ms点升高点升高 形变造成晶体结构缺陷增多，引起形变造成晶体结构缺陷增多，引起C、N原子原子在缺陷附近偏聚，促使在缺陷附近偏聚，促使C或或N的化合物析出，使的化合物析出，使A中中C及合金元素含量降低，及合金元素含量降低，Ms点升高。点升高。形变造成局部应力集形变造成局部应力集中，提供中，提供M形核的

15、附加能形核的附加能量，成为形核的有利位量，成为形核的有利位置，从而促进置，从而促进M转变，提转变，提高高Ms点。点。驱动力：化学驱动力驱动力：化学驱动力(-自由能自由能)+机械驱动力机械驱动力(-形变能形变能) 在在MsMd温度范围形变，虽然可使温度范围形变，虽然可使Ms点升点升高，但往往使随后形成的高，但往往使随后形成的M量减少。量减少。2 弹性应力弹性应力 多向压应力多向压应力由于由于M转变使体积膨胀，多向压转变使体积膨胀，多向压应力使转变阻力增加，应力使转变阻力增加，Ms； 拉应力拉应力促进促进M转变，使转变，使Ms 原因原因：塑性变形提供有利于氏体形核的晶体结：塑性变形提供有利于氏体形

16、核的晶体结构缺陷，构缺陷，促使形成促使形成马氏体，马氏体，但但缺陷增多使马氏体缺陷增多使马氏体长长大受大受到到阻阻碍，转变速率变小。大量塑性变形使缺陷碍，转变速率变小。大量塑性变形使缺陷组态强化母相，就会形成稳定化，减少组态强化母相，就会形成稳定化，减少M量。量。 奥氏体晶粒越细小，奥氏体晶粒越细小，Ms越低。越低。 原因：原因： s=i + ky d-1/2 d，s，奥氏体强度，奥氏体强度，使切变，使切变 困困难，需要更大的相变驱动力，难，需要更大的相变驱动力，Ms。1 奥氏体晶粒奥氏体晶粒（三）奥氏体化条件的影响（三）奥氏体化条件的影响 2 加热温度和保温时间加热温度和保温时间正常淬火加热

17、温度正常淬火加热温度下：下： 亚共析钢亚共析钢 ，完全奥氏体化，加热温度高，完全奥氏体化，加热温度高， 随着随着T，d长大长大，使，使Ms 共析、过共析钢、高金金钢共析、过共析钢、高金金钢 不完全奥氏体化，加热温度较低，不完全奥氏体化，加热温度较低， d不易不易长大；长大； 随着随着T，C、合金元素溶入较多，总体、合金元素溶入较多，总体使使Ms。 当当T，时，时， 一方面：一方面：A中溶入合金元素较多，使中溶入合金元素较多，使Ms； 另方面：另方面：A晶粒晶粒d，缺陷密度，缺陷密度，切变阻力，切变阻力， 使使Ms。（四）淬火冷却速度的影响（四）淬火冷却速度的影响有争议？有争议？ 一般工业用淬火

18、介质所能达到的冷却速度一般工业用淬火介质所能达到的冷却速度对对Ms没有影响。没有影响。（五）磁场的影响（五）磁场的影响 外加磁场，诱发外加磁场，诱发M转变，转变，Ms点点。原因：原因： 磁场中磁场中M的自由能降低，而的自由能降低，而A的自由能影响不的自由能影响不大，大，T0 ， Ms点点，类似形变诱发，类似形变诱发M相变。相变。淬火冷却温度常数数转变为马氏体的体积分qqSTfTMf) 34()(exp1淬火冷却温度常数数转变为马氏体的体积分qqSTfTMf) 34 ()(exp1冷至冷至375-1%M冷至冷至345-30%M注意与变温注意与变温M、奥氏体形成动力学曲线的同与不同：、奥氏体形成动

19、力学曲线的同与不同： 等温等温有孕育期但很短，且瞬时长大；有孕育期但很短，且瞬时长大； 变温变温无孕育期，瞬时长大；无孕育期，瞬时长大； A 孕育期相对长，约孕育期相对长，约50%处转变快处转变快综上：综上： 三种方式长大速度均极大，主要差别是形核三种方式长大速度均极大，主要差别是形核及形核率不同。及形核率不同。可逆可逆不可逆不可逆可逆可逆不可逆不可逆对比，有：对比，有： 热滞大热滞大 不可逆不可逆 可可 逆逆 热滞小热滞小(1) 热弹性热弹性可逆转变所需可逆转变所需热滞小热滞小，所需驱动力小；，所需驱动力小；(2) 连续冷却时两种转变的转变量均随温度下降而连续增加，连续冷却时两种转变的转变量

20、均随温度下降而连续增加，但但热弹性热弹性转变中量的增加既以来新核心的形成与长大，也依转变中量的增加既以来新核心的形成与长大，也依赖于赖于原较高温形成的新晶粒在随后冷却中的继续长大原较高温形成的新晶粒在随后冷却中的继续长大；(3)热弹性热弹性转变的转变的新相新相在形核与长大中与母相在形核与长大中与母相始终保持界面共始终保持界面共格关系不被破坏格关系不被破坏，且界面推移速度受冷却速度控制，而非热，且界面推移速度受冷却速度控制，而非热弹性转变在各温度形核后即迅速长大到极限，界面共格关系弹性转变在各温度形核后即迅速长大到极限，界面共格关系破坏，界面推移速度只与驱动力或过冷度有关；破坏，界面推移速度只与

21、驱动力或过冷度有关；(4)热弹性马氏体发生逆转变时，无需形核热弹性马氏体发生逆转变时，无需形核过程，而是马氏体过程，而是马氏体片的连续收缩直至消失，而非热弹性马氏体逆转变时往往会片的连续收缩直至消失，而非热弹性马氏体逆转变时往往会碎裂成多个小片，相当于需形核与长大过程。碎裂成多个小片，相当于需形核与长大过程。 宇宙飞船天线很大，发射不宇宙飞船天线很大，发射不方便。形状记忆方便。形状记忆Ti-Ni合金，在合金，在M状态很软，在母相状态很软，在母相A状态很硬。状态很硬。 在母相状态下制成，降温使在母相状态下制成，降温使其发生其发生M转变，并折成一小团，转变，并折成一小团，当飞船达到一定位置时，天线

22、因当飞船达到一定位置时，天线因受太阳光线的热而发生受太阳光线的热而发生MA逆逆转变，并恢复形状转变，并恢复形状）（111,110)111(011）（111,110)111(011）（111,110)111(011二二) K-S 均匀切变模型均匀切变模型均匀切变模型均匀切变模型 第一次较大量的均匀切变第一次较大量的均匀切变 (主切变主切变)：。进行，切变角为方向面为滑移面，沿以1515112)111(0_。变为，使底面内角由切变角为方向进行，面为滑移面，沿以000_69609110) 121 ( 第二次小量切变：第二次小量切变： 晶格调整：晶格调整：。，含轴膨胀轴收缩Cac%4 .106.1/%

23、4 .5 121 %9 .1110_K-S 机制问题：机制问题： 和实际表面浮凸现象、惯习面有差异；和实际表面浮凸现象、惯习面有差异； 未解释亚结构未解释亚结构 第一次切变第一次切变 为宏观均匀切变，发生宏观变形，产生表面为宏观均匀切变，发生宏观变形，产生表面浮浮凸凸；并发生点阵改组，形成马氏体点阵结构。；并发生点阵改组，形成马氏体点阵结构。(3) G-T 模型模型两次切变模型两次切变模型第二次切变第二次切变 为微观不均匀切变，也称为晶格不变切变，为微观不均匀切变，也称为晶格不变切变，可以是滑移，也可以是孪生。可以是滑移，也可以是孪生。切变结果切变结果: 无宏观变形，晶格不变。同时，降低了应无

24、宏观变形，晶格不变。同时，降低了应变能（应力松弛），在马氏体内产生变能（应力松弛），在马氏体内产生位错或孪晶位错或孪晶亚结构亚结构。G-T模型切变过程模型切变过程a)切变前切变前 b)均匀切变均匀切变(宏观切变宏观切变)c)滑移切变滑移切变 d)孪生切变孪生切变G-T模型示意图模型示意图K-S 与与G-T机制共同点：机制共同点： 宏观主切变宏观主切变 + 微切变微切变 + 尺寸调整尺寸调整G-T内容：内容： 表面浮凸由第一次宏观切变（表面浮凸由第一次宏观切变（225）产生；产生； 惯习面为（惯习面为（225） ； 两种不同亚结构由第二次微切变产生。两种不同亚结构由第二次微切变产生。 问题问题：

25、无法解释（：无法解释（111） 惯习面。惯习面。一、马氏体的强度和硬度一、马氏体的强度和硬度特点：特点： 总体：高硬度、高强度总体：高硬度、高强度 注意：注意：、硬度、强度主要取决于、硬度、强度主要取决于C%， Me影响小。影响小。 C%, 马氏体马氏体 HRC。、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。、须注意马氏体硬度与钢硬度的差异。 C%， 淬火钢淬火钢HRC， 0.6%C后基本趋于定后基本趋于定值。值。 马氏体硬度马氏体硬度-高于高于ACm淬火后深冷淬火后深冷高于高于AC1淬火淬火高于高于ACm淬火淬火 AR%Fe3C马氏体硬度与钢硬度的差异马氏体硬度与钢硬度的差异 马氏体高硬度、高强度的马氏

26、体高硬度、高强度的原因：原因： 相变强化相变强化，相变造成，相变造成M内高密度的位错或孪晶，起内高密度的位错或孪晶，起到强化效果；到强化效果； 固溶强化固溶强化，M是碳的过是碳的过饱和固溶体，有很强的固溶饱和固溶体，有很强的固溶强化效果；强化效果； 时效强化时效强化，马氏体在淬，马氏体在淬火冷却过程中或淬火后在室火冷却过程中或淬火后在室温停留过程中都会析出弥散温停留过程中都会析出弥散的碳化物，对位错起钉扎作的碳化物，对位错起钉扎作用，从而起强化作用。用，从而起强化作用。二、马氏体的塑性和韧性二、马氏体的塑性和韧性 以前认为以前认为M塑性低、韧性小、脆性大。这塑性低、韧性小、脆性大。这是因为过去

27、很长一段时间都是用高碳是因为过去很长一段时间都是用高碳M。 片状片状M：硬而脆；：硬而脆； 板条板条M：强而韧：强而韧 与亚结构有关与亚结构有关板条板条M 塑韧性好的原因塑韧性好的原因 含碳量低，过饱和度小；含碳量低，过饱和度小； 淬火内应力小，形成微裂纹的敏感度小淬火内应力小，形成微裂纹的敏感度小低碳低碳M亚结构是位错，有一定滑移变形的能力。亚结构是位错，有一定滑移变形的能力。高碳片状高碳片状M塑韧性差的原因：塑韧性差的原因： C过饱和度高，畸变大，过饱和度高，畸变大， 淬火内应力大，形成微裂纹的敏感度高。淬火内应力大，形成微裂纹的敏感度高。 亚结构是孪晶，有效滑移系少，塑变能力差亚结构是孪

28、晶，有效滑移系少，塑变能力差 马氏体的马氏体的塑性和韧性塑性和韧性主要取决于主要取决于亚结构亚结构； 马氏体的马氏体的硬度和强度硬度和强度主要取决于主要取决于含碳量含碳量。问题：能否用板条马氏体代替片状马氏体问题：能否用板条马氏体代替片状马氏体 一般来说，板条一般来说，板条M M不但有较高的强度，而且有不但有较高的强度，而且有一定的韧性；而片状一定的韧性；而片状M M虽然硬度、强度很高，但脆虽然硬度、强度很高，但脆性较大。因此在保证足够硬度的前提下，尽可能性较大。因此在保证足够硬度的前提下，尽可能减少孪晶减少孪晶M M数量，是改善强韧性，充分发挥材料潜数量，是改善强韧性，充分发挥材料潜力的有效

29、途经。力的有效途经。 马氏体的比容远大马氏体的比容远大于奥氏体于奥氏体 钢在淬火时要钢在淬火时要发生体积膨胀，产生发生体积膨胀，产生内应力、内应力、 变形、开变形、开裂。裂。三三 马氏体的物理性能马氏体的物理性能 马氏体具有铁磁性马氏体具有铁磁性钢淬火后，矫顽力升高，钢淬火后，矫顽力升高，导磁率下降，电阻增大；导磁率下降，电阻增大；马氏体的含碳量越高，马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。矫顽力越高。 奥氏体的机械稳定化奥氏体的机械稳定化 在在Ms点以上不太高的温度范围内点以上不太高的温度范围内(MsMd)对过冷对过冷A变形，可促使变形，可促使M转变，在转变，在Ms点以上即可形成一部分点以上即可形成

30、一部分M，叫，叫形变诱发形变诱发M，相当于提高了，相当于提高了Ms点。点。 在在Md点点以上温度对以上温度对A进行塑性变形，超过一定变形进行塑性变形，超过一定变形量后随后量后随后M转变发生困难，转变发生困难，Ms点下降，残余点下降，残余A量增多，量增多，引起引起A稳定化，这种现象称为稳定化，这种现象称为机械稳定化机械稳定化。原因：原因： 1 1）破坏母相与新相的共格关系，发生）破坏母相与新相的共格关系，发生M M相变困相变困难，增大难，增大A A稳定；稳定； 2 2）弹性应力作用；）弹性应力作用； 3 3）变形过程中伴随热稳定化的发展，二者共）变形过程中伴随热稳定化的发展，二者共同作用同作用小结小结奥氏体的稳定化奥氏体的稳定化 由于某种原因，使由于某种原因，使AM转变能力转变能力(表现为表现为Ms和马氏体转变量和马氏体转变量，残余奥氏体量增加，残余奥氏体量增加)或或者说者说A的稳定性的稳定性，这种现象叫，这种现象叫A的稳定化的稳定化。 根据产生的原因，分为两种：根据产生的原因，分为两种： 热稳定化热稳定化在马氏体转变的冷却过程中，在马氏体