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(diǎn):(1)無(wú)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(gè)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(wú)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(cuò)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(guò)了切變，而有的區(qū)域則未經(jīng)切變?？梢?jiàn)，馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)是相變時(shí)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(cuò)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(diǎn)）?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E馬氏體片形成時(shí)產(chǎn)生的浮凸示意圖不變平面應(yīng)變傾動(dòng)面一直保持為平面發(fā)生馬氏體相變時(shí)，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(guò)滑移或?qū)\生方式實(shí)現(xiàn)。馬氏體內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)由高密度位錯(cuò)和大量微孿晶所組成。二、共析鋼過(guò)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(dòng)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(duì)馬氏體點(diǎn)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(dòng)點(diǎn)測(cè)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(dòng)力小，熱滯小。2）馬氏體和母相的相界面能做正、逆向移動(dòng)，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(chǔ)能提供逆向相變的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(diǎn)：得到的高碳片狀馬氏體過(guò)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(dòng)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(guò)合適的熱過(guò)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(guò)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(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)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(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)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?cè)訑U(kuò)散鐵原子擴(kuò)散無(wú)擴(kuò)散無(wú)碳原子擴(kuò)散擴(kuò)散無(wú)點(diǎn)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(zhǎng)，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(diǎn)：上貝氏體中鐵素體片較寬，塑性變形抗力較低；同時(shí)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(lái)制造機(jī)械零件。

共析鋼中上貝氏體組織特征

對(duì)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(zhǎng)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(cuò)（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(wú)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(diǎn)：下貝氏體中鐵素體針細(xì)小，無(wú)方向性，碳的過(guò)飽和度大，位錯(cuò)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(shí)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(guò)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(wú)碳化物貝氏體粒狀貝氏體貝氏體的力學(xué)性能①?gòu)?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(wú)碳化物貝氏體形成溫度較高時(shí)，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(wú)碳化物貝氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度較高，過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(guò)冷度較大，相變驅(qū)動(dòng)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(guò)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(dòng)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(zhǎng)大，無(wú)孕育期。

B：縱向伸長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(guò)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(guò)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