材科第九章(3)初稿

第九章材料的亞穩(wěn)態(tài)（3）馬氏體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變特點:(1)無擴(kuò)散性(2)切變共格與表面浮凸(3)慣習(xí)面及位向關(guān)系(4)轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的(5)轉(zhuǎn)變不完全馬氏體轉(zhuǎn)變是一類無擴(kuò)散型的固態(tài)相變，馬氏體為亞穩(wěn)相。將鋼加熱至奧氏體后快速淬火，所形成的高硬度的針片狀組織。馬氏體轉(zhuǎn)變性能:高強(qiáng)度、高硬度相變強(qiáng)化固溶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E馬氏體的亞結(jié)構(gòu)馬氏體組織內(nèi)往往由密度較高的位錯或較細(xì)的孿晶為其亞結(jié)構(gòu)。這種亞結(jié)構(gòu)，例如孿晶，表明有些區(qū)域經(jīng)過了切變，而有的區(qū)域則未經(jīng)切變?？梢?，馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是相變時不均勻（局部）切變的產(chǎn)物。馬氏體轉(zhuǎn)變（組織結(jié)構(gòu)與形態(tài)）板條馬氏體片狀馬氏體位錯馬氏體孿晶馬氏體低碳馬氏體高碳馬氏體SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E鋼中馬氏體形貌馬氏體轉(zhuǎn)變（晶體學(xué)特點）?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E馬氏體片形成時產(chǎn)生的浮凸示意圖不變平面應(yīng)變傾動面一直保持為平面發(fā)生馬氏體相變時，雖發(fā)生了變形，但母相中的任一直線仍為直線，任一平面仍為平面，這種變形即為均勻變形。造成均勻變形且慣習(xí)面為不變平面的應(yīng)變即為不變平面應(yīng)變。Bain轉(zhuǎn)變模型示意圖K-S關(guān)系(<1.4%C)：{111}γ//{110}m,{110}γ//{111}m西山關(guān)系(>1.4%C)：{111}γ//{110}m,{211}γ//{011}m馬氏體片轉(zhuǎn)變情況馬氏體片形成只能通過滑移或?qū)\生方式實現(xiàn)。馬氏體內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)由高密度位錯和大量微孿晶所組成。二、共析鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物1.珠光體型轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）區(qū)2.貝氏體型轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）區(qū)3.馬氏體型轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）區(qū)★SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)變溫馬氏體相變，與溫度有關(guān)，瞬間（幾分之一秒內(nèi)）劇烈地形成大量馬氏體，有的高達(dá)70%M。鋼的化學(xué)成分對馬氏體點的影響等溫馬氏體轉(zhuǎn)變：FeNiMn,FeNiCr,CuAu,CoPt高鎳鋼中馬氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（Ni:23wt％）膨脹法：利用母相與馬氏體之間比容的不同電阻法：利用兩相間電容的不同磁性法：奧氏體不具有鐵磁性，馬氏體具有鐵磁性。只可用于鋼鐵材料。金相法：回火馬氏體易于腐蝕，淬火馬氏體不易腐蝕。馬氏體轉(zhuǎn)變動點測量溫度As=510℃510電阻溫度120Ms=120℃電阻熱彈性馬氏體馬氏體隨著加熱和冷卻，母相和馬氏體之間互相轉(zhuǎn)換，具有可逆性。1）相變驅(qū)動力小，熱滯小。2）馬氏體和母相的相界面能做正、逆向移動，界面共格關(guān)系未破壞。3）形狀應(yīng)變?yōu)閺椥詤f(xié)作性質(zhì)，彈性儲能提供逆向相變的驅(qū)動力。4）母相具有高的彈性極限5）母相應(yīng)呈有序化狀態(tài)。熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變熱彈性馬氏體形貌示意圖(2)馬氏體形態(tài)與性能片狀馬氏體組織：當(dāng)碳含量大于1.0%時，則形成片狀馬氏體,或針狀馬氏體（亦稱高碳馬氏體，孿晶馬氏體）

。在光學(xué)顯微鏡中呈竹葉狀或凸透鏡狀，在空間形同鐵餅。性能特點：得到的高碳片狀馬氏體過飽和度大，嚴(yán)重的晶格畸變產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，大片之間易產(chǎn)生顯微裂紋。片狀馬氏體具有高的硬度和強(qiáng)度，但塑性和韌性很低。球墨鑄鐵淬火G球+M+Aˊ15鋼淬火組織M低高碳馬氏體低碳馬氏體應(yīng)力（磁、電）驅(qū)動的馬氏體相變形狀記憶效應(yīng)和形狀記憶合金在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)（SME）。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，稱為形狀記憶合金（SMA）。形狀記憶合金可以分為三種（1）單程記憶效應(yīng)形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。熱彈性馬氏體相變及形狀記憶效應(yīng)C0C8C6C4C2U1U2U3NiMnGa單胞C8顯微形貌和電子衍射圖孿晶孿晶結(jié)構(gòu)慣習(xí)面不同取向?qū)\晶二次孿晶Φ為85.04°

79.70°100.30°貝氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線貝氏體相變

貝氏體的形成珠光體相變貝氏體相變馬氏體相變原子擴(kuò)散鐵原子擴(kuò)散無擴(kuò)散無碳原子擴(kuò)散擴(kuò)散無點陣改組擴(kuò)散切變共格切變共格貝氏體的形貌及其亞結(jié)構(gòu)上貝氏體其貝氏體鐵素體板條成束地自晶界向晶內(nèi)生長，在光學(xué)顯微鏡下形似羽毛狀，故有羽毛狀貝氏體之稱，板條間的滲碳體呈粒狀或短片狀，可在電子顯微鏡下觀察到滲碳體的形態(tài)。

上貝氏體形態(tài)(a)光學(xué)顯微照片

1300×(b)電子顯微照片

5000×性能特點：上貝氏體中鐵素體片較寬，塑性變形抗力較低；同時滲碳體分布在鐵素體片之間，容易引起脆斷，因此強(qiáng)度和韌性都較差。工業(yè)生產(chǎn)中一般不用這種組織的材料來制造機(jī)械零件。

共析鋼中上貝氏體組織特征

對于碳鋼而言，貝氏體的形成溫度：550～350℃Bα：條狀，接近平衡含碳量，長短不一，光鏡下整體呈羽毛狀

Bc：粒狀、鏈狀、短片狀（不連續(xù)）相鄰Bα：6～18°相鄰束：51°、97°、120°

亞結(jié)構(gòu)：位錯（密度較低）下貝氏體（350℃～Ms）貝氏體片之間互成交角，金相顯微鏡下?？捎^察到的“竹葉狀”組織即為之。無論是條狀的還是片狀的貝氏體鐵素體。其內(nèi)部總有細(xì)微碳化物沉淀，它們大多與鐵素體的主軸呈55～60°。

(2)下貝氏體形態(tài)性能特點：下貝氏體中鐵素體針細(xì)小，無方向性，碳的過飽和度大，位錯密度高，且碳化物分布均勻、彌散度大，所以硬度高，韌性好，具有較好的綜合機(jī)械性能。生產(chǎn)實踐中應(yīng)用于要求高強(qiáng)韌性的工件（如工模具等）。(a)光學(xué)顯微照片500×(b)電子顯微照片12000×Cr-Ni鋼中下貝氏體組織特征Bα：針狀，過飽和度增加，互呈一定角度，金相形態(tài)為“竹葉狀”Bc：與針片的主軸成55～60°，呈顆粒狀分布，平行排列析出上下貝氏體的主要區(qū)別在于貝氏體鐵素體的形態(tài)及其碳化物的析出位置的不同；下貝氏體和片狀馬氏體雖然同為片狀，但前者為復(fù)相組織，易于腐蝕，而后者為單相組織，不易腐蝕。

其它貝氏體無碳化物貝氏體粒狀貝氏體貝氏體的力學(xué)性能①強(qiáng)度和硬度強(qiáng)度和轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系隨轉(zhuǎn)變溫度的下降而升高，且下貝氏體的強(qiáng)度高于上貝氏體的。②韌性下貝氏體的沖擊韌性優(yōu)于上貝氏體的，且下貝氏體的韌脆轉(zhuǎn)化溫度亦低于上貝氏體的。貝氏體的形成機(jī)理貝氏體形成機(jī)理示意圖在較高溫度形成無碳化物貝氏體形成溫度較高時，碳不僅可在鐵素體中擴(kuò)散，而且可在奧氏體中均勻可在奧氏體中迅速擴(kuò)散，使碳原子在奧氏體中均勻分布，阻止碳化物的析出，從而形成無碳化物貝氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度較高，過冷度較小，新相和母相之間的自由能差較小，這不足以補(bǔ)償更多新相形成時所需消耗的界面能及各種應(yīng)變能，從而形成的貝氏體鐵素體量較少，鐵素體板條也就長得較寬，條間距亦較大。

在貝氏體上部溫度區(qū)形成上貝氏體溫度稍低，碳仍可在鐵素體中充分?jǐn)U散，而在奧氏體中的擴(kuò)散卻不能充分進(jìn)行；由于過冷度較大，相變驅(qū)動力增大，形成的鐵素體量增多，板條較密，由鐵素體擴(kuò)散進(jìn)入奧氏體的碳不能充分?jǐn)U散，只能在鐵素體板條間以粒狀或短桿狀碳化物析出，從而得到羽毛狀上貝氏體。隨轉(zhuǎn)變溫度的下降，貝氏體鐵素體量增多，板條趨窄；隨著碳的擴(kuò)散系數(shù)的減小，碳化物亦趨細(xì)。

在下部溫度區(qū)形成下貝氏體

碳在奧氏體中的擴(kuò)散難以進(jìn)行，在鐵素體中的擴(kuò)散亦受到限制，導(dǎo)致碳的擴(kuò)散被限制在鐵素體中作短程擴(kuò)散，并在一定的晶面上偏聚，進(jìn)而以碳化物的形式析出，從而形成片狀鐵素體基體上與主軸呈一定交角排列成行的上貝氏體。轉(zhuǎn)變溫度愈低，鐵素體的過飽和度愈高，形成的碳化物的彌散度也愈高。貝氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線貝氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)轉(zhuǎn)變速度比馬氏體相變慢得多!M：10-5～10-7s/片，瞬間形核并長大，無孕育期。

B：縱向伸長比橫向加寬快，但僅達(dá)到0.012cm/min。形核需一定的孕育期。

轉(zhuǎn)變的不完全性碳鋼、中碳錳鋼、中碳硅錳鋼：降至某一溫度，A→B（完全）大多數(shù)合金鋼：部分轉(zhuǎn)變；

Bs以下，T↓，B%↑與珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變重迭先形成少量馬氏體，對B轉(zhuǎn)變有促進(jìn)作用。（結(jié)構(gòu)有利）貝氏體轉(zhuǎn)變的控制因素為碳的擴(kuò)散能力形成激活能Q:

上貝：1.43×105

下貝:

單位：J/mol1.34×1058.4×1045.9×104板狀馬氏體①馬氏體變溫形成，與t保無關(guān)；②馬氏體轉(zhuǎn)變不完全性，鋼中常存在殘余A（性能下降）,常要求淬火T接近Mf“冷處理”.③馬氏體性能與含碳量有關(guān)非擴(kuò)散型（Fe和C均不擴(kuò)散）C在α-Fe中的過飽和固溶體（bcc）240～-50M片（針）狀馬氏體馬氏體板狀：低碳鋼中，F(xiàn)和Fe2.4C的復(fù)相組織。片狀：高碳鋼中，復(fù)相組織。F飽和+Fe2.4C350～240B下下貝氏體羽毛狀：在平行密排的過飽和F板條間，不均勻分布短桿（片狀）Fe3C,脆性大，工業(yè)上不應(yīng)用半擴(kuò)散型（只有C擴(kuò)散）F飽和+Fe3C550～350B上上貝氏體貝氏體間距：0.03～0.08μm，2000×600～550T屈氏體間