材科第九章(3)初稿

第九章材料的亚稳态（3）马氏体转变转变特点:(1)无扩散性(2)切变共格与表面浮凸(3)惯习面及位向关系(4)转变是在一个温度范围内进行的(5)转变不完全马氏体转变是一类无扩散型的固态相变，马氏体为亚稳相。将钢加热至奥氏体后快速淬火，所形成的高硬度的针片状组织。马氏体转变性能:高强度、高硬度相变强化固溶强化细晶强化SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E马氏体的亚结构马氏体组织内往往由密度较高的位错或较细的孪晶为其亚结构。这种亚结构，例如孪晶，表明有些区域经过了切变，而有的区域则未经切变。可见，马氏体内的亚结构是相变时不均匀（局部）切变的产物。马氏体转变（组织结构与形态）板条马氏体片状马氏体位错马氏体孪晶马氏体低碳马氏体高碳马氏体SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E钢中马氏体形貌马氏体转变（晶体学特点）©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E马氏体片形成时产生的浮凸示意图不变平面应变倾动面一直保持为平面发生马氏体相变时，虽发生了变形，但母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍为平面，这种变形即为均匀变形。造成均匀变形且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变。Bain转变模型示意图K-S关系(<1.4%C)：{111}γ//{110}m,{110}γ//{111}m西山关系(>1.4%C)：{111}γ//{110}m,{211}γ//{011}m马氏体片转变情况马氏体片形成只能通过滑移或孪生方式实现。马氏体内部亚结构由高密度位错和大量微孪晶所组成。二、共析钢过冷奥氏体转变产物1.珠光体型转变（高温转变）区2.贝氏体型转变（中温转变）区3.马氏体型转变（低温转变）区★SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E马氏体转变动力学变温马氏体相变，与温度有关，瞬间（几分之一秒内）剧烈地形成大量马氏体，有的高达70%M。钢的化学成分对马氏体点的影响等温马氏体转变：FeNiMn,FeNiCr,CuAu,CoPt高镍钢中马氏体等温转变曲线（Ni:23wt％）膨胀法：利用母相与马氏体之间比容的不同电阻法：利用两相间电容的不同磁性法：奥氏体不具有铁磁性，马氏体具有铁磁性。只可用于钢铁材料。金相法：回火马氏体易于腐蚀，淬火马氏体不易腐蚀。马氏体转变动点测量温度As=510℃510电阻温度120Ms=120℃电阻热弹性马氏体马氏体随着加热和冷却，母相和马氏体之间互相转换，具有可逆性。1）相变驱动力小，热滞小。2）马氏体和母相的相界面能做正、逆向移动，界面共格关系未破坏。3）形状应变为弹性协作性质，弹性储能提供逆向相变的驱动力。4）母相具有高的弹性极限5）母相应呈有序化状态。热弹性马氏体转变热弹性马氏体形貌示意图(2)马氏体形态与性能片状马氏体组织：当碳含量大于1.0%时，则形成片状马氏体,或针状马氏体（亦称高碳马氏体，孪晶马氏体）

。在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。性能特点：得到的高碳片状马氏体过饱和度大，严重的晶格畸变产生大的内应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性和韧性很低。球墨铸铁淬火G球+M+Aˊ15钢淬火组织M低高碳马氏体低碳马氏体应力（磁、电）驱动的马氏体相变形状记忆效应和形状记忆合金在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应的金属，称为形状记忆合金（SMA）。形状记忆合金可以分为三种（1）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。热弹性马氏体相变及形状记忆效应C0C8C6C4C2U1U2U3NiMnGa单胞C8显微形貌和电子衍射图孪晶孪晶结构惯习面不同取向孪晶二次孪晶Φ为85.04°

79.70°100.30°贝氏体的等温转变曲线贝氏体相变

贝氏体的形成珠光体相变贝氏体相变马氏体相变原子扩散铁原子扩散无扩散无碳原子扩散扩散无点阵改组扩散切变共格切变共格贝氏体的形貌及其亚结构上贝氏体其贝氏体铁素体板条成束地自晶界向晶内生长，在光学显微镜下形似羽毛状，故有羽毛状贝氏体之称，板条间的渗碳体呈粒状或短片状，可在电子显微镜下观察到渗碳体的形态。

上贝氏体形态(a)光学显微照片

1300×(b)电子显微照片

5000×性能特点：上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。工业生产中一般不用这种组织的材料来制造机械零件。

共析钢中上贝氏体组织特征

对于碳钢而言，贝氏体的形成温度：550～350℃Bα：条状，接近平衡含碳量，长短不一，光镜下整体呈羽毛状

Bc：粒状、链状、短片状（不连续）相邻Bα：6～18°相邻束：51°、97°、120°

亚结构：位错（密度较低）下贝氏体（350℃～Ms）贝氏体片之间互成交角，金相显微镜下常可观察到的“竹叶状”组织即为之。无论是条状的还是片状的贝氏体铁素体。其内部总有细微碳化物沉淀，它们大多与铁素体的主轴呈55～60°。

(2)下贝氏体形态性能特点：下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能。生产实践中应用于要求高强韧性的工件（如工模具等）。(a)光学显微照片500×(b)电子显微照片12000×Cr-Ni钢中下贝氏体组织特征Bα：针状，过饱和度增加，互呈一定角度，金相形态为“竹叶状”Bc：与针片的主轴成55～60°，呈颗粒状分布，平行排列析出上下贝氏体的主要区别在于贝氏体铁素体的形态及其碳化物的析出位置的不同；下贝氏体和片状马氏体虽然同为片状，但前者为复相组织，易于腐蚀，而后者为单相组织，不易腐蚀。

其它贝氏体无碳化物贝氏体粒状贝氏体贝氏体的力学性能①强度和硬度强度和转变温度的关系随转变温度的下降而升高，且下贝氏体的强度高于上贝氏体的。②韧性下贝氏体的冲击韧性优于上贝氏体的，且下贝氏体的韧脆转化温度亦低于上贝氏体的。贝氏体的形成机理贝氏体形成机理示意图在较高温度形成无碳化物贝氏体形成温度较高时，碳不仅可在铁素体中扩散，而且可在奥氏体中均匀可在奥氏体中迅速扩散，使碳原子在奥氏体中均匀分布，阻止碳化物的析出，从而形成无碳化物贝氏体。由于转变温度较高，过冷度较小，新相和母相之间的自由能差较小，这不足以补偿更多新相形成时所需消耗的界面能及各种应变能，从而形成的贝氏体铁素体量较少，铁素体板条也就长得较宽，条间距亦较大。

在贝氏体上部温度区形成上贝氏体温度稍低，碳仍可在铁素体中充分扩散，而在奥氏体中的扩散却不能充分进行；由于过冷度较大，相变驱动力增大，形成的铁素体量增多，板条较密，由铁素体扩散进入奥氏体的碳不能充分扩散，只能在铁素体板条间以粒状或短杆状碳化物析出，从而得到羽毛状上贝氏体。随转变温度的下降，贝氏体铁素体量增多，板条趋窄；随着碳的扩散系数的减小，碳化物亦趋细。

在下部温度区形成下贝氏体

碳在奥氏体中的扩散难以进行，在铁素体中的扩散亦受到限制，导致碳的扩散被限制在铁素体中作短程扩散，并在一定的晶面上偏聚，进而以碳化物的形式析出，从而形成片状铁素体基体上与主轴呈一定交角排列成行的上贝氏体。转变温度愈低，铁素体的过饱和度愈高，形成的碳化物的弥散度也愈高。贝氏体的等温转变曲线贝氏体转变动力学转变速度比马氏体相变慢得多!M：10-5～10-7s/片，瞬间形核并长大，无孕育期。

B：纵向伸长比横向加宽快，但仅达到0.012cm/min。形核需一定的孕育期。

转变的不完全性碳钢、中碳锰钢、中碳硅锰钢：降至某一温度，A→B（完全）大多数合金钢：部分转变；

Bs以下，T↓，B%↑与珠光体转变和马氏体转变重迭先形成少量马氏体，对B转变有促进作用。（结构有利）贝氏体转变的控制因素为碳的扩散能力形成激活能Q:

上贝：1.43×105

下贝:

单位：J/mol1.34×1058.4×1045.9×104板状马氏体①马氏体变温形成，与t保无关；②马氏体转变不完全性，钢中常存在残余A（性能下降）,常要求淬火T接近Mf“冷处理”.③马氏体性能与含碳量有关非扩散型（Fe和C均不扩散）C在α-Fe中的过饱和固溶体（bcc）240～-50M片（针）状马氏体马氏体板状：低碳钢中，F和Fe2.4C的复相组织。片状：高碳钢中，复相组织。F饱和+Fe2.4C350～240B下下贝氏体羽毛状：在平行密排的过饱和F板条间，不均匀分布短杆（片状）Fe3C,脆性大，工业上不应用半扩散型（只有C扩散）F饱和+Fe3C550～350B上上贝氏体贝氏体间距：0.03～0.08μm，2000×600～550T屈氏体间