期间文章师兄马氏体转变

§8-5马氏体转变马氏体——碳在α-Fe中的过饱和固溶体。1895年：Osmond,M.F.提出，为纪念德国冶金学家Martens,A.把这种组织命名为马氏体（Martensite).马氏体转变——获得马氏体组织的转变。在有色金属、陶瓷、高分子材料相继发现马氏体。广义马氏体——通过马氏体转变所获得的组织。一.马氏体转变的特点1.马氏体相变的无扩散性

钢中马氏体相变是同成分转变，无成分变化，仅发生点阵改组。

可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。如Fe-C和Cu-Ni合金在-20~-196℃，长成一片完整的马氏体需要0.5~0.05μs。

原子以切变方式（军队式）移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。2.马氏体相变的不变平面切变不变平面切变模型

倾动面一直保持为平面。发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原来母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍为平面，这种变形即为均匀切变。造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变。不变平面三种不变平面应变（a）膨胀（b）孪生时的切变（c）马氏体相变时----切变+膨胀二.马氏体转变的晶体学1.表面浮凸现象和惯习面马氏体形成时引起的表面浮凸

马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这一定的晶面即称为惯习面。

钢中：<0.5%C，惯习面为{111}γ；0.5～1.4%C，为{225}γ；1.5～1.8%C，为{259}γ。2.晶体学位向关系母相与马氏体之间存在严格的“位向关系”。（1）Kurdjumov-Sachs(K-S)关系{111}γ∥{110}M<110>γ∥<111>M

由于3个奥氏体<110>γ方向上可能有6种不同的马氏体取向,而奥氏体的{111}γ

晶面族中又有4种晶面，从而马氏体共有24种取向（变体）。5016’

（3）Greninger-Troiano(G-T)关系和K-S关系略有偏差

{111}γ∥{110}M

差1°

<110>γ∥<111>M差2°

（2）Nishiyama-Wassermann(N-W，西山)关系

{111}γ∥{110}M

<112>γ∥<110>M

按西山关系，在每个{111}γ面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取向（变体）。3.马氏体的组织形态与亚结构马氏体板条马氏体片状马氏体薄板状马氏体蝶状马氏体薄片状马氏体（1）板条马氏体板条马氏体的光学形貌板条马氏体的TEM形貌板条马氏体的示意图在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度较高。基本单元——单晶体板条（0.3×4×200μm）。许多相互平行的板条组成一个板条束。板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为K-S关系。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。每个惯习面上可能有六种不同的取向，板条束内具有相同取向的小块称为板条块，常常呈现为黑白相间的块。板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以板条马氏体也称为位错马氏体。（2）片状马氏体片状马氏体的光学形貌带有中脊的片状马氏体片状马氏体示意图片状马氏体的孪晶在中、高碳钢，高镍Fe-Ni合金中出现，形成温度较低。先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒，后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一步分割奥氏体晶粒，所以形成的马氏体片越来越短小。片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏体片互不平行，片的周围有一定量的残余奥氏体。惯习面：随温度的下降、含碳量的增加，由{225}γ变为{259}γ，位向关系由K-S关系变为西山关系。亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附近，片的边缘为位错，也称孪晶马氏体。马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生显微裂纹。（3）其它形貌马氏体蝶状马氏体{100}γ136°蝶状马氏体示意图在高碳钢，高镍Fe-Ni-C合金中，或在应力诱发作用下，会形成蝶状马氏体。呈V形柱状，成片出现。两翼的惯习面为{225}γ，夹角为136°，结合面为{100}γ。位向关系为K-S关系。晶内亚结构为位错，无孪晶。薄片状马氏体薄板状马氏体在层错能较低的合金，会形成薄片状ε’马氏体。ε’片极薄，100-300nm。惯习面为{111}γ，位向关系为。晶内亚结构层错。在MS点低于-100℃的Fe-Ni-C合金中形成。厚约3~10μm的立体形态呈薄板，可以曲折、分枝和交叉。惯习为{259}γ，位向关系为K-S关系。内部亚结构为{112}α孪晶，平直的带中无中脊。三.马氏体转变的热力学1.

相变驱动力Gα′GγGMsT0TΔGγ→α′自由焓——温度曲线T0为相同成分的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度，此时

ΔGγ→α’=0ΔGγ→α’

称为马氏体相变驱动力。2.转变温度Ms和MfTw%CMsMf含碳量对Ms温度的影响相变驱动力用来提供切变能量、亚结构畸变能、膨胀应变能、共格应变能、界面能等，所以要有足够大相变驱动力。

Ms为马氏体转变起始温度，是奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。Mf为马氏体转变终了温度。碳含量

C%↑→Ms↓，Mf↓合金元素除Co、Al外，其它合金元素均降低Ms点。奥氏体的晶粒大小奥氏体晶粒细化→Ms↓

晶粒细化→σs↑→切变阻力↑→Ms↓弹性极限以内的应力多向压应力阻碍马氏体转变，→Ms↓

拉应力促进马氏体转变，→Ms↑影响Ms的因素：3.形变诱发马氏体转变化学驱动力MsMdT0机械驱动力ΔGγ→α′GT形变诱发马氏体转变热力学条件示意图在Ms点以上，因塑性变形而促生的马氏体称为形变诱发马氏体。塑性变形能促生马氏体的最高温度称为Md

点。在Ms~Md之间对奥氏体进行塑性变形，为马氏体转变提供了机械驱动力，从而使相变可以在高于Ms的温度发生。四.马氏体转变动力学变温形核，瞬时长大等温形核，瞬时长大自触发形核，瞬时长大表面马氏体形核，瞬时长大动力学特点：马氏体变温形成马氏体转变的不完全性时间温度A1A→P动力学图（TTT图，C曲线）MsMf五.马氏体转变机制1.马氏体形核马氏体核模型按均匀形核的经典理论：设马氏体核心为凸透镜状，其半径为r，中心厚度为2c，而且r>>c，此时核心的近似体积为4πr3/3，表面积为2πr2。形核时系统自由能的变化ΔG为：可求出临界晶核的rK、cK和与之相对应的形核功ΔGK把Fe-30at%Ni合金（Ms点为233°K）的有关数值代入上式得出rK=49nm，cK=2.2nm，ΔGK=13×107卡/摩尔。显然在233K这样低的温度要支付这么大的热激活能是不可能的，因此经典的形核理论不适合于马氏体的形核。马氏体是非均匀形核，界面、位错、层错等缺陷形核。冷冻核胚理论。2.马氏体的长大马氏体长大的位错圈模型位错圈机制：通过位错圈的扩大——马氏体片的横向长大。通过位错圈的形成——马氏体片的纵向长大。随马氏体长大，靠近界面的奥氏体弹性切应变也愈来愈大，当应力值超过奥氏体的屈服极限时，将发生塑性变形，界面共格关系被破坏，这时马氏体停止长大。界面共格关系被破坏3.马氏体长大的原子模型（1）Bain模型Bain模型1924年E.C.Bain提出由奥氏体面心立方晶胞转变为马氏体的体心正方晶胞的模型.如果这个晶胞沿（x3）M方向收缩18%，而沿（x1）M和（x2）M方向膨胀12%，就可得到与Fe-C合金的点阵常数相符合的正方马氏体晶胞.这种通过沿晶轴膨胀、收缩的方法把一种晶格转变为另一种晶格的简单畸变称为“贝茵畸变”.（2）K-S模型K-S切变模型三个步骤：①第一次较大量的均匀切变(主切变)：

第二次小量切变：

晶格调整：（3）G-T模型G-T切变模型马氏体转变的G-T机制

第一次切变为宏观均匀切变，发生宏观变形，产生表面浮凸；并发生点阵改组，形成马氏体点阵结构。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。切变的结果，无宏观变形，晶格不变。同时，降低了应变能（应力松弛），在马氏体内产生位错或孪晶亚结构。

第二次切变G-T模型为两次切变模型：马氏体相变的分子动力学模拟200,000Zratoms1024-nodeIntelParagonXP/S-150六.不同材料中的马氏体转变许多有色合金也存在马氏体转变。马氏体外形基本上仍属条片状，金相形貌与铁基马氏体有区别。马氏体亚结构多为层错和孪晶，极少有位错型。Cu-Al(12wt%)中由β相形成的马氏体形貌1.有色合金几种有色合金马氏体的晶体学特征2.无机材料1963年Wolten根据ZrO2中正方相t→单斜相m的转变具有变温、无扩散及热滞的特征，将这种转变称为马氏体转变，ZrO2中的t→m相变还表现出表面浮凸及相变可逆的特点。在无机和有机化合物、矿物质、陶瓷以及水泥的一些晶态化合物中也有切变型转变。如压电材料PbTiO3、BaTiO3、及K(Ta、Nb)O3等钙钛氧化物高温顺电性立方相→低温铁电性正方相的转变；高温超导体YBaCu2O7-x高温顺电相→超导立方相的转变均为马氏体转变。利用马氏体转变来改善陶瓷韧性方面取得很大进展。具有点阵切变型转变的无机材料3.晶态聚合物材料某些晶态聚合物材料中会出现同素异构转变。如PTFE（聚四氟乙烯）中，满足没有或弱热激活条件的转变，是一种无扩散型转变或马氏体转变。这种聚合物晶化分子链平行于c轴。原子沿这些链排列成螺旋结构，沿c轴的周期在α构型中是13个C2F4单元，在β构型中是15个C2F4单元。α螺旋构型→β螺旋构型的转变出现在19℃附近。转变过程中，螺旋构型的弛豫不会导致分子在c轴方向上的比长度增加。而分子直径的增加，致使a轴方向的点阵参数增大，使其比体积增加约10%，如果那些分子已经经塑性变形而取向排列，则观察到的形状变化可能会增加。这一转变的结论为，PTFE转变是通过自由体积切变引起的无扩散转变。4.生物材料的马氏体转变结晶蛋白质构成的生物材料在完成其生命功能的过程中也经历一些马氏体转变。如T4细菌噬菌体中，尾翼鞘的收缩可被描述为一种不可逆应变诱发马氏体转变，在细菌的鞭毛中的多形态转变是应力辅助的马氏体转变，并具有形态记忆效应。七.马氏体的特殊性能及应用C%↑→硬度↑

C>0.6%以后，淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加。1.马氏体的强度和硬度HRCC（wt%）①②淬火钢硬度与含碳量的关系①淬火钢硬度②马氏体硬度

固溶强化间隙式碳原子造成的点阵不对称畸变，产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用。②时效强化自回火，碳原子在马氏体晶体缺陷处（位错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。马氏体的强化机制：

相变强化亚结构强化，高密度位错以及微细孪晶，阻碍位错运动。④马氏体晶体（原奥氏体晶粒）尺寸越细小，强度越高。

低碳位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳孪晶型马氏体具有高的