第5章马氏体相变.ppt

第5章 马氏体相变n主要内容：马氏体相变的主要特征； 马氏体的组织结构及其力学性能； 马氏体相变的热力学、动力学； 影响Ms点的因素.前 言n马氏体马氏体（（M, Martensite））相变相变特点特点：： 相相变变过过程程中中，，晶晶体体点点阵阵的的重重组组是是通通过过基基体体原原子子的的集集体体有有规规律律近近程程迁迁移移————切切变变，，由由一一种种晶晶体体结结构构转转变变为为另另一一种种晶晶体体结结构构，，而而没没有有原原子子长长距距离离的的迁迁移移，，且且新相与母相保持新相与母相保持共格共格关系n钢钢中中M相相变变：：钢钢经经奥奥氏氏体体化化后后快快速速冷冷却却，，抑抑制制其其扩扩散型分解，在较低温度下发生的散型分解，在较低温度下发生的无扩散无扩散型相变n在在纯纯金金属属（（Zr,Li,Co）），，合合金金（（Fe-Ni,Ni-Ti,Cu-Zn））,陶陶瓷瓷（（ZrO2）中也有）中也有M转变n钢中马氏体：C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体n马氏体：凡相变的基本特性属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。

n形成条件：淬火n淬火：将钢加热到Ac3 或Ac1以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺n马氏体转变的临界冷却速度：抑制所有非马氏体转变的最小冷却速度n马氏体的力学性能：高硬度、高强度•C<0.3%时为板条状马氏体；•C在0.3%~1.0%时为板条状马氏体和片状马氏体的混合组织20钢淬火钢淬火C>1.0%时为片状马氏体；T12钢淬火钢淬火45钢淬火钢淬火5.1 马氏体相变的主要特征一、切变共格和表面浮突现象一、切变共格和表面浮突现象 M相变过程中，在被抛光的试样表面上出现倾动或表面浮凸，相变过程中，在被抛光的试样表面上出现倾动或表面浮凸，说明说明M相变是通过奥氏体相变是通过奥氏体均匀切变均匀切变方式进行的，方式进行的，M和和A之间之间的界面称为的界面称为切变共格界面切变共格界面结结 论：论：nM相变是通过原子的协调运动使晶体结构发生变化的相变n马氏体形成是以切变方式实现的，马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，整个界面是互相牵制的，且是以母相切变来维持共格的n表面浮凸：由相变过程中均匀应变而导致的形状改变，，是切变位移的特征。

n相界面：在相变中未发生转动，将此不应变平面称之为M相变的惯习面(habit plan)，说明M相的产生是通过母相的切变而获得的n亚结构：位错、孪晶、层错等，是M相变时局部切变的产物二、马氏体相变的无扩散性n在在较较低低温温度度下下，，碳碳原原子子和和合合金金元元素素的的原原子子扩扩散散已已很很困困难难，，马马氏氏体体相相变变是是在在原原子子基基本本不不发发生生扩扩散散的的情情况况下下发发生生的的，，原原子之间的相对位移不超过一个原子间距子之间的相对位移不超过一个原子间距无扩散型相变无扩散型相变n所所有有参参与与转转变变的的原原子子的的运运动动是是协协调调一一致致的的，，原原有有原原子子的的邻邻居关系不被破坏居关系不被破坏n结构结构：晶体点阵发生改组晶体点阵发生改组n条件条件：低温下，原子已不能扩散低温下，原子已不能扩散n特特点点：：新新相相和和母母相相的的化化学学成成分分相相同同；；新新相相和和母母相相间间有有一一定定的晶体学位相关系的晶体学位相关系马氏体相变无扩散的原因：nC原子在-Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方结构，正方度随碳含量增加而线性增大nFe-C合金中，A和M中碳原子相对铁原子的间隙位置没变。

nFe-C合金中，在-20 ~ -195ºC之间，每片M的形成时间约为：0.5~510-7sn转变结果：降低了系统能量，形成低温亚稳定相n形成条件：冷却速度大到能避免扩散型相变，所有金属及合金的高温相均可发生M相变•马氏体相变时，新相和母相界面始终保持着切变共格，相变后两相之间的位向关系仍然保持；ØK—S关系：1.4%C钢中马氏体和奥氏体之间的位向关系，{111}//{110}’， 〈110〉//〈111〉’•可见：M在A中可能有24种不同的取向Ø西山关系：{111}//{110}’， 〈112〉//〈110〉’三、有一定的位向关系和惯习面(110)钢中马氏体的惯习面随碳含量和形成温度的不同而异，有钢中马氏体的惯习面随碳含量和形成温度的不同而异，有 {111} 、、 {225} 、、 {259} 惯习面是无畸变不转动的平面惯习面是无畸变不转动的平面四、在一个温度范围内完成相变n当奥氏体过冷到马氏体相变开始点Ms点以下时，马氏体即刻开始转变，且转变速度极快，但需继续降温，否则转变停止n马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关。

n当当A过过冷冷到到马马氏氏体体相相变变终终了了点点 Mf 以以下下时时，，马马氏氏体体停停止止转转变变，，此此时时未未转转变变的的奥奥氏氏体体称为称为残余奥氏体残余奥氏体n马氏体转变的不彻底性马氏体转变的不彻底性nMs点低于室温时淬火得点低于室温时淬火得An冷冷处处理理：：若若Ms点点高高于于室室温温，，Mf点点低低于于室室温温，，须须冷冷却却到到室室温以下，温以下，A'—M五、马氏体转变有可逆性逆相变：加热时马氏体向奥氏体的相变As：马氏体逆转变开始点，马氏体和奥氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度六、亚结构六、亚结构n相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶（高碳M ）、位错（低碳M ）、层错n马氏体相变的判据：1、相变以切变共格方式进行2、相变的无扩散性3、相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶、位错、层错n马氏体定义： 马氏体是原子经无扩散切变位移的晶格改组过程、得到具有严格晶体学位向关系和惯习面的、形成相中伴生极高密度晶体缺陷的组织5.2 钢中马氏体的晶体结构n马氏体点阵常数和碳含量的关系如图n钢中的马氏体是碳在— Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方点阵n随碳含量增大，正方度增大。

n低碳钢淬火马氏体具有体心立方结构n马氏体的点阵结构及其畸变n碳原子在马氏体点阵中的可能位置如图：n碳在— Fe中的含量远远超过了其溶解度，所以引起点阵畸变，使体心立方点阵变成体心正方点阵5.4 马氏体相变热力学一一、、马马氏氏体体相相变变热热力力学学条件条件n相相变变驱驱动动力力：：新新相相与与母母相相的的自自由由能能之之差，由过冷提供差，由过冷提供nT To o ：：两两相相热热力力学学平平衡温度n相相变变的的阻阻力力：：新新相相形形成成时时的的界界面面能能和和应应变变能能切切变变和和晶晶体体缺缺陷陷等等均均使使马马氏氏体相变阻力增大体相变阻力增大nMs点：奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度 nTo一定时， Ms点越低， 相变所需的驱动力越大G= S(T0-MS)nAs点：马氏体和奥氏体两相自由能差达到逆相变所需最小驱动力值时的温度G = S(AS-T0)nTo、 Ms、 As与合金成分的关系如图nMs 、As之间的温度差因引入塑性变形而减小，使Ms 点上升到Md 、使As点下降到AdnMd和Ad分别称为形变诱发马氏体相变开始点和形变诱发奥氏体相变开始点。

nMd和Ad的上下限为T0MdAd•当温度为Ms时，相变的化学驱动力刚好使马氏体发生相变；•形变所提供的能量为机械驱动力；•引入形变使Ms提高到T1但小于T0•结论：对奥氏体进行塑性变性可诱发马氏体相变n塑性变形诱发马氏体相变的原因二、影响钢中Ms点的主要因素1、化学成分的影响nMs点主要取决于钢的化学成分n碳含量的影响最显著，随钢中碳含量的增加，Ms点和Mf点的变化并不完全一致nN和C一样在钢中形成间隙固溶体，对相均有固溶强化作用，所以使马氏体相变阻力增大，且C、N还是稳定相的元素，所以强烈地降低Ms点Ø钢中常见的合金元素只有Al、Co使Ms点升高，其余均使Ms点降低Ø合金元素对Ms点的影响主要取决于它们对平衡温度的影响以及对奥氏体的强化作用Ø凡是剧烈降低To温度及强化奥氏体的元素均剧烈地降低Ms点n在Md~Ms之间进行塑性变形时会诱发马氏体相变，在Ms ~ Mf之间进行塑性变形时会促进马氏体相变n马氏体相变时产生体积膨胀，故多向压应力阻止马氏体的形成，降低Ms点； 拉应力或单向压应力有利于马氏体形成，使Ms点升高2、形变与应力的影响MdAd3、奥氏体化条件的影响n完全奥氏体化时，提高加热温度和延长保温时间，一方面有利于碳及合金元素溶入奥氏体使Ms点下降，另一方面又引起奥氏体晶粒长大，相变阻力减小使Ms点升高，综合作用结果将使Ms点有所升高；n不完全奥氏体化时，提高加热温度和延长保温时间使Ms下降；n晶粒细化，则切变阻力增大，也使Ms下降。

如图：在淬火速度较低或较高时， 出现Ms点保持恒定的台阶，在两种淬火速度之间， Ms随淬火速度增大而升高4、淬火冷却速度的影响5、磁场的影响n钢在磁场中淬火冷却时将诱发马氏体相变，但马氏体最终转变量不发生变化n外加磁场使马氏体的自由能降低，实际上是用磁能补偿了一部分化学驱动力n思考题：n简述影响Ms点的主要因素n简述马氏体相变的主要特征。