第五章 馬氏體轉變

1、第五章馬氏體轉變 M M轉變的晶體學轉變的晶體學 M M的組織形態(tài)的組織形態(tài)* * M M轉變的特點轉變的特點* * M M轉變熱力學、動力學轉變熱力學、動力學* * M M轉變機制轉變機制 M M的性能與影響因素的性能與影響因素* *本章主要內容本章主要內容 馬氏體的形成溫度較低，使得碳原子難以擴散馬氏體的形成溫度較低，使得碳原子難以擴散，它是，它是由過冷奧氏體按無擴散型轉變機制的轉變產物，馬氏體的由過冷奧氏體按無擴散型轉變機制的轉變產物，馬氏體的含碳量與過冷奧氏體含碳量相等，晶格同于鐵素體的體心含碳量與過冷奧氏體含碳量相等，晶格同于鐵素體的體心立方類似。體心立方晶格的鐵素體在室溫含約立方類

2、似。體心立方晶格的鐵素體在室溫含約0.008%C，對共析鋼馬氏體的晶格內含約對共析鋼馬氏體的晶格內含約0.77%C，為此導致體心立，為此導致體心立方晶格發(fā)生畸變，因此馬氏體是方晶格發(fā)生畸變，因此馬氏體是-Fe的過飽和固溶體的過飽和固溶體，用，用符號符號“M”表示。表示。 馬氏體概述馬氏體概述 M轉變是鋼件熱處理強化的主要手段，是通過轉變是鋼件熱處理強化的主要手段，是通過淬火實現(xiàn)淬火實現(xiàn) 化學成分不同，性能有極大差異化學成分不同，性能有極大差異低碳鋼：低碳鋼：M有較高強度和韌性有較高強度和韌性高碳鋼：硬度很高，塑性韌性極低高碳鋼：硬度很高，塑性韌性極低 性能與組織形態(tài)有密切關系性能與組織形態(tài)有密

3、切關系馬馬 氏氏 體體 概概 述述 當奧氏體獲得極大過冷度冷至當奧氏體獲得極大過冷度冷至Ms以下以下(對于共析鋼為對于共析鋼為230以下以下)時，將轉變成馬氏體類型組織。馬氏體轉變屬于低溫轉變，這個轉時，將轉變成馬氏體類型組織。馬氏體轉變屬于低溫轉變，這個轉變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf，Mf以下時過冷奧氏體停止轉變。以下時過冷奧氏體停止轉變。5.1 5.1 馬氏體的組織與性能馬氏體的組織與性能板條馬氏體板條馬氏體鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體和片狀馬氏體鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體和片狀馬氏體v 板條馬氏體板條馬氏體馬氏體組織形態(tài)馬氏體組織形態(tài)w wc

4、 c在在0.25%0.25%以下時，基本上形成板條狀馬氏體（低碳馬氏體）以下時，基本上形成板條狀馬氏體（低碳馬氏體）鋼中馬氏體根據成分（含碳量）和冷卻條件呈現(xiàn)不同的形態(tài)鋼中馬氏體根據成分（含碳量）和冷卻條件呈現(xiàn)不同的形態(tài) 相互平行的板條構成板條束，一個奧氏體晶粒有幾個（相互平行的板條構成板條束，一個奧氏體晶粒有幾個（3 35 5個）個）板板條束條束 空間形態(tài)為扁條狀，每個板條為一個單晶，空間形態(tài)為扁條狀，每個板條為一個單晶，板條間有薄層殘余奧氏體板條間有薄層殘余奧氏體 板條馬氏體內有高密度的位錯纏結的亞結構，又稱為位錯馬氏體板條馬氏體內有高密度的位錯纏結的亞結構，又稱為位錯馬氏體馬氏體組織形態(tài)

5、馬氏體組織形態(tài)板條馬氏體金相組織照片板條馬氏體金相組織照片馬氏體板條組織結構示意圖馬氏體板條組織結構示意圖片狀馬氏體片狀馬氏體v 片狀馬氏體片狀馬氏體 當當w wc c 1.0%1.0%時，奧氏體幾乎只形時，奧氏體幾乎只形成片狀馬氏體（針狀馬氏體）成片狀馬氏體（針狀馬氏體） 空間形態(tài)為雙透鏡狀空間形態(tài)為雙透鏡狀 光鏡下為竹葉狀或針狀光鏡下為竹葉狀或針狀馬氏體組織形態(tài)馬氏體組織形態(tài)片狀馬氏體內部的亞結構主要是孿晶片狀馬氏體內部的亞結構主要是孿晶( (孿晶馬氏體）孿晶馬氏體）片馬氏體中的孿晶片馬氏體中的孿晶 含碳量很高的片狀馬氏體可看到中脊面，含碳量很高的片狀馬氏體可看到中脊面，中脊面中脊面是高密

6、度的孿晶是高密度的孿晶片馬氏體中的中脊片馬氏體中的中脊馬氏體組織形態(tài)馬氏體組織形態(tài) w wc c在在0.25%0.25%1.0%1.0%之間的奧之間的奧氏體則形成上述兩種馬氏體的氏體則形成上述兩種馬氏體的混合組織混合組織45鋼混合狀馬氏體鋼混合狀馬氏體v 混合狀的馬氏體混合狀的馬氏體 含碳量越高，條狀馬氏體量含碳量越高，條狀馬氏體量越少而片狀馬氏體量越多越少而片狀馬氏體量越多馬氏體組織形態(tài)馬氏體組織形態(tài)0.25%0.25%1.0%1.0%混合狀的馬氏體混合狀的馬氏體wc 1.0%wc 1.0%片狀馬氏體片狀馬氏體wc0.25%wc200200板條馬氏體板條馬氏體 200200片狀馬氏體片狀馬氏

7、體v 馬氏體的硬度和強度馬氏體的硬度和強度馬氏體的硬度主要取決于馬馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，通常情況是氏體的含碳量，通常情況是隨含碳量的增加而升高。隨含碳量的增加而升高。馬氏體的性能馬氏體的性能1 1完全淬火后深冷得到完全馬氏體完全淬火后深冷得到完全馬氏體2 2Ac1Ac1AccmAccm之間淬火（不完全淬火）之間淬火（不完全淬火）未溶的碳化物能提高耐磨性未溶的碳化物能提高耐磨性3 3高于高于Ac3Ac3及及AcmAcm淬火（完全淬火）淬火（完全淬火）盡管馬氏體硬度增加，但隨碳質量分數(shù)增加，殘余奧氏體量增盡管馬氏體硬度增加，但隨碳質量分數(shù)增加，殘余奧氏體量增加，降低了淬火鋼硬度加，

8、降低了淬火鋼硬度馬氏體的性能馬氏體的性能高碳馬氏體具有很高的強度和脆性；高碳馬氏體具有很高的強度和脆性；低碳馬氏體既具有相當?shù)膹姸?，又有良好的韌性低碳馬氏體既具有相當?shù)膹姸?，又有良好的韌性v 馬氏體的硬度和強度馬氏體的硬度和強度馬氏體的高硬度和高強度來源于固溶強化、相變強化、馬氏體的高硬度和高強度來源于固溶強化、相變強化、時效強化、細晶強化時效強化、細晶強化馬氏體的強度主要與原奧氏體晶粒大小、馬氏體板條馬氏體的強度主要與原奧氏體晶粒大小、馬氏體板條束的大小有關束的大小有關馬氏體的性能馬氏體的性能馬氏體的高硬度和高強度來源于固溶強化、相變強化、馬氏體的高硬度和高強度來源于固溶強化、相變強化、時效

9、強化、細晶強化時效強化、細晶強化高強度與硬度的本質高強度與硬度的本質相變強化相變強化：不均勻切變產生大量缺陷（？）：不均勻切變產生大量缺陷（？）固溶強化固溶強化：碳原子溶入形成過飽和固溶體：碳原子溶入形成過飽和固溶體時效強化時效強化( (第二相彌散強化第二相彌散強化) )：形成碳化物：形成碳化物M M形態(tài)和大小形態(tài)和大?。簩\晶和位錯（孿晶高于位錯），原始：孿晶和位錯（孿晶高于位錯），原始A A晶粒和晶粒和M M板條愈細，強度愈高。板條愈細，強度愈高。思考：為什么同為碳的固溶體，思考：為什么同為碳的固溶體，A A中的固溶強中的固溶強化效果遠低于化效果遠低于M M中的固溶效果？中的固溶效果？馬氏體

10、的塑性和韌性主要取決于碳質量分數(shù)和它的亞結構馬氏體的塑性和韌性主要取決于碳質量分數(shù)和它的亞結構可以利用低碳合金鋼淬火后得到較多的殘余奧氏體來提可以利用低碳合金鋼淬火后得到較多的殘余奧氏體來提高材料的塑韌性。高材料的塑韌性。v 馬氏體的塑性和韌性馬氏體的塑性和韌性馬氏體的性能馬氏體的性能 C%C%0.4 0.4 韌性較高韌性較高 C%C%0.40.4，硬而脆，硬而脆馬氏體的韌性主要決定于它的亞結構馬氏體的韌性主要決定于它的亞結構位錯型（板條）位錯型（板條）M具有相當高的強度、硬度和良好的塑性具有相當高的強度、硬度和良好的塑性韌性；孿晶型（片狀）韌性；孿晶型（片狀）M強度硬度高，塑性、韌性很低強度

11、硬度高，塑性、韌性很低v 馬氏體轉變超塑性馬氏體轉變超塑性馬氏體的性能馬氏體的性能v 馬氏體的物理性能馬氏體的物理性能鋼的各種組織中，馬氏體比容最大，奧氏體最小鋼的各種組織中，馬氏體比容最大，奧氏體最小這是淬火時產生淬火應力，導致變形應力的主要原因這是淬火時產生淬火應力，導致變形應力的主要原因相變塑性：低于母相屈服強度下發(fā)生塑性變形相變塑性：低于母相屈服強度下發(fā)生塑性變形在開始轉變點在開始轉變點s s以上加應力，隨應力增加，塑性增大以上加應力，隨應力增加，塑性增大v 高碳馬氏體顯微裂紋高碳馬氏體顯微裂紋馬氏體高速形成時撞擊而成馬氏體高速形成時撞擊而成高碳鋼易開裂的原因高碳鋼易開裂的原因5.2

12、5.2 馬氏體轉變的主要特征馬氏體轉變的主要特征（1 1）馬氏體轉變的非恒溫性）馬氏體轉變的非恒溫性 馬氏體體積分數(shù)的增加靠不斷產生新馬氏體片，而不是原有馬氏體體積分數(shù)的增加靠不斷產生新馬氏體片，而不是原有馬氏體的長大馬氏體的長大 在任一過冷度下，轉變量是有限的，生長速度是極快的在任一過冷度下，轉變量是有限的，生長速度是極快的 轉變量取決于冷卻到達的溫度，與在某溫度的停留時間無關轉變量取決于冷卻到達的溫度，與在某溫度的停留時間無關馬氏體轉變時，新相和母相的點馬氏體轉變時，新相和母相的點陣間保持共格關系，相界面上的陣間保持共格關系，相界面上的原子既屬于馬氏體又屬于奧氏體。原子既屬于馬氏體又屬于奧

13、氏體。這種界面稱為這種界面稱為“切變共格切變共格”界界面面第二類共格界面第二類共格界面轉變以切變的方式完成晶格重構轉變以切變的方式完成晶格重構表面浮凸表面浮凸表面浮凸表面浮凸（2 2）表面浮凸現(xiàn)象和共格性）表面浮凸現(xiàn)象和共格性 （4 4） 共格關系和慣習現(xiàn)象共格關系和慣習現(xiàn)象晶體學特點晶體學特點v 共格關系共格關系v 慣習現(xiàn)象慣習現(xiàn)象 K-SK-S關系關系110)M/ 111 111M /110 西山關系西山關系(N(N關系關系) )110)M/ 111 111M /211 G-TG-T關系關系M新相和母相之間保持切變共格性新相和母相之間保持切變共格性 慣習面慣習面111 225 259馬氏體

14、形成溫度降低馬氏體形成溫度降低5.2 5.2 馬氏體轉變的主要特征馬氏體轉變的主要特征（3 3）無擴散性）無擴散性晶體學特點晶體學特點馬氏體形成極快，遠超過原子擴散速度，故為無擴散型切變。馬氏體形成極快，遠超過原子擴散速度，故為無擴散型切變。馬氏體與奧氏體成分相同馬氏體與奧氏體成分相同5.2 5.2 馬氏體轉變的主要特征馬氏體轉變的主要特征（5 5） 馬氏體轉變的可逆性馬氏體轉變的可逆性馬氏體加熱時，進行無擴散的逆轉變馬氏體加熱時，進行無擴散的逆轉變馬氏體的逆轉變馬氏體的逆轉變（6 6） 轉變不完全轉變不完全 有殘余（留）奧氏體有殘余（留）奧氏體動力學特點動力學特點v 奧氏體的穩(wěn)定化（奧氏體的

15、穩(wěn)定化（p142p142）奧氏體的機械穩(wěn)定化奧氏體的機械穩(wěn)定化 機械強化作用使奧氏體穩(wěn)定化的現(xiàn)象稱為機械強化作用使奧氏體穩(wěn)定化的現(xiàn)象稱為奧氏體的熱穩(wěn)定化奧氏體的熱穩(wěn)定化 奧氏體冷卻過程中，某一溫度停留引起奧氏體穩(wěn)定性提高，使馬氏體奧氏體冷卻過程中，某一溫度停留引起奧氏體穩(wěn)定性提高，使馬氏體轉變遲滯的現(xiàn)象稱為轉變遲滯的現(xiàn)象稱為在奧氏體冷卻轉變?yōu)轳R氏體的過程中，種種原因引起奧氏體在奧氏體冷卻轉變?yōu)轳R氏體的過程中，種種原因引起奧氏體的結構、狀態(tài)、化學成分發(fā)生變化使奧氏體的穩(wěn)定性增加的結構、狀態(tài)、化學成分發(fā)生變化使奧氏體的穩(wěn)定性增加奧氏體的穩(wěn)定化奧氏體的穩(wěn)定化熱穩(wěn)定化機制熱穩(wěn)定化機制C C、N N原子

16、在等溫停留過程中進入位錯形成原子在等溫停留過程中進入位錯形成CottrellCottrell氣團，阻礙氣團，阻礙M M轉變進行，引起轉變進行，引起A A熱穩(wěn)定化。熱穩(wěn)定化。-柯俊提出的觀點柯俊提出的觀點機械穩(wěn)定化原因機械穩(wěn)定化原因可能是塑性變形引入可能是塑性變形引入A A晶體的各種缺陷，它會破壞新晶體的各種缺陷，它會破壞新相和母相之間的共格關系，阻礙相和母相之間的共格關系，阻礙M M核長大，這就增加核長大，這就增加了奧氏體的穩(wěn)定化。后來由實驗結果得到了驗證。了奧氏體的穩(wěn)定化。后來由實驗結果得到了驗證。 馬氏體的定義馬氏體的定義 馬氏體是碳在馬氏體是碳在FeFe中的過飽和固溶體中的過飽和固溶體馬

17、氏體轉變是典型的無擴散性相變馬氏體轉變是典型的無擴散性相變 馬氏體的晶體結構馬氏體的晶體結構5.3 5.3 馬氏體轉變的晶體學和轉變機制馬氏體轉變的晶體學和轉變機制 馬氏體的晶體結構馬氏體的晶體結構 c/a c/a馬氏體的正方度馬氏體的正方度 碳含量增加，碳含量增加， c c軸伸長，軸伸長，a a軸縮短，軸縮短，正方度（正方度（c/a)c/a)呈線性增加，總是大于呈線性增加，總是大于1 1M M為體心正方結構為體心正方結構c/ac/a1 1體心立方結構體心立方結構5.4 5.4 馬氏體轉變的機理馬氏體轉變的機理馬氏體區(qū)別與其他相變的最基本的特點是：馬氏體區(qū)別與其他相變的最基本的特點是：1 1、

18、相變以共格切變的方式進行、相變以共格切變的方式進行2 2、相變的無擴散性、相變的無擴散性這一特點決定了馬氏體的轉變機制具有特殊性這一特點決定了馬氏體的轉變機制具有特殊性5.4 5.4 馬氏體轉變的機理馬氏體轉變的機理轉變熱力學轉變熱力學M M轉變是熱學性的，驅動力是轉變是熱學性的，驅動力是GG馬氏體與奧氏體自由焓隨溫度的變化曲線馬氏體與奧氏體自由焓隨溫度的變化曲線C C：是顯著的影響因素：是顯著的影響因素隨隨C%C%，MsMs，MfMf，且，且MfMf比比MsMs下降得快，所以能擴大下降得快，所以能擴大M M的的轉變溫度范圍轉變溫度范圍N N：強烈降低：強烈降低MsMs點；點； AlAl，Co

19、Co：提高：提高MsMs點，點，其余其余MeMe：使：使MsMs降低降低影響影響Ms點的因素點的因素（1 1） A A化學成分（最主要影響因素）化學成分（最主要影響因素）提高提高A A區(qū)內加熱溫度或延長加熱時間區(qū)內加熱溫度或延長加熱時間可降低可降低MsMs，有利于奧氏體的合金化，有利于奧氏體的合金化可提高可提高MsMs點，原因可能與點，原因可能與A A晶粒長大，或與晶粒長大，或與A A內缺陷減少有關內缺陷減少有關（2 2） 奧氏體化條件奧氏體化條件一般工業(yè)生產用淬火介質一般工業(yè)生產用淬火介質所能達到的冷卻速度對所能達到的冷卻速度對MsMs一般沒有影響一般沒有影響影響影響Ms點的因素點的因素（3

20、 3）冷卻速度的影響）冷卻速度的影響C%C%越低，越低，MsMs出現(xiàn)跳躍式出現(xiàn)跳躍式變化趨勢越明顯。變化趨勢越明顯。（4 4）彈性應力的影響）彈性應力的影響單向拉應力、壓應力能促進單向拉應力、壓應力能促進M M的形成，使的形成，使MsMs點升高，所點升高，所得得M M稱為應力促發(fā)稱為應力促發(fā)M M。三向壓縮則使三向壓縮則使MsMs點下降。點下降。（5 5）塑性變形的影響）塑性變形的影響在奧氏體狀態(tài)下的在奧氏體狀態(tài)下的塑性變形方式和變形量塑性變形方式和變形量對馬氏體相變對馬氏體相變MsMs點有顯著影響。細化晶粒使點有顯著影響。細化晶粒使MsMs點降低，最終趨于恒定點降低，最終趨于恒定形變誘發(fā)馬氏

21、體形變誘發(fā)馬氏體是指由于奧氏體受到塑性變形的影響而形成是指由于奧氏體受到塑性變形的影響而形成的馬氏體。的馬氏體。形變能為相變提供一定的能量，如果該形變能為相變提供一定的能量，如果該能量與化學驅動力相互作用，能夠達到能量與化學驅動力相互作用，能夠達到相變所需的最小驅動力，則相變就可以相變所需的最小驅動力，則相變就可以提前發(fā)生。形變所提供的能量，稱為機提前發(fā)生。形變所提供的能量，稱為機械驅動力。械驅動力。影響影響Ms點的因素點的因素形狀記憶效應形狀記憶效應形狀記憶效應：將某些材料進行變形后加熱至某一特定溫度：將某些材料進行變形后加熱至某一特定溫度以上時，能自動回復原來形狀的效應。以上時，能自動回復

22、原來形狀的效應。形狀記憶效應是由形狀記憶效應是由馬氏體轉變的熱彈性行為馬氏體轉變的熱彈性行為及及偽彈性偽彈性引起的引起的分分單程單程和和雙程雙程記憶效應記憶效應熱彈性熱彈性M M：M M片隨溫度降片隨溫度降低而增大，隨溫度升高低而增大，隨溫度升高而減小而減小。 一般一般M M轉變形核以后，轉變形核以后，M M片迅速長大到一極限尺寸即停止，片迅速長大到一極限尺寸即停止，若要使轉變繼續(xù)進行，必須持續(xù)降溫，產生新核，隨后長若要使轉變繼續(xù)進行，必須持續(xù)降溫，產生新核，隨后長大到極限尺寸，大到極限尺寸，這一過程不可逆這一過程不可逆。這是因為馬氏體長大到。這是因為馬氏體長大到一定程度時，邊界共格關系得到了

23、破壞。一定程度時，邊界共格關系得到了破壞。 熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體在一些合金中的馬氏體形成時，其產生的在一些合金中的馬氏體形成時，其產生的形狀變化形狀變化始終始終依靠相鄰母相的彈性變形依靠相鄰母相的彈性變形來協(xié)調，保持著界來協(xié)調，保持著界面的共格性。這樣，馬氏體片可隨溫度降低而長大，隨溫面的共格性。這樣，馬氏體片可隨溫度降低而長大，隨溫度升高而縮小，亦即度升高而縮小，亦即溫度的升降可引起馬氏體片的消長溫度的升降可引起馬氏體片的消長。具有這種特性的馬氏體稱為熱彈性馬氏體。具有這種特性的馬氏體稱為熱彈性馬氏體。熱彈性馬氏體熱彈性馬氏體 溫度升降可以引起熱彈性馬氏體的消長，外加應力的溫度升降可以引

24、起熱彈性馬氏體的消長，外加應力的改變也可以引起馬氏體片的消長。改變也可以引起馬氏體片的消長。 應力應力增加增加，馬氏體片，馬氏體片長大長大 應力應力減小減小，馬氏體片，馬氏體片縮小縮小 外力促發(fā)的馬氏體片往往具有相同的空間取向，故馬氏體外力促發(fā)的馬氏體片往往具有相同的空間取向，故馬氏體片的長大，即隨馬氏體量的增加將伴隨宏觀的形狀改變。片的長大，即隨馬氏體量的增加將伴隨宏觀的形狀改變。隨應力減小，馬氏體發(fā)生隨應力減小，馬氏體發(fā)生逆轉逆轉，宏觀變形恢復，這種現(xiàn)象稱，宏觀變形恢復，這種現(xiàn)象稱為為偽彈性（超彈性）偽彈性（超彈性）偽彈性偽彈性航天應用航天應用月面天線月面天線月面天線伸展開來很寬大，火箭無

25、月面天線伸展開來很寬大，火箭無法容納，那么，如何把這樣一個天法容納，那么，如何把這樣一個天線送上太空，送上月球呢線送上太空，送上月球呢? ?用用Ni-TiNi-Ti合金絲在馬氏體相變溫度合金絲在馬氏體相變溫度以上，先做成月面天線，然后在低以上，先做成月面天線，然后在低于于MfMf的溫度把月面天線壓成小團裝的溫度把月面天線壓成小團裝入運載火箭，當發(fā)射至月球表面后，入運載火箭，當發(fā)射至月球表面后，通過太陽能加熱而恢復原形，在月通過太陽能加熱而恢復原形，在月球上展開成為正常工作的月面天線球上展開成為正常工作的月面天線 醫(yī)學應用醫(yī)學應用心臟修補元件心臟修補元件熱彈性馬氏體的應用熱彈性馬氏體的應用 M M的結構類型隨的結構類型隨C C含量的不同而變化。