材料科学基础（相变）课件

耿林哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学基础（材料相变原理）耿林材料科学基础1第4章马氏体转变钢经过奥氏体化后，快速冷却到珠光体转变温度以下，不发生珠光体转变，在较低的温度下发生非扩散型相变，称为马氏体相变。马氏体相变是钢中最主要的相变，是钢热处理强化的重要手段。凡相变的基本特征属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。本章主要内容包括：马氏体的晶体结构、组织形态、转变特点、转变机理、热力学、动力学、强化机理和性能特点。第4章马氏体转变钢经过奥氏体化后，快速冷却到珠光体转变温度2第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：奥氏体是面心立方晶体结构，其正八面体间隙尺寸较大，因此碳原子占据奥氏体中的正八面体间隙所产生的畸变能较小，因此奥氏体对碳原子的溶解度较高，在1148℃时可以达到2.11％。所以在奥氏体状态下，钢中的碳可以全部溶入奥氏体，形成稳定固溶体。间隙半径是原子半径的0.414倍第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点3第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：铁素体是体心立方晶体结构，其八面体间隙尺寸在一个方向上较小，导致碳原子占据铁素体中扁八面体间隙时，产生较大的极性畸变能，因此铁素体对碳原子的溶解度较低，在727℃时可以达到0.0218％。所以在铁素体状态下，钢中大多数碳不能溶入铁素体，否则将形成不稳定的过饱和固溶体。间隙半径是原子半径的0.154倍第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点4第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：马氏体转变是在较低的温度进行的，转变时铁原子和碳原子都不能扩散，铁原子从奥氏体的面心立方晶格相铁素体的体心立方晶格的转变是依靠非扩散的共格切变来完成，但碳原子不能从铁原子的晶格中扩散出去，而被过饱和地固溶在铁素体中，形成了过饱和的α-Fe固溶体，这就是马氏体。从上面分析看出，马氏体应该是具有体心立方晶体结构，但实际上马氏体的晶体结构是体心正方。第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点5第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：马氏体体心立方晶体的八面体间隙可以分成三组，每一组中的间隙位置加入碳原子后，都使一个方向的晶格参数被拉长。如果80％的碳原子都占据三组中的一组，则体心立方点阵的一个轴被拉长，称为体心正方晶体。这就是马氏体是体心正方结构的原因。XYZ第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点6第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构二、马氏体的点阵常数与碳含量的关系：既然马氏体的体心正方结构是由于碳原子的特殊分布造成的，体心正方结构的c轴一定大于a轴和b轴。c轴和a轴晶格常数之比为马氏体的正方度(c/a)。随碳含量提高，马氏体的点阵常数中c线性增大，a线性降低，c/a线性增大。一般来说，碳含量低于0.25%的板条马氏体的正方度接近1，为体心立方结构。合金元素对马氏体的正方度几乎没有影响。马氏体的点阵常数与碳含量的关系第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构二、马氏体的点7第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构三、新生马氏体的异常正方度：一些新生马氏体的正方度与碳含量的关系不符合理论计算结果。有的与计算结果相比非常低，称为异常低正方度，其原因可能是碳原子在三个亚点阵中无序分布，导致abc各不相等，形成正交点阵。有的与计算结果相比非常高，称为异常高正方度，其原因可能是碳原子全部占据某一个亚点阵，这时a＝b，形成正方点阵。四、马氏体中的点阵畸变：马氏体中的八面体间隙是扁八面体间隙，间隙半径只有0.019nm，而碳原子半径为0.077nm。所以碳原子溶入后使铁原子间隙短轴方向间距拉长36％，另外两个方向收缩4％，并产生非常严重的非对称畸变，称为畸变偶极，形成强烈的应力场。第4章马氏体转变4.1钢中马氏体的晶体结构三、新生马氏体8第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点一、切变共格和表面浮凸现象：奥氏体向马氏体晶体结构的转变是靠切变进行的，由于切变使相界面始终保持共格关系，因此称为切变共格。由于切变导致在抛光试样表面在马氏体相变之后产生凸起，即表面浮凸现象。二、马氏体转变的无扩散性：原子不发生扩散，但发生集体运动，原子间相对运动距离不超过一个原子间距，原子相邻关系不变。转变过程不发生成分变化，但却发生了晶体结构的变化。转变温度很低，但转变速度极快。第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点一、切变共格和9第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点三、具有一定的位向关系和惯习面：位向关系：K-S关系：{111}γ//{011}α’，<101>γ//<111>α’，可有24种取向西山关系：{111}γ//{011}α’，<211>γ//<110>α’，可有12种取向惯习面：随碳含量提高和转变温度降低:(111)γ,(225)γ,(259)γ第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点三、具有一定的10第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点四、马氏体转变是在一个温度范围内完成的：马氏体转变是奥氏体冷却的某一温度时才开始的，这一温度称为马氏体转变开始温度，简称Ms点。马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下才能使转变继续进行，如冷却中断，则转变立即停止。当冷却到某一温度时，马氏体转变基本完成，转变不再进行，这一温度称为马氏体转变结束温度，简称Mf点。从以上分析可以看出，马氏体转变需要在一个温度范围内连续冷却才能完成。如果Mf点低于室温，则冷却到室温时，将仍保留一定数量的未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点四、马氏体转变11第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点五、马氏体转变的可逆性：在某些合金中，奥氏体冷却转变为马氏体后，重新加热时，已经形成的马氏体又可以通过逆向马氏体转变机构转变为奥氏体。这就是马氏体转变的可逆性。将马氏体直接向奥氏体转变的称为逆转变。逆转变开始温度为As点，终了温度为Af点。Fe-C合金很难发生马氏体逆转变，因为马氏体加热尚未达到As点时，马氏体就发生了分解，析出碳化物，因此得不到马氏体逆转变。最基本特点：共格切变，无扩散性第4章马氏体转变4.2马氏体相变的主要特点五、马氏体转变12第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态一、板条状马氏体：在一个原奥氏体晶粒内部有几个（3－5个）马氏体板条束，板条束间取向随意；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体板条，板条间是小角晶界。马氏体板条内存在大量的位错，所以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。板条状马氏体也称为位错型马氏体。板条马氏体是低、中碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态一、板条状马氏13第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态二、片状马氏体：在一个原奥氏体晶粒内部有许多相互有一定角度的马氏体片。马氏体片的空间形态为双凸透镜状，横截面为针状或竹叶状。在原奥氏体晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，以后陆续形成的马氏体片越来越小，所以马氏体片的尺寸取决于原始奥氏体晶粒的尺寸。片状马氏体是中、高碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：片状马氏体的形成温度较低，在马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。片状马氏体的内部亚结构主要是孪晶。当碳含量较高时，在马氏体片中可以看到中脊，中脊面是密度很高的微孪晶区。由于马氏体片形成时的相互撞击，马氏体片中存在大量的纤维裂纹。第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态二、片状马氏体14第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态三、板条状马氏体和片状马氏体的比较：特征板条状马氏体片状马氏体碳含量<0.3%1.0%－1.4%1.4%－2.0%形成温度Ms>350℃Ms≈100－200℃Ms<100℃惯习面(111)γ(225)γ(259)γ位向关系K-S关系－西山关系K-S关系西山关系亚结构位错孪晶其它马氏体形态：蝶状马氏体，薄片状马氏体，ε’马氏体第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态三、板条状马氏15第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态四、影响马氏体形态的因素：马氏体点形态主要取决于马氏体的形成温度，而马氏体的形成温度有主要取决于马氏体中碳和合金元素含量。随马氏体中碳含量的提高，马氏体形成温度降低，板条马氏体数量相对减少，片状马氏体数量相对增多。除Co和Al外，合金元素都使马氏体形成温度降低，促进片状马氏体的形成。当碳含量低于0.2%时，奥氏体几乎全部形成板条马氏体；当碳含量高于1.0%时，奥氏体几乎全部形成片状马氏体；当碳含量在0.2%和1.0%之间时，奥氏体则形成板条马氏体和片状马氏体的混合组织。碳含量对马氏体形态的影响第4章马氏体转变4.3钢中马氏体的组织形态四、影响马氏体16第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件一、相变驱动力：过冷奥氏体转变为马氏体有两个必要条件：第一是必须快冷，避免珠光体转变发生；第二必须深冷，到马氏体开始转变温度以下，马氏体转变才能发生。第一个条件从过冷奥氏体转变曲线的临界冷却速度内容中可以完全理解；第二个条件如何理解？为什么马氏体转变需要非常大的过冷度？马氏体转变的驱动力是在转变温度下奥氏体与马氏体的自由能差，而转变阻力是界面能和界面弹性应变能。马氏体相变新相与母相完全共格，同时体积效应很大，因此界面弹性应变能很大。为了克服这一相变阻力，驱动力必须足够大。因此马氏体相变必须有很大的过冷度。马氏体和奥氏体的自由能与温度的关系第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件一、相变驱动17第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件二、Ms点的定义及物理意义：Ms点的定义：马氏体转变的开始温度。Ms点的物理意义：在这个温度下奥氏体与马氏体的自由能差达到了相变阻力要求的能量，相变可以发生。三、Md点的定义：Md点的定义：可获得形变马氏体的最高温度。Ad点的定义：可获得形变奥氏体的最低温度。在Ms点以上Md点以下对奥氏体进行塑性变形，可诱发马氏体转变。因形变诱发马氏体转变而形成的马氏体，称为形变马氏体。AsAfMsMfMdT0温度Ad第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件二、Ms点的18第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件四、影响Ms点的主要因素：碳含量增加，马氏体转变切变阻力提高，Ms点降低，Mf点也降低，同时扩大了Ms－Mf温度范围。除Al和Co外，其它合金元素的加入，一方面降低了T0，另一方面强化了奥氏体，使Ms点下降。1化学成分对Ms点的影响在Md－Ms温度范围内对奥氏体进行塑性变形，可诱发马氏体相变，相当于提高了Ms点。在Ms－Mf温度范围内对奥氏体进行塑性变形，可促进马氏体相变，增加马氏体转变量。由于马氏体相变体积膨胀，外加拉应力提高Ms点，外加三向压应力使Ms点降低。2变形与应力对Ms点的影响第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件四、影响Ms19第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件四、影响Ms点的主要因素：一方面，随奥氏体化温度提高和保温时间延长，有利于碳和合金元素充分溶入奥氏体中，使Ms点降低。另一方面，随奥氏体化温度提高和保温时间延长，奥氏体晶粒长大，晶体缺陷减少，相变切变阻力减小，使Ms点升高。3奥氏体化条件对Ms点的影响在高速淬火时，随淬火速度提高，Ms点上升。可用“C原子气团”的形成和大小进行解释。4淬火速度对Ms点的影响外加磁场使Ms点上升。磁场使铁磁性马氏体稳定，自由能降低。5磁场对Ms点的影响第4章马氏体转变4.4马氏体转变的热力学条件四、影响Ms20第4章马氏体转变4.5马氏体转变动力学一、碳钢和低合金钢中的马氏体降温转变：奥氏体快冷至Ms点以下时，立即生成一批马氏体，不需要孕育期。温度继续下降，又出现第二批马氏体，而先形成的马氏体不再长大，直至Mf温度转变结束。马氏体形核及长大速度极快，瞬间形核，瞬间长大。马氏体转变量是温度的函数，取决于冷却达到的温度，与在某一温度停留时间无关。如果Mf点低于室温，则淬火到室温将保留一定数量的未转变奥氏体，称为残余奥氏体，从室温继续深冷，使残余奥氏体继续转变为马氏体，这种低温处理为冷处理。马氏体转变导致体积膨胀，使剩余的奥氏体受到压应力，发生塑性变形，产生强化，继续转变为马氏体的阻力增大。因此在某一温度马氏体转变结束后，要继续转变，必须继续降温，提供更大的相变驱动力。这就是马氏体转变一般为降温转变的原因。第4章马氏体转变4.5马氏体转变动力学一、碳钢和低合金钢21第4章马氏体转变4.5马氏体转变动力学二、Fe-Ni合金中的爆发式转变：Ms点低于0℃的Fe-Ni合金冷却到0℃以下的某一温度（Mb）时，马氏体相变突然发生，并伴有声响，放出相变潜热。随Ni含量增加，爆发转变温度下降，爆发转变量提高，后续降温转变速度下降；当Ni含量特别高时，爆发转变量急剧下降。三、等温转变和表面转变：Ms点低于0℃的Fe-Ni-Mn合金在低温下可以发生等温转变，转变动力学呈“C”曲线特征，形核需要孕育期，长大速度很快。Ms点略低于0℃的Fe-Ni-C合金在0℃放置时，试样表面会发生马氏体转变。这种在稍高于合金Ms点温度下试样表层发生的马氏体转变称为马氏体表面转变，得到的马氏体为表面马氏体。表面应力状态导致。第4章马氏体转变4.5马氏体转变动力学二、Fe-Ni合金22第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理一、马氏体形核：非均匀形核以晶体缺陷和内表面等为核心形成马氏体核胚。面心立方密排面层错出现密排六方单元而成为马氏体核胚。γ→ε→α’自促发形核已经生成的马氏体能促发未转变母相的形核，称为自促发形核。一个原奥氏体晶粒内部往往在某一处形成几片马氏体。晶界不是马氏体形核部位，等温转变主要是自促发形核。第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理一、马氏体形核：非均23第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变模型：贝茵模型把面心立方看成体心正方，轴比为1.414。转变过程中，c轴缩短，a轴拉长，原子相对位移很小。界面基本符合K-S关系，但不能解释切变和惯习面等相变特征。第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变24第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变模型：K-S切变模型在(111)γ面上，沿[-211]

γ方向第一次切变，切变角为19º28’，相邻两层原子的移动距离为1/12r[-211]。第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变25第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变模型：K-S切变模型(2)在(11-2)γ面上，沿[1-10]

γ方向，产生10º32’的第二次切变。K-S切变模型：切变模型清楚，位向关系正确，但只能解释(111)γ为惯习面的相变。第4章马氏体转变4.6马氏体转变机理二、马氏体转变的切变26第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和强度：马氏体的主要特性是高硬度和高强度。马氏体的硬度随碳含量的增加而升高，当碳含量达到0.6%时，由于残余奥氏体量增加，钢的硬度不再增加。合金元素对马氏体的硬度影响不大。马氏体高强度的主要原因包括相变强化、固溶强化和时效强化。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和27第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和强度：马氏体的强化机理：(1)相变强化切变相变导致马氏体内部产生大量位错、孪晶、层错等晶体缺陷，使马氏体强化。(2)固溶强化碳原子位于马氏体扁八面体中心，形成以碳原子为中心的畸变偶极应力场，将与位错产生强烈的交互作用，使马氏体强化。碳含量高于0.4%后，碳原子之间距离太近，畸变偶极应力场相互抵消，强化效果减弱。置换式固溶体的合金元素对马氏体强化效果较小。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和28第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和强度：马氏体的强化机理：(1)相变强化切变相变导致马氏体内部产生大量位错、孪晶、层错等晶体缺陷，使马氏体强化。(2)固溶强化碳原子位于马氏体扁八面体中心，形成以碳原子为中心的畸变偶极应力场，将与位错产生强烈的交互作用，使马氏体强化。碳含量高于0.4%后，碳原子之间距离太近，畸变偶极应力场相互抵消，强化效果减弱。置换式固溶体的合金元素对马氏体强化效果较小。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和29第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和强度：马氏体的强化机理：(3)时效强化在相变冷却过程或马氏体转变完成后，碳原子发生偏聚的现象称为自回火。这种由碳原子扩散偏聚钉扎位错引起的使马氏体强化称为时效强化。(4)变形强化马氏体本身比较软，但在外力作用下因塑性变形而急剧加工硬化，所以马氏体的变形强化指数很大，加工硬化率高。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和30第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和强度：马氏体的强化机理：(5)孪晶对马氏体强度的贡献当碳含量大于0.3％后，孪晶亚结构逐渐增多，孪晶对马氏体强度产生贡献。(6)原始奥氏体晶粒和板条马氏体束尺寸的影响原始奥氏体晶粒越小，板条马氏体束越小，马氏体强度越高。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能一、马氏体的硬度和31第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能二、马氏体的韧性：在屈服强度相同的条件下，位错型马氏体比孪晶型马氏体具有较高的韧性。孪晶型马氏体韧性较低的原因：回火时，碳化物沿孪晶面析出呈不均匀分布，或碳原子在孪晶界偏聚。在强化马氏体的同时，使其亚结构保持位错型，是实现马氏体强韧化的重要途径。位错型马氏体同时还具有脆性转变温度低。缺口敏感性低等优点。第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能二、马氏体的韧性：32第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能三、马氏体的相变塑性：金属及合金在相变过程中塑性增大，往往在低于母相屈服强度的条件下即发生了塑性变形，这种现象称为相变塑性。马氏体相变过程中发生的相变塑性称为马氏体相变塑性。变形温度应该在可以形变诱发马氏体相变温度以下。塑性变形引起的局部应力集中可以由马氏体相变二得到松弛，因而可防止微裂纹的形成。在发生塑性变形的区域，将有马氏体的形成。随马氏体量的增多，变形强化指数增大，使已发生塑性变形的区域继续发生变形困难，抑制径缩的产生。相变诱发塑性钢：Md>20℃>Ms第4章马氏体转变4.7马氏体的机械性能三、马氏体的相变塑33第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化一、奥氏体的热稳定化：奥氏体冷却过程中，因在某一温度停留，使未转变的奥氏体变得更加稳定，如继续冷却，奥氏体向马氏体的转变并不立即开始，而使经过一段时间才能恢复，且转变量比连续冷却转变量小。这种因等温停留引起奥氏体稳定性提高，马氏体转变迟滞的现象称为奥氏体的热稳定化。滞后温度间隔：θ少形成的马氏体量：δ影响因素：等温停留温度，已转变马氏体量，等温停留时间，碳含量及合金元素。反稳定化：高于TA。奥氏体在外界条件影响下，内部结构发生了某些变化，使其向马氏体转变呈现滞后的现象。第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化一、奥氏体的热稳定化34第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化一、奥氏体的热稳定化：产生奥氏体热稳定化的等温温度有一个临界值Mc，只有在低于Mc温度等温，才会引起奥氏体的热稳定化。机理：碳、氮原子向点阵缺陷出偏聚，钉扎位错，奥氏体强化，切变阻力增大。滞后温度间隔：提供附加化学驱动力，克服钉扎阻力。反稳定化：温度过高。溶质原子扩散离去。在Mc温度以下某一温度停留时间越长或在相同停留时间条件下的停留温度越低，奥氏体稳定化程度越大。第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化一、奥氏体的热稳定化35第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化二、奥氏体的机械稳定化：在Ms点以上温度对奥氏体进行塑性变形，可以诱发马氏体相变，叫做形变诱发马氏体相变。但当变形温度高于某一临界值时，诱发作用消失，这一温度称为形变马氏体上限温度，用Md表示。因此，形变诱发马氏体相变的温度范围是Ms与Md之间的温度。在Md点以上温度对奥氏体进行塑性变形时，不仅不能诱发马氏体相变，还使随后马氏体转变发生困难，降低Ms点，增加残余奥氏体，这种现象为奥氏体机械稳定化。变形量较小时，内部应力集中有利于马氏体形核。变形量较大时，点阵畸变严重，大量晶体缺陷会破坏母相与新相的界面共格关系，马氏体转变困难。第4章马氏体转变4.8奥氏体的稳定化二、奥氏体的机械稳定36第4章马氏体转变4.9马氏体逆转变和形状记忆效应一、马氏体的逆转变：当Ms与As差别