第四章马氏体转变

第四章马氏体转变第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五概述:（1）钢经奥氏体化后快冷,抑制了扩散相变,在较低温度下发生无扩散相变转变为马氏体,是热处理强化的主要手段,对工业生产有十分重要的意义;（2）上个世纪初把高碳钢淬火后得到的脆而硬,具有铁磁性的针状组织称为马氏体,六十年代以来现代测试技术发展,对马氏体成分-组织-结构-性能之间有了较深刻的认识;（3）在除了钢以外的铁合金,非铁合金,陶瓷材料等发现了马氏体相变;（4）但马氏体相变仍存在一些未知的问题(转变机理等)需待研究第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五重点:马氏体相变的主要特点,马氏体的组织形态及性能,Ms点定义及影响因素.

难点:马氏体转变的主要特征,马氏体相变的晶体学位向关系.本章将介绍马氏体的：①组织形态、②主要特性、③性能变化规律、④影响因素、⑤如何使钢获得M组织并尽量减少淬火缺陷。重点掌握：①组织形态、②主要特性、③性能变化规律、④影响因素。第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五何谓马氏体

●马氏体是碳溶解在α-Fe中的过饱和固溶体。常用符号M表示。M具有高的强度、硬度和一定的韧性。高碳钢淬火后得到的M，硬度高、脆性也大；中低碳钢淬火的M具有良好的强度和韧性。●淬火获得马氏体组织，使钢变硬，是人类历史上最早使用的一种强化钢的热处理方法；我国早在二千年前就应用淬火来提高兵器和农具的硬度和强度。第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五不常见的有一、马氏体的组织形态板条状M片状M最为常见蝴蝶状M、透镜片状M薄板状M、薄片状M第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（一）板条状马氏体1.板条状马氏体组织形态（如图4-1、4-2所示）a.金相形态b.立体形态c.亚结构图4-1条状马氏体组织形态

第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

图4-1条状马氏体组织形态500×（20号钢990℃盐水淬火）

图4-2板条状马氏体（浅蓝色）显微组织（20钢，水淬火）×580第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

20钢990盐水淬火低碳马氏体10CrMO9980水淬火低碳马氏体第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五45钢1100℃水淬第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五1）低、中碳钢及不锈钢中形成的一种M。2）由许多M板条集合而成，组成互相平行的板条组成一个板条束。一个A晶粒可以转变成几个板条束，板或条是M的基本单元。3）板条宽度范围在0.025～2.25um之间，多数为0.1～0.2um之间。4）亚结构主要是位错

2.板条状马氏体特征

第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

（二）片状马氏体1.片状马氏体组织形态

a.金相形态b.立体形态c.亚结构图4-7片状马氏体组织形态第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五图4-8针状马氏体+黄色残余奥氏体显微组织（T12钢，高温淬火）×580第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五T10钢1000淬火、水冷高碳马氏体，白色为残余奥氏体T8钢990盐水淬火、高碳马氏体电镜形貌透射电镜二级复型第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五片状马氏体400×

球墨铸铁淬火马氏体420×第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

片状马氏体600×片状马氏体400×第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五形变诱发马氏体330×球墨铸铁淬火马氏体330×第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

形变诱发马氏体330×形变诱发马氏体330×第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五球墨铸铁淬火马氏体330×形变诱发马氏体330×

第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2.组织特征1）常见于中、高碳钢及高Ni的（Fe-Ni）合金。2）由互成一定角度的马氏体片组成，单片呈针状或竹叶状形状，三维象双凸透镜状；一般最先形成的M片可贯穿整个A晶粒（有时贯穿几个A晶粒）。3）片与片之间常以60度或120度相交。4）片状M的惯习面及位向关系与形成温度有关。高温时惯习面为{225}r（K-S）,低温为{229}r（面山关系）。5）片状M内的亚结构为孪晶，孪晶距50～100A°，其边缘有复杂的位错。

第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（三）蝶状马氏体1.形状特征：立体外形为V形柱状，横截面呈蝶状(课本P91图-22)。2.晶内亚结构为位错，无孪晶。3.蝶状马氏体最早在Fe-Ni-C及Fe-Ni被发现。第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五（四）薄板状马氏体1.厚约为3～10um，立体形态呈薄板状，可以曲折、分枝和交叉2.内部亚结构为孪晶，孪晶宽度随C↗而降低。3.在马氏体开始转变温度Ms＜-100℃的Fe-Ni-C合金中可以观察到。（五）薄片状马氏体（ε′马氏体）1.具有密排六方点阵的薄片状M，称为ε′马氏体。2.极薄，仅1000～3000A°(100～300nm)3.惯习面{111}r4.亚结构：层错能。5.材料：Fe-Mn-C、Fe-Cr-Ni合金易出现薄片状马氏体。第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五二.马氏体转变的晶体结构碳原子铁原子马氏体的真实点阵第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

三.马氏体的转变特点马氏体形成时，其内部原子运动的主要特点是：1.表面浮凸效应和切变共格性2.无扩散性3.新相与母相晶体学关系4.转变的不完全性5.转变的可逆性第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五1.表面浮凸效应和切变共格性马氏体形成时试样表面浮凸现象第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五切变共格既属于母相（A）又属于新相（M）相变过程不是通过原子扩散，而是通过切变方式使母相（A）原子协同式的迁移到新相（M）中，迁移的距离小于一个原子距离，并且两相间保持共格关系的一种相变。协同移动，如“军队式转变”，原来相邻的原子转变后仍相邻。切变的原子共格的原子第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五切变模型●马氏体形成时，和它相交的试样表面发生转动，一边凹陷，一边凸起,并牵动奥氏体突出表面。第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五●共格：相界面上的原子即属于新相，又属于母相，这种相界面上原子的紧密联系就称为共格，其界面称共格界面。

位错型马氏体共格界面产生孪晶马氏体时共格界面第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五①切变：M转变时，由母相（A）变为新相（M）的晶格改组过程是以切变方式来进行的，即：新相与母相界面上的原子以协同的、集体的、定向的、有次序的方式从母相向新相中的移动来实现的。相邻原子间的相对移动距离不超过原子间距。这一过程就为切变。②保持位相关系：在切变过程中，新相和母相晶格间始终保持着严格的位向关系，其晶面和晶向相互平行。第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2.无扩散性（1）钢中马氏体转变无成分变化,仅有晶格改组:γ-Fe(C)→α-Fe(C)。

（2）马氏体转变在相当低的温度内进行（共析钢230～-50℃，Fe-Ni合金20～-196℃），转变速度极快（5×10-6秒完成），原子已无可能扩散。无扩散性根据有三：①M的碳含量与A的碳含量相同第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五②

X射线衍射分析，A向M相变前后只有晶格改组而没有成分变化，即A中固溶的碳全部被保留到M的京各之中，形成了碳在α-Fe中的过饱和固溶体，引起晶格畸变，成为体心正方结构（a=b＜c）③Fe-Ni合金在-20～-196℃温度、在0.05～0.5us形成一片M，Fe、C原子不可能扩散能。第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3.新相与母相晶体学关系●M总是沿母相的某一晶面开始产生的，为保持两相晶格的紧密联系，这个晶面在相变过程中不发生转动和畸变，否则转变就会停止。这个晶面称为M形成的惯习面。随着M转变的完成，原惯习面的位置相应成为凸透镜状M（高CM）的中脊面。第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

M转变时，原子移动不超过原子间距，更不能交换位置，所以相变过程新相和母相的晶格必须始终保持紧密联系。可见：相界面上的原子即属于形新相又属于母相。M形成的惯习面：随着M转变的完成，原惯习面的位置相应成为凸透镜状M（高CM）的中脊面（图4-16）图4-16马氏体形成的惯习面示意图第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4.转变的不完全性图4-9马氏体转变量与温度关系

第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五5.转变的可逆性马氏体转变的可逆性：奥氏体在冷却时可转变为马氏体，而重新加热时又可使马氏体直接转变为奥氏体。在某些铁或非铁合金(如Fe-Ni、Ag-Cd、Ni-Ti等)中，马氏体转变的可逆性。这种逆转变的开始温度称为As点，终止湿度称为义Af点，通常As点温度比Ms高。第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五●对钢来说，在一般情况下观察不到马氏体的逆转变，这是因为马氏体被加热时在温度尚未到达As的过程中即已发生分解(回火)，因而不存在直接转变为奥氏体的可能性。只有在采取极快速的加热，使之来不及分解的情况下才会发生逆转变。据报道：含0.8％C钢以5000℃／s的速度加热时，可以在590～600℃发生逆转变。第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五四.马氏体的转变热力学分析马氏体转变与液态金属的凝固以及钢的加热转变一样，也是热学性的，其转变驱动力也来自新旧相的化学自由焓差。图4－17是A和M的自由焓与温度关系。图4-17奥氏体和马氏体的自由焓与温度的关系根据相变的一般规律，相变进行的条件是相变前后系统总的自由焓差小于零。T0为A、M自由焓相等的温度：当温度T＜T0时，GM＜GA，马氏体为稳定相，故A→M；当T＞T0时，GA＜GM，奥氏体为稳定相，故M→A。第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五当温度为T0：Ga´=Gr两相处于热力学平衡当温度T>T0：Gr→a´=Ga´-Gr>

0不会发生A→M转变当温度T<T0：Gr→a´=Ga´-Gr<0存在A→M转变倾向Gr→a是A→M转变的驱动力，但与过冷度△T的大小有关,应达到：△T=（T0-Ms）第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

但马氏体转变与钢的加热转变或冷却转变不同，当母相被过冷到略低于T0时，M不能发生转变，即过冷度太小；

只有过冷度达到△T＝T0－Ms才能发生M转变。（主要是为了克服M转变所产生的应变能△GE）

T0－Ms差值称为热滞，这是M转变的特点之一。图4-27反映了碳含量对To点及Ms点的影响。综上分析：马氏体转变热力学条件是T≤Ms时的驱动力△G，即：△T＝T0－Ms第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五碳含量对To点及Ms点的影响

第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五C%＜0.6%：板条状MC%：0.6%～1.0%：板条＋片状的混合MC%>1.0%：片状M1.碳影响2.合金元素的影响3.应力和塑性形变的影响4.奥氏体强度影响五.影响马氏体形态及其内部亚结构的因素影响因素1.碳对钢中马氏体形态的影响A的化学成分是主要因素，其中以C为最主要5.存在先马氏体的组织影响第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五●随着C含量的升高，M形态的变化规律：●马氏体是在Ms到Mf之间的温度内相继形成的，形成温度不同所得的亚结构和形态也不同。

板条状→板条状+针片状→针片状第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五①凡能缩小γ相区的合金元素均促使得到板条状M。如：V、Cr、Ti、W、Mo、Al、Si、P、Sn、Sb（锑）、B、Zr（锆）、Nb（铌）2.合金元素的影响②凡能扩大γ相区的合金元素均促使M形态从条状转化为片状。如:Ni、Mn、Co、C、N、Cu。第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五马氏体转变氏在Ms～Mf的温度范围进的，M转化顺序从高Ms到低Ms为：条状→蝶状→片状→薄板状3.马氏体形成温度M的亚结构转化顺序从高Ms到低Ms为：位错型→孪晶型第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4.奥氏体与马氏体的强度①当A的屈服极限σs＜196Mpa时，形成条状M；

σs＞196Mpa时形成片状M。②所形成的M强度较低时得条状M；强度较高时得到片状M。3.应力和塑性形变的影响P95第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五M转变也是通过形核与长大进行的，转变速度也取决于形核率及长大速度。但它有许多特点，按几种不同类型介绍。1.变温转变2.等温转变3.爆发式转变4.表面转变

§4-5马氏体转变动力学（P97）第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五特点：1）不断降温，M核才能不断形成（称变温形核）2）长大速度极快，一个M核只需10-4～10-7S就可长大成一个M单晶。在-196℃时的线速度为105S；3）不断形成新的MM单晶长大到一定程度就不再长了，新的M长大是在不断降温过程中形成新核，长成新的M。1.变温转变这些特点的主要作用取决于冷却速度所决定的形核率第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五特征：①同P转变一样，M可以等温形核、长大；②形核有孕育期，形核后的长大速度仍极快，长大到一定尺寸后也不再长大。转变速度与等温温度有关；③转变不能进行到终了，这是已形成的M使未转变的A稳定化了。2.等温转变在Mn-Cu钢、Fe-Ni-Mn、Fe-Ni-Cr、GCr15等合金钢中，发现了等温M转变。第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4.表面转变●上述四种M转变的特点，主要差别仅在于形核及形核率不同，形核后的长大速度都极大，且与温度无关。

片状M在第一片M形成时，可能激发出大量M的爆发性转变。爆发式转变量决定于合金化学成分，最高可达70%，爆发转变停止后，继续降温才能使M转变继续进行。这种自触发形核,在Ms点低于0℃的Fe-Ni、Fe-Ni-C合金中发生。

3.爆发式转变第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五★马氏体的形成条件①冷却速度(V)要大于临界冷却速度(V0)：V≥V0，以抑制住珠光体或贝氏体转变。②深度过冷，以保证体系自由能降低，以便为马氏体形成提供足够的相变驱动力。★获得马氏体组织的操作把钢加热到奥氏体状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷到MS点以下温度。第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五图4-80.8%c钢CCT曲线第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五七.影响钢Ms点的因素

1.Ms点的物理意义：是在M开始转变温度下，A和M之间的化学自由能差达到了相变所需的最小驱动力。

2.影响Ms点的因素1）成分的影响

①C含量的影响C%↑则Ms↓

C是间隙元素，对A和α－Fe具有强烈的强化作用，它增大了M形成时的切变阻力，使相变所需的驱动力增高，强烈地降低Ms点。C%↑则A3↓、T0↓、Ms↓，也由于C%↑使奥氏强度σ↑,Ms↓。粗略估计每提高1%C，则Ms下降330℃。第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五2）合金元素影响

除Co、Al外，凡溶于奥氏体的合晶元素，由于使奥氏体的稳定性增加，则Ms降低。降低Ms的合金元素由强到弱的大致排列如下：C→N→Mn→Ni→Cr→Mo→Cu→W→V→TiMo、V、Ni、Cr、Mn、Cu使Ms点降低（注意：W、V、Ti等强碳化物形成元素，在钢中以碳化物形式存在，淬火加热时溶解甚微，对Ms影响甚微。Co、Al升高Ms点。（图4-28）第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五3）奥氏体化条件的影响

加热温度和时间对Ms点的影响是复杂的。●一方面：温度T↑，时间t↑，会使C和合金元素更多地溶解到A中，使Ms↓。●另一方面：T↑，t↑，使A晶粒长大和成分均匀化，使A形成时因体积变化产生的晶格畸变大为减少，而减小M形成时的切变阻力，导致Ms↑。（前者作用强，后者作用弱）。

对于接近共析成分的钢和过共析钢：T↑和t↑主要使溶入A中的C及合金元素↑，导致Ms↓。对于含C量较低的亚共析钢，通常加热到Ac3使其完全A化。因此随T↑和t↑，一般对Ms点影响不大或提高几度到十几度。第五十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五4）应力和变形对Ms的影响1.应力的影响多向压应力会阻止M形成，使Ms↓（阻碍M转变时的体膨胀），拉应力或单向压应力有利于M形成而使Ms↑，真空淬火将使Ms↑。2.形变的影响●在Ms以上附近进行塑性变形时促使Ms↑，这是因为部分形变能转化为M相变驱动力。●在Ms～Mf进行塑性变形时促使马氏体转变量M%↑，并随着变形量↑，M%↑。●当温度超过Md进行形变就不能产生M，这个温度界限称为Md点。生产应用这一现象进行形变强化处理，在Ms点以上将A形变增加A中位错，使K沿位错沉淀析出，固溶体中C、合金元素含量降低，而Ms↑。第五十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五

八.Ms点在生产中具有重要意义：Ms点是钢的一个重要的性能指标，对指导生产有着重要意义。1.双液淬火时转入油冷的温度，以及分级淬火的分级温度均在Ms点以上或附近。2.要获得较高韧性的M，则应使Ms↗，如中碳钢采用快速加热淬火。3.对于要求在A状态下工作的钢（如奥氏体不锈钢、高锰耐磨钢），应使Ms低于室温。4.通过热处理工艺控制M