第十七章 马氏体课件

1、凝固理论与固态相变 Solidification Theory and Phase Transformations in Solids,第十七章 马氏体转变,前 言,马氏体转变是由钢奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散型分解，在低温下进行的无扩散型相变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段，产生马氏体组织的热处理工艺称为淬火。因此马氏体转变的理论研究与热处理生产实践有密切的关系。,前 言,由于钢的成分和热处理条件不同，所获得的马氏体的形态和亚结构也不相同，继而对钢件的组织和力学性能产生不同的影响。通过对马氏体形成规律的了解，才能正确地指导热处理生产实践，充分发挥钢材的潜力。,前 言,马氏体原先只是指

2、钢加热到奥氏体区淬火后得到的组织，但现在马氏体的含义非常广泛，凡是基本特征属于切变共格型的相变均称为马氏体相变，其相变产物都称为马氏体。 马氏体相变在固体材料中很常见，不仅是金属材料，在陶瓷材料中也发现了马氏体相变。,第一节 钢中马氏体的晶体结构,第一节 钢中马氏体的晶体结构,一、马氏体的定义,马氏体组织,碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。 -Fe的最大含碳量：0.0218%（727时）。 马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,第一节 钢中马氏体的晶体结构,二、马氏体的点阵结构及其畸变,下为0.006%），而钢中马氏体的含碳量远远超过此值。C溶入-Fe中的扁八面体间隙后，

3、力图使其变为正八面体间隙，所以引起点阵畸变。,在平衡状态下，碳在-Fe中的固溶度极小（室温,第一节 钢中马氏体的晶体结构,结果使短轴方向的Fe间距伸长36%），而另两个方向缩短4%，从而使体心立方变为体心正方点阵。,由间隙碳原子造成的这种非对称畸变称为畸变偶极，可将其视为一个强烈的应力场，C原子就在这个应力场的中心。,马氏体具有体心正方晶格（a=bc） 轴比c/a 称马氏体的正方度。 C% 越高，正方度越大，畸变越严重。 当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,第一节 钢中马氏体的晶体结构,第一节 钢中马氏体的晶体结构,三、马氏体的点阵常数与含碳量的关系,通过X射线衍射分析测

4、定室温下不同碳含量的,马氏体的点阵常数，得出a、c及正方度c/a与碳含量呈线性关系，如右图所示。其中a为奥氏体的点阵常数。,第一节 钢中马氏体的晶体结构,上述关系可用下列公式来表示：,式中，a0=2.0861，-Fe的点阵常数；=0.116；=0.013；=0.046；马氏体的含碳量（wt%）,第一节 钢中马氏体的晶体结构,具有反常轴比的马氏体,低温X射线研究Ms点在室温以下的高碳钢以及Fe-Mn-C合金中形成的马氏体，轴比小于aM的正常轴比，加热到室温以上，轴比又增大。 原因：碳原子除了占据八面体间隙外，还占据了一部分四面体间隙位置。,第二节 马氏体转变的特点,第二节 马氏体转变的特点,马氏

5、体转变是在低温下进行的一种相变，对于钢来说，不仅铁原子及其它置换原子不能扩散，而且间隙的碳原子也较难以扩散（只有短距离的移动），故马氏体转变具有一系列不同于扩散型相变的特点。,第二节 马氏体转变的特点,一、切变共格与表面浮凸现象,马氏体转变时，在预先抛光的试样表面产生倾动，出现浮凸现象，这表明转变是以切变机制进行。中已转变为M部分发生切变而使点阵重组，且一边凹陷，一边突起，带动界面附近的未转变随之发生弹塑性应变。,马氏体转变切变示意图,马氏体转变产生的表面浮凸,第二节 马氏体转变的特点,马氏体形成时引起的表面倾动,第二节 马氏体转变的特点,若相变前在试样抛光面上刻一直线划痕STR，则相变后产生

6、浮凸使其变为折线STTR，在显微镜光线照射下，浮凸两边呈现明显的山阴和山阳。故马氏体的形成是通过切变方式来进行的，马氏体和奥氏体界面的原子是二者共有的，而整个相界面是相互牵制的。,第二节 马氏体转变的特点,这种界面称为切变共格界面，即通过母相的切变来维持共格关系的，也称第二类共格界面。 在具有共格界面的新旧两相中，原子位置有对应关系，新相长大时，原子只作有规则的迁动而不改变共格状态。,第二节 马氏体转变的特点,马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图,第二节 马氏体转变的特点,晶格切变过程示意动画,第二节 马氏体转变的特点,二、无扩散性,马氏体组织,从观察到的马氏体相变时所出现的均匀切变现象，可以设

7、想相变过程原子是集体运动的，原来相邻的原子仍保持相邻，它们之间的相对位移不超过一个原子间距，即马氏体是在基本不发生扩散的情况下形成的。,第二节 马氏体转变的特点,无扩散的实验证据,钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵通过切变转变为体心立方（体心正方）点阵，而无成分的变化； 马氏体相变可以在相当低的温度（甚至4K）范围内以极快的速度进行，在这样低的温度下，原子扩散的速度极小，相变已不可能以扩散的方式进行。,三、具有特定的位向关系,第二节 马氏体转变的特点,通过均匀切变而形成的马氏体与母相奥氏体之间存在严格的位向关系。在关系钢中已经发现的位向有K-S关系、西山关系、G-T关系等。,第二节 马

8、氏体转变的特点,1、K-S关系,和Sachs采用X射线极图法测出了1.4%C钢中马氏体（）与奥氏体（）存在下列的位向关系，即K-S关系： 110111； ,第二节 马氏体转变的特点,按照K-S关系，马氏体在奥氏体中可以有24种不同取向。如图，在每个111晶面上马氏体有6种不同取向，而立方点阵共有4种111晶面，因此共有24种马氏体取向。,第二节 马氏体转变的特点,2、西山关系,西山（Nishiyama ）在30%的Fe-Ni合金单晶中发现，在室温以上温度形成的马氏体与奥氏体之间存在K-S关系，而在-70以下形成的马氏体则存在下列关系： 111 110； 按照西山关系，在每个111晶面上马氏体只

9、有3种不同取向，因此共有12种马氏体取向。,第二节 马氏体转变的特点,西山关系与K-S关系比较，晶面平行关系相同，而平行方向却有516之差。,第二节 马氏体转变的特点,3、G-T关系,Greniger和Troiano精确地测量了Fe-0.8%C-22%Ni合金的奥氏体单晶中马氏体的位向，结果发现K-S关系中的平行晶面、晶向与实际略有误差： 111 110 差1； 差2 。,四、惯习面,第二节 马氏体转变的特点,马氏体相变不仅新相与母相之间存在严格的位向关系，而且马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的。这个晶面被称之为惯习面。通常以母相的晶面指数来表示 随着马氏体形成温度的降低，惯习面有向高指数变

10、化的趋势 。所以，同一成分的钢在不同条件下可能出现2种惯习面的马氏体。,第二节 马氏体转变的特点,五、相变发生在一个温度范围内降温形成,马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。 马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示. 只有温度达到Ms以下才能发生马氏体转变。 在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断,转变停止，即转变量是温度的函数，与时间无关。,第二节 马氏体转变的特点,第二节 马氏体转变的特点,六、 转变不彻底,即使冷却到Mf 点，也不能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。,马氏体转变量与转变温度的关系,第二节 马氏体转变的

11、特点,若Ms点低于室温，则淬火到室温将得到100%的奥氏体； 若Ms在室温之上而Mf点低于室温，则淬火到室温将得到相当数量的 ;继续冷却至室温以下，则将继续转变为M，这种工艺称冷处理。,第二节 马氏体转变的特点,Ms、Mf 主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。 马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量才显著。,含 碳 量 对 马 氏体转 变 温 度 的 影响,含碳 量对残余奥氏体 量的影响,第二节 马氏体转变的特点,七、高速形成 马氏体形成速度极快（声速），瞬间形核，瞬间长大。 当一片马氏体形成时，,Great grow speed inner stre

12、ss micro-crack,撞击已形成的马氏体使后者产生裂纹。,第二节 马氏体转变的特点,八、 转变可逆性,冷却时，奥氏体可以通过马氏体相变机制转变为马氏体；同样，加热时，马氏体可以通过逆向马氏体相变机制转变为奥氏体。因此，马氏体相变具有可逆性。,第二节 马氏体转变的特点,通常， As比Ms高，两者之差视合金成分而异。如Au-Cd、Ag-Cd合金的As与Ms之差较小，仅2050，而Fe-Ni合金的As与Ms之差很大，大于400。,逆相变与马氏体相变具有相同的特点。与冷却时的Ms和Mf相对应，逆相变也有相变开始点As和相变终了点Af 。,第二节 马氏体转变的特点,综上所述，马氏体相变区别于其它

13、相变最基本的特点只有两个： 相变以切变共格的方式进行； 相变的无扩散性 。 其它特点均为由上述两个基本特点派生出来。,第二节 马氏体转变的特点,马氏体组织,第三节 马氏体相变热力学,第三节 马氏体相变热力学,马氏体相变也符合一般的相变规律，遵循相变的热力学条件。马氏体相变的驱动力是新相（）与母相（）的化学自由能之差：,一、马氏体相变热力学条件,1、相变驱动力,第三节 马氏体相变热力学,相同成分的马氏体与奥氏体的化学自由能和温度的关系如右图，T0为两相热力学平衡温度（G=0），显然马氏体相变开始点Ms必须在T0之下才能使 G0，即由过冷提供相变驱动力。,第三节 马氏体相变热力学,2、相变阻力,马

14、氏体相变的阻力也是新相形成时的界面能G界及应变能G弹，由于 与之间存在共格界面，所以G界很小，而G弹很大，是马氏体相变主要的阻力。 由于马氏体相变是通过切变方式进行的，需要克服切变阻力使母相点阵结构发生改组，为此需要消耗能量。,转变所形成的晶粒内存在大量的位错、孪晶等晶体缺陷，导致系统的能量升高。 周围的奥氏体还将产生塑性变形，也需要消耗能量。 上述几点都使马氏体相变的阻力增大，尽管非均匀形核母相的晶体缺陷可提供一定的能量，但总体上仍然需要存在较大的新、旧两相自由能差方能使相变得以进行。,第三节 马氏体相变热力学,第三节 马氏体相变热力学,3、Ms点的物理意义,Ms点的物理意义即为奥氏体和马氏

15、体两相自由能之差达到相变所需最小驱动力之值时的温度。 显然，T0点一定，若Ms点越低，则相变所需的驱动力就越大，所以马氏体相变驱动力G与(T0-Ms)成正比： G= S(T0-Ms) 式中S为相变时的熵变。,T0、Ms、As与合金成分的关系,第三节 马氏体相变热力学,As点的定义与Ms类似，为马氏体和奥氏体两相自由能之差达到逆相变所需最小驱动力之值时的温,度。并且逆相变驱动力G 的大小与(As-T0)成正比。T0、Ms和As与合金成分（碳含量、合金元素含量）的关系如右图，它们都是浓度的函数。,第三节 马氏体相变热力学, 相变在MsMf之间进行， 相变在AsAf之间进行。实验证明， Ms与As之

16、间的温差可因引入塑性变形而减小，即对奥氏体进行塑性变形会诱发马氏体相变而使Ms上升到Md点。同样，塑性变形也会使As点下降到Ad点。 Md和Ad分别叫形变诱发马氏体相变开始点和形变诱发奥氏体开始点。显然，按马氏体相变的热力学条件， Md 点的上限温度为T0，而Ad点的下限温度亦为T0。,第四节 马氏体转变机制理论简介,第四节 马氏体转变机制理论简介,马氏体相变仍然是形核与长大的过程，目前关于马氏体形核与长大的理论尚不成熟，仍处于假设阶段，本节摘其主要理论予以介绍。,一、马氏体转变成核理论,1、经典成核理论,根据马氏体相变也是成核与长大的事实，人们开始尝试以经典的相变成核理论来阐述其形核机制。马

17、氏体相变被看作单元系的同素异构转变。,第四节 马氏体转变机制理论简介,设马氏体核胚呈凸透镜状，且其直径2r远大于厚度2c。则核胚形成时体系的自由能变化值为：,式中，g单位体积新、母相自由能差； 单位面积表面能； Ac/r单位体积畸变能。,第四节 马氏体转变机制理论简介,由此求出临界核胚尺寸为：,形成临界核胚所需的激活能为：,按经典理论计算的马氏体的长大激活能为2510 4184J/mol，但实际马氏体长大的激活能几乎为零，因此经典理论可能对马氏体转变是不适用的。,第四节 马氏体转变机制理论简介,2马氏体成核的位错理论,金相观察证实，在合金中马氏体的成核是很不均匀的，有利于成核的位置是那些结构上

18、的缺陷区马氏体成核的位错理论。说明马氏体核胚的结构主要在于说明 与是如何构成共格界面的。,第四节 马氏体转变机制理论简介,当奥氏体与马氏体之间满足K-S关系且惯习面为225时，应有（111）（110） 。但钢中的奥氏体的111与马氏体 110 并不完全平行，二者的晶面间距相差0.52%。 Frank于1953年提出：为了实现完全的共格，相变时通过适当的弹塑性变形来调整，两相的界面结构为每隔6个原子面（110或111）有一个柏氏矢量为a/2的螺型位错。,第四节 马氏体转变机制理论简介,按照上述界面结构设想，Knapp和Dehinger建立了著名的马氏体核胚K-D模型，马氏体核胚为薄扁圆片，其周围

19、由一系列的位错圈所组成，位错圈的扩张就使核胚长大。,第四节 马氏体转变机制理论简介,二、马氏体转变的切变模型,1Bain畸变机制（1924年） 在奥氏体的fcc晶体结构中存在一个轴比（c/a）为1.414）的bct点阵。原奥氏体的c轴如果适当缩短，a轴相应增长，就会使轴比接近1.05（含碳1%碳钢的马氏体）。,第四节 马氏体转变机制理论简介,面心立方点阵转变为体心立方点阵的Bain模型,第四节 马氏体转变机制理论简介,按Bain模型马氏体和奥氏体晶面重合，符合K-S关系,第四节 马氏体转变机制理论简介,Bain机制 解决的问题：,碳原子所在的奥氏体八面体间隙位置，转变后被马氏体继承； 晶格改建

20、过程中原子位置不变； 每个原子只进行小距离的位移。,第四节 马氏体转变机制理论简介,Bain机制的缺点：,晶格变形量超过弹性变形范围； 惯习面是100，与马氏体的实际惯习面不符； 不能解释马氏体相变过程中的浮凸现象。,第四节 马氏体转变机制理论简介,A,A,B,C,2、KS切变机制,第四节 马氏体转变机制理论简介,切变过程 在 晶面沿 方向产生第一次切变，B层原子移动了 ，切变角为1918； 第二次切变在 面上（垂直于 ），沿 最后作些小调整，使晶面间距与实验结果相符。,方向产生1030的切变；,第四节 马氏体转变机制理论简介,KS模型主切变机制和碳原子位置示意图,C,C,A,z,x,y,B,

21、B,1928,第四节 马氏体转变机制理论简介,KS切变机制的优点,原子集体地沿一定方向产生小量位移，小于一个原子间距，意味着马氏体转变不需要热激活 ； 转变前后，各原子相对位置不变； 新旧相连续过渡，有惯习面。,第四节 马氏体转变机制理论简介,KS切变机制的缺点,按K-S切变机制马氏体的惯习面是111，而实际上除了低碳钢外，其它钢的惯习面是225。原因不清楚。,第四节 马氏体转变机制理论简介,第五节 马氏体的性能,第五节 马氏体的性能,一、马氏体的强度与硬度 马氏体是同一成分钢的所用组织中最硬、最强的组织，高硬度是钢中马氏体的主要特点之一（在非铁合金中马氏体并无此特点）。马氏体的硬度主要决定于碳含量，合金元素的影响不大。一般是含碳量越高，马氏体的硬度越高。,马氏体的硬度随含碳量的增加而增加，马氏体的强度随碳含量的增加而增加。碳含量增至0.6%以上，硬度不再增加，这与钢中残余奥氏体的量增多有关。 碳含量相同时，板条马氏体的强度高于