馬氏體轉(zhuǎn)變特征課件

馬氏體及其轉(zhuǎn)變倪俊杰聊城大學材料科學與工程學院MartensiteandItsTransformation馬氏體及其轉(zhuǎn)變倪俊杰MartensiteandIts6-1主要內(nèi)容6.1、馬氏體概況6.2、馬氏體轉(zhuǎn)變特征6.3、馬氏體轉(zhuǎn)變機制6.4、馬氏體轉(zhuǎn)變熱/動力學6.5、熱彈性馬氏體與形狀記憶效應6.6、小結(jié)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-1主要內(nèi)容6.1、馬氏體概況Chapter6Mart晶體結(jié)構(gòu)馬氏體形態(tài)力學/物理性能6.1、馬氏體概況Chapter6MartensiteandItsTransformation6-2晶體結(jié)構(gòu)馬氏體形態(tài)力學/物理性能6.1、馬氏體概況Chapt穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線A+轉(zhuǎn)變區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時間(s)300102103104101800100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf-1000Chapter6MartensiteandItsTransformation6-3馬氏體的結(jié)構(gòu)？？？穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)A向產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)馬氏體是碳在α－Fe中的過飽和固溶體，用符號M表示。

A

M（α’）

fcc體心正方成分不變結(jié)構(gòu)變化由于碳的過飽和作用,使α–Fe晶格由體心立方變成體心正方晶格。致使馬氏體具有體心正方晶格(a=b≠c)—C原子—Fe原子Chapter6MartensiteandItsTransformation6-4晶體結(jié)構(gòu)馬氏體是碳在α－Fe中的過飽和固溶體，用符號M表示。碳原子可能分布的位置：6-5Chapter6MartensiteandItsTransformation碳原子可能分布的位置：6-5Chapter6Martenca碳擇優(yōu)分布在c軸方向上的八面體間隙位置。這使得c軸伸長，a軸縮短，晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w心正方。軸比c/a——馬氏體的正方度。6-6Chapter6MartensiteandItsTransformationca碳擇優(yōu)分布在c軸方向上的軸比c/a——馬氏體的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。當＜0.20%C時，c/a=1，此時馬氏體為體心立方晶格Chapter6MartensiteandItsTransformation6-7碳含量對正方度的影響C%越高，正方度越大，正方畸變越嚴重。Chapter6c=a0+α·ρa=a0

－β·ρc/a=1+γ·ρa=b=c立方結(jié)構(gòu)

a=b≠c正方結(jié)構(gòu)a0——α－Fe的晶格常數(shù)ρ——M的含碳量α，β，γ——常數(shù)X射線結(jié)構(gòu)分析測得含碳量與M點陣常數(shù)關(guān)系6-8Chapter6MartensiteandItsTransformationc=a0+α·ρPSTA1溫度(℃)MsV1P爐冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水冷VkPST實際生產(chǎn)連續(xù)冷卻Mf板條狀蝶狀片狀薄片狀位錯孿晶馬氏體形態(tài)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-9PSTA1溫度MsV1P爐冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水板條馬氏體奧氏體晶粒內(nèi)包含幾個群，群內(nèi)存在位向差時，會形成幾個束.群和束都是由板條組成。群、束之間均為大角度晶界，板條之間為小角度晶界。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-10板條馬氏體奧氏體晶粒內(nèi)包Chapter6Martensialow-angleboundarylarge-angleboundariesLarge-&low-angleboundariesChapter6MartensiteandItsTransformation6-11alow-anglelarge-angleLarge-組織單元：群—束—板條取向關(guān)系：K-S,慣習面：{111}r光鏡下馬氏體束馬氏體群馬氏體群：同慣習面，形態(tài)上呈平行排列的板條集團馬氏體束：同慣習面，同取向（晶面平行關(guān)系）的板條集團馬氏體板條：馬氏體的最基本單元(單晶體)，窄而細長。多數(shù)板條寬度0.1-0.2微米，長度小于10微米，板條間往往存在薄膜狀(200nm)的殘余奧氏體Chapter6MartensiteandItsTransformation6-12組織單元：群—束—板條光鏡下馬氏體束馬氏體群馬氏體群：同慣習板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為高密度的位錯，位錯形成位錯網(wǎng)絡(luò)(纏結(jié))，位錯密度隨含碳量增加而增大，常為(0.3～0.9)×1012㎝/cm3.故稱位錯馬氏體。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-13板條馬氏體的亞結(jié)Chapter6Martensitea蝶狀馬氏體6-14特征：斷面上兩翼結(jié)合部分很象片狀馬氏體中脊，由此向兩側(cè)張成取向不同的馬氏體。立體形狀“V”形柱狀，斷面呈蝴蝶狀。亞結(jié)構(gòu)：高密度位錯。Chapter6MartensiteandItsTransformation蝶狀馬氏體6-14特征：斷面上兩翼結(jié)合Chapter6M片狀馬氏體雙凸透鏡片狀中脊第1片貫穿整個晶粒，互不平行，愈來愈小。殘余奧氏體分布在馬氏體片間Chapter6MartensiteandItsTransformation6-15片狀馬氏體雙凸透鏡殘余奧氏體分布在馬氏體片間ChapterChapter6MartensiteandItsTransformation6-16Chapter6MartensiteandItsT高碳鋼WC>1.0%中出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)孿晶Chapter6MartensiteandItsTransformation6-17高碳鋼WC>1.0%中Chapter6Martensitacoherenttwinboundaryanincoherenttwinboundaryf

Chapter6MartensiteandItsTransformation6-18acoherenttwinboundaryaninc薄片狀馬氏體-ε馬氏體特征：立體形狀為薄片狀，其金相形態(tài)呈很細的帶狀、并且相互交叉、分枝、曲折等形態(tài)。亞結(jié)構(gòu)：孿晶，但無中脊(與片狀馬氏體區(qū)別)點陣結(jié)構(gòu)：密排六方（其它馬氏體均為體心立方或體心正方點陣結(jié)構(gòu)）特征：薄片狀亞結(jié)構(gòu)：高密度層錯原因：奧氏體的層錯能較低形成Chapter6MartensiteandItsTransformation6-19薄片狀馬氏體-ε馬氏體特征：立體形狀為薄片狀，其金相形態(tài)呈很顯微裂紋高碳鋼Chapter6MartensiteandItsTransformation6-20顯微裂紋高碳鋼Chapter6Martensitean混合馬氏體Chapter6MartensiteandItsTransformation6-21混合馬氏體Chapter6Martensiteand最主要的兩個因素是：奧氏體中碳含量和馬氏體形成溫度。馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)的因素Chapter6MartensiteandItsTransformation6-22最主要的兩個因素是：奧氏體中碳含量和馬氏體形成溫度。馬氏體形HRCC%Ar硬度/HRCAr(%)00.20.40.60.81.01.21.47060504030201070605040302010321曲線3—馬氏體的硬度曲線2—高于Ac1淬火后鋼的硬度曲線1—高于Ac3或Accm

淬火后鋼的硬度馬氏體強度和硬度碳含量分數(shù)對馬氏體和淬火鋼硬度及殘余奧氏體的影響Chapter6MartensiteandItsTransformation6-23HRCC%Ar硬度/HRCAr(%)00.21234馬氏體高硬高強的本質(zhì)固溶強化相變強化時效強化細晶強化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-241234馬氏體高硬高強的本質(zhì)固溶強化相變強化時效強化細晶強化過飽和碳原子溶入馬氏體間隙引起強烈點陣畸變，形成以碳原子為中心應力場，并與位錯發(fā)生交互作用，使碳原子釘扎位。。固溶強化馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-25過飽和碳原子溶入馬氏體間隙引起強烈點陣畸變，形成以碳原固溶強相變強化：馬氏體相變時，在晶體內(nèi)造成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)(位錯/孿晶)，這些缺陷阻礙位錯的運動，使馬氏體得到強化。

孿晶對M的強度硬度有附加貢獻。C%相同時，孿晶M硬度>位錯MChapter6MartensiteandItsTransformation6-26相變強化：馬氏體相變時，在晶體內(nèi)造成晶格缺陷密度孿晶對M的強馬氏體在淬火后室溫停留期間、或在外力作用下，使碳原子通過擴散，發(fā)生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物彌散析出，使馬氏體晶體內(nèi)產(chǎn)生超顯微不均勻，引起時效強化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-27時效強化馬氏體在淬火后室溫停留期間、Chapter6MartenbslipplaneprecipitatebbDtrChapter6MartensiteandItsTransformation6-28bslipplaneprecipitatebbDtrC1)M形成能松弛塑變所造的局部應力集中，防止裂紋形成或裂紋擴展。2)發(fā)生塑性變形區(qū)，有形變誘發(fā)M產(chǎn)生，使已塑變區(qū)繼續(xù)變形困難，抑制縮頸的形成。使塑性和韌性提高在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中塑性有所增加--相變誘發(fā)塑性。馬氏體相變塑性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-291)M形成能松弛塑變所造的局在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中塑性有所增加-Chapter6MartensiteandItsTransformation6-30Chapter6MartensiteandItsT馬氏體韌性C%:<0.4%，高韌性

>0.4%，韌性低，硬而脆Chapter6MartensiteandItsTransformation6-310.20.2馬氏體韌性Chapter6Martensiteand馬氏體韌性主要決定于亞結(jié)構(gòu)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-32馬氏體韌性主要決定于亞結(jié)構(gòu)Chapter6MartensChapter6MartensiteandItsTransformation6-33Chapter6MartensiteandItsT

馬氏體強度和硬度主要取決于其含C量。馬氏體塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)。位錯型馬氏體具有較高強度，硬度和良好的塑韌性（強韌性）孿晶型馬氏體強度，硬度很高，但塑韌性較低。故在保證足夠強度，硬度前提下，應盡量減少孿晶M的數(shù)量。小結(jié)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-34馬氏體強度和硬度主要取決于其含C量。小結(jié)Chapter(1)比容馬氏體比容比奧氏體大;(2)磁性鐵磁性(可用磁性法測量馬氏體轉(zhuǎn)變量)、高矯頑力；(3)電阻電阻比珠光體大。馬氏體的物理性能Chapter6MartensiteandItsTransformation6-35(1)比容馬氏體的物理性能Chapter6Martens6.2、馬氏體轉(zhuǎn)變特征Chapter6MartensiteandItsTransformation6-36(1)馬氏體轉(zhuǎn)變的非恒溫性(2)馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴散性(3)馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性(4)馬氏體轉(zhuǎn)變的位向關(guān)系和關(guān)系面(5)馬氏體轉(zhuǎn)變的表面浮凸效應和共格性6.2、馬氏體轉(zhuǎn)變特征Chapter6Martensit(1)轉(zhuǎn)變的非恒溫性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37馬氏體的轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進行的(1)轉(zhuǎn)變的非恒溫性Chapter6Martensit馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms

表示。馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點，用Mf表示.只要溫度達到Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在Ms以下，隨溫度下降，轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷，轉(zhuǎn)變停止。

馬氏體轉(zhuǎn)變量是在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)，通過不斷降溫來增加的，即馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，與等溫時間無關(guān)。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點，用Ms表示。馬氏體轉(zhuǎn)變原子切變變化位置界面推移M共格切變A

母相點陣上原子從一種排列轉(zhuǎn)變到另一種排列,原來相鄰兩個原子在相變后仍然相鄰,它們之間相對位置不超過一個原子間距。即碳原子沒有經(jīng)過擴散就可進行馬氏體轉(zhuǎn)變。(2)轉(zhuǎn)變的無擴散性

只有點陣改組，沒有成分變化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-39原子切變變化位置界面推移M共格切變A母相點陣上原子從一馬氏體無擴散性證據(jù)：

a.碳鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變前后碳濃度沒有發(fā)生變化，僅發(fā)生晶格切變；

b.馬氏體轉(zhuǎn)變可以在超低碳合金中發(fā)生，而且轉(zhuǎn)變速度極快，說明無碳擴散參與。c.轉(zhuǎn)變可在極低的溫度進行（4K），此時相變已不可能以擴散方式進行Chapter6MartensiteandItsTransformation6-40馬氏體無擴散性證據(jù)：Chapter6Martensite(3)轉(zhuǎn)變的可逆性

馬氏體加熱變?yōu)閵W氏體(一般碳鋼不可以)

As/Af(Fe-Ni:As比Ms高410℃;Au-Cd:As比Ms高16℃)

熱彈馬氏體是創(chuàng)作形狀記憶合金的基礎(chǔ)

6-41(3)轉(zhuǎn)變的可逆性馬氏體加熱變?yōu)閵W氏體(一般碳鋼不可以)(4)位向關(guān)系及慣習面馬氏體轉(zhuǎn)變時馬氏體與奧氏體存在著嚴格的晶體學關(guān)系

——位向關(guān)系和慣習面

Chapter6MartensiteandItsTransformation馬氏體是在母相的一定晶面上開始形成的，這個晶面就是慣習面。

{111}A、{225}A、{259}A。

通常：碳含量＜0.5%時，慣習面為{111}A

；碳含量0.5—1.4%，慣習面為{225}A

；碳含量1.5—1.8%，慣習面為{259}A

6-42(4)位向關(guān)系及慣習面馬氏體轉(zhuǎn)變時馬氏體與奧氏體存在著嚴格的位向關(guān)系

相變時，整體相互移動一段距離，相鄰原子的相對位置無變化。作小于一個原子間距位置的位移，因此奧氏體與馬氏體保持一定的嚴格的晶體學位向關(guān)系。(1）K—S關(guān)系晶向：〈111〉M∥〈011〉A(chǔ)（2）西山關(guān)系

晶向：〈110〉M∥〈112〉A(chǔ)（3）G—T關(guān)系晶向：〈111〉M∥〈101〉A(chǔ)

Chapter6MartensiteandItsTransformation6-43位向關(guān)系Chapter6MartensiteandI(5)表面浮凸效應和共格性

馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的表面浮凸Chapter6MartensiteandItsTransformation6-44馬氏體轉(zhuǎn)變時在預先磨光試樣表面上形成有規(guī)則的表面浮凸(切變使馬氏體表面出現(xiàn)一邊凹陷、一邊凸起，并帶動附近奧氏體也發(fā)生彈性切變)。說明馬氏體形成與母相奧氏體宏觀切變密切相關(guān)。(5)表面浮凸效應和共格性馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的表面浮凸ChaptChapter6MartensiteandItsTransformation6-45界面上原子為馬氏體與奧氏體共有馬氏體切變方式Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-46Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-476.3、馬氏體轉(zhuǎn)變模型(1)

Bain模型(2)

K-S切變模型(3)

G-T模型Chapter6MartensiteandItsTf.c.c可看作體心正方其軸比c/a=1.414A點陣只需適當變形，調(diào)整軸比，使之達到與含碳量對應的M正方度時，A即可轉(zhuǎn)變成M。(1)Bain模型Chapter6MartensiteandItsTransformation6-48f.c.c可看作體心正方其軸比c/a=1.414A點陣只需適（111）A(011)MXMYMZMXAYAZA模型不能解釋表面浮凸效應和慣習面。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-49（111）A(011)MXMYMZMXAYAZA模型不能解釋(2)K-S模型——如何由fcc轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc點陣？先看奧氏體{111}面Chapter6MartensiteandItsTransformation6-50(2)K-S模型——如何由fcc轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc點陣？先看奧氏第一層第二層第三層將三層相鄰(111)A晶面對某一層作垂直投影<112><011><011>120°Chapter6MartensiteandItsTransformation6-51第一層第二層第三層將三層相鄰(111)A晶面對某一層作垂直投馬氏體{011}面Chapter6MartensiteandItsTransformation6-52馬氏體{011}面Chapter6Martensite第一層第二層第三層<110><111><111>將三層相鄰（011）面對某一層作垂直投影109°28′Chapter6MartensiteandItsTransformation6-53第一層第二層第三層<110><111><111>將三層相鄰（第一層第二層第三層<011><011><112>120°{111}A<111><111>第二層原子沿<112>方向做第一次切變沿<011>方向做第二次切變{110}M<110>109°28′Chapter6MartensiteandItsTransformation6-54第一層第二層第三層<011><011><112>120°{1Chapter6MartensiteandItsTransformation6-55Chapter6MartensiteandItsT6-56Chapter6MartensiteandItsTransformation(3)

G-T模型相變經(jīng)一次宏觀均勻切變和一次宏觀非均勻切變6-56Chapter6MartensiteandIChapter6MartensiteandItsTransformation6-57Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-58Chapter6MartensiteandItsT6-59Chapter6MartensiteandItsTransformation6-59Chapter6MartensiteandIChapter6MartensiteandItsTransformation6-606.4、馬氏體轉(zhuǎn)熱/動力學Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-61馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學條件為什么有熱滯？？Chapter6MartensiteandItsT6-62驅(qū)動力：

阻力：

Chapter6MartensiteandItsTransformation6-62驅(qū)動力：阻力：Chapter6MartensChapter6MartensiteandItsTransformation6-63M轉(zhuǎn)變自由能變化Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-64Ms點的因素Chapter6MartensiteandItsT6-65Chapter6MartensiteandItsTransformation6-65Chapter6MartensiteandIChapter6MartensiteandItsTransformation6-66Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-67Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-68應力：在奧氏體狀態(tài)下施加拉應力或單向壓應力會促進馬氏體形成，Ms升高。在奧氏體狀態(tài)下施加多向壓應力會阻礙馬氏體形成，Ms下降。塑性變形：1、若在Ms～Md溫度范圍內(nèi)經(jīng)塑性變形會促進奧氏體在該溫度下向馬氏體轉(zhuǎn)變，使Ms升高，產(chǎn)生應變誘發(fā)馬氏體。2、若在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)的某一溫度進行塑性變形也會促進奧氏體在該溫度下向馬氏體轉(zhuǎn)變。3、若在Md以上某一溫度范圍內(nèi)經(jīng)塑性變形不會產(chǎn)生應變誘發(fā)馬氏體。Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-69用外力能否改變馬氏體轉(zhuǎn)變？？Chapter6MartensiteandItsTChapter5:DiffusionalTransformationsinSolids6-70Chapter5:DiffusionalTransfChapter6MartensiteandItsTransformation6-71Chapter6MartensiteandItsT6-726-72Chapter6MartensiteandItsTransformation6-73馬氏體形成動力學特點Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-74Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-75為什么Ms溫度在~300攝氏度？？Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-76Chapter6MartensiteandItsTChapter6MartensiteandItsTransformation6-77為什么呈C形??Chapter6MartensiteandItsT