第七章马氏体转变PPT讲稿.ppt

第七章马氏体转变第七章马氏体转变第1页，共89页，编辑于2022年，星期二第2页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体转变的发展过程马氏体转变的发展过程 早早在在战战国国时时代代人人们们已已经经知知道道可可以以用用淬淬火火(即即将将钢钢加加热热到到高高温温后后淬淬入入水水或或油油中中急急冷冷)的的方方法法可可以以提提高高钢钢的的硬硬度度，经过淬火的钢制宝剑可以经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥削铁如泥”。十十九九世世纪纪未未期期，人人们们才才知知道道钢钢在在“加加热热和和冷冷却却”过过程程中中内内部部相相组组成成发发生生了了变变化化，从从而而引引起起了了钢钢的的性性能能的的变变化化。为为了了纪纪念念在在这这一一发发展展过过程程中中做做出出杰杰出出贡贡献献的的德德国国冶冶金金学学家家Adolph Martens，法法国国著著名名的的冶冶金金学学家家Osmond建建议议将将钢钢经经淬淬火火所所得得高高硬硬度度相相称称为为“马马氏氏体体”，并并因因此此将将得得到到马马氏氏体体相的转变过程称为马氏体转变。相的转变过程称为马氏体转变。Martensite M马氏体马氏体第3页，共89页，编辑于2022年，星期二 十十九九世世纪纪未未到到二二十十世世纪纪初初主主要要局局限限于于研研究究钢钢中中的的马马氏氏体体转转变变及及转变所得产物转变所得产物马氏体马氏体。二二十十世世纪纪三三十十年年代代，人人们们用用X射射线线结结构构分分析析的的方方法法测测得得钢钢中中马马氏氏体体是是碳碳溶溶于于-Fe而而形形成成的的过过饱饱和和固固溶溶体体，马马氏氏体体中中的的固固溶溶碳碳即即原原奥奥氏氏体体中中的的固固溶溶碳碳，因因此此，曾曾一一度度认认为为“所所谓谓马马氏氏体体即即碳在碳在Fe中的过饱和固溶中的过饱和固溶”。曾曾经经有有人人认认为为“马马氏氏体体转转变变与与其其它它转转变变不不同同，是是一一个个由由快快冷冷造造成的内应力场所引起的切变过程成的内应力场所引起的切变过程”。四四十十年年代代前前后后，在在FeNi、FeMn合合金金以以及及许许多多有有色色金金属属及及合合金金中中也也发发现现了了马马氏氏体体转转变变。不不仅仅观观察察到到冷冷却却过过程程中中发发生生的的马马氏氏体体转转变变；同同时时也也观观察察到到了了在在加加热热过过程程中中所所发发生生的的马马氏氏体体转转变变。由由于于这这一一新新的的发发现现，人人们们不不得得不不把把马马氏氏体体的的定定义义修修定定为为：“在在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体”。第4页，共89页，编辑于2022年，星期二 近近年年来来，由由于于实实验验技技术术的的进进一一步步发发展展，使使人人们们对对马马氏氏体体的的结结构构以以及及马马转转变变的的特特征征又又有有了了进进一一步步的的了了解解，对对许许多多现现象象的的认认识识也也有有了了很很大大的的进进步步，并并因因此此而而推推动动了了热热处处理理新新工工艺艺及及新新材材料料的的发发展展，其其中中最最为为脍脍炙炙人人口口的的是是在在热热弹弹性性马马氏氏体体基基础础上发展起来的形状记忆合金上发展起来的形状记忆合金。第5页，共89页，编辑于2022年，星期二第6页，共89页，编辑于2022年，星期二 马氏体转变是将奥氏体快速冷却到马氏体转变是将奥氏体快速冷却到Ms温度以下得到的组织。温度以下得到的组织。马氏体转变马氏体转变低温转变（低温转变（sf）马氏体转变的特点：马氏体转变的特点：1）在较低的温度下进行，）在较低的温度下进行，Fe及及 C原子都不能进行扩散，因原子都不能进行扩散，因此马氏体实际是碳在此马氏体实际是碳在-Fe中中的过饱和固溶体，由于碳的的过饱和固溶体，由于碳的溶入使原面心立方结构变成溶入使原面心立方结构变成体心正方结构，即体心正方结构，即C轴伸长。轴伸长。第7页，共89页，编辑于2022年，星期二2）马氏体转变的非恒温性。奥氏）马氏体转变的非恒温性。奥氏体温度降到体温度降到Ms点以下任一温度时，点以下任一温度时，马氏体转变以极大速度进行，但转马氏体转变以极大速度进行，但转变很快停止。为了使转变继续进行，变很快停止。为了使转变继续进行，必须继续降低温度。当温度降到某必须继续降低温度。当温度降到某一温度以下时，虽然马氏体转变量一温度以下时，虽然马氏体转变量未达到未达到100%，但转变已不能进行，但转变已不能进行，该温度称为马氏体转变终了温度，该温度称为马氏体转变终了温度，用用Mf 表示。此时将有一部分奥氏体表示。此时将有一部分奥氏体未转变而被保留下来，称为残余奥未转变而被保留下来，称为残余奥氏体。氏体。A A的碳质量分数对残余的碳质量分数对残余A A的影响的影响第8页，共89页，编辑于2022年，星期二1.1.板条状马氏体板条状马氏体常见于低碳钢常见于低碳钢7.1 马氏体的组织与性能马氏体的组织与性能第9页，共89页，编辑于2022年，星期二板条马氏体板条马氏体第10页，共89页，编辑于2022年，星期二2.2.片状马氏体片状马氏体(225)f片状马氏体片状马氏体，无，无“中脊中脊”，形成温度稍高。，形成温度稍高。(259)f片片状状马马氏氏体体，三三维维为为凸凸透透镜镜状状，有有“中中脊脊”，形成温度较低。，形成温度较低。第11页，共89页，编辑于2022年，星期二第12页，共89页，编辑于2022年，星期二不同形态马氏体存在成分及温度范围不同形态马氏体存在成分及温度范围第13页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体的性能马氏体的性能 通通过过淬淬火火得得到到马马氏氏体体是是强强化化钢钢制制工工件件的的重重要要手手段段。在在淬淬成成马马氏氏体体后后，虽虽然然还还要要根根据据需需要要重重新新加加热热到到不不同同温温度度进进行行回回火火，但但回回火火后后所所得得的的性性能能在在很很大大程程度度上上仍仍决决定定于于淬淬火火所所得得的的马马氏氏体体的性能，因此，有必要对马氏体的性能进行了解。的性能，因此，有必要对马氏体的性能进行了解。对对于于一一个个结结构构件件来来说说，重重要要的的不不仅仅仅仅是是硬硬度度和和强强度度，而而是是硬硬度度、强强度度与与塑塑性性、韧韧性性的的配配合合。因因此此有有必必要要对对马马氏氏体体的的强度和韧性作全面的了解。强度和韧性作全面的了解。第14页，共89页，编辑于2022年，星期二（一一）马马氏氏体体的的硬硬度度与与强度强度 马马氏氏体体的的硬硬度度与与屈屈服服强强度度之之间间有有很很好好的的线线性性对对应应关关系系，因因此此可可以以很很方方便便的将二者一并讨论。的将二者一并讨论。1、马氏体的硬度马氏体的硬度 钢钢中中马马氏氏体体最最重重要要的的特特点点是是具具有有高高硬硬度度和和高高强强度度。实实验验证证明明，马马氏氏体体的的硬硬度度决决定定于于马马氏氏体体的的碳碳含含量量，而而与与马马氏氏体体的的合合金金元元素素含含量量关关系系不大。不大。第15页，共89页，编辑于2022年，星期二2、马氏体的高硬度、高强度的本质马氏体的高硬度、高强度的本质（1）相变强化）相变强化 马马氏氏体体相相变变的的特特性性造造成成在在晶晶体体内内产产生生大大量量微微观观缺缺陷陷（位位错错、孪孪晶晶及及层层错错等等），使使马马氏氏体体强强化化，即即相相变变强强化。化。无无碳碳马马氏氏体体的的屈屈服服极极限限为为284MPa与与强强化化F的的S很很接接近近，而而退退火火的的F的的S仅仅为为98137MPa，也也就就是是说说相相变变强强化化，使强度提高了使强度提高了147186MPa。第16页，共89页，编辑于2022年，星期二（2）固溶强化）固溶强化 为为严严格格区区分分C原原子子的的固固溶溶强强化化效效应应与与时时效效强强化化效效应应，Winchell专专门门设设计计了了一一套套Ms点点很很低低的的C%不不同同的的Fe-Ni-C合合金金，以以保保证证M转转变变能能在在C原原子子不不可可能能发发生生时时效效析析出出的的低低温温下下淬淬火火后后在在该该温温度度下下测测量量M的的强强度度，以以了了解解C原原子子的的固固溶溶强强化化效效果果，结结果果表表明明C%0.4%时时的的S随随碳碳含含量量增增加加急急剧剧升升高高，超超过过0.4%后后S不不再再增增加。加。第17页，共89页，编辑于2022年，星期二原原 因：因：C原原子子溶溶入入M点点阵阵中中，使使扁扁八八面面体体短短轴轴方方向向上上的的Fe原原子子间间距距增增长长了了36%，而而另另外外两两个个方方向向上上则则收收缩缩4%，从从而而使使体体心心立立方方变变成成了了体体心心正正方方点点阵阵，由由间间隙隙C原原子子所所造造成成的的这这种种不不对对称称畸畸变变称称为为畸畸变变偶偶极极，可可以以视视其其为为一一个个强强烈烈的的应应力力场场，C原原子子就就在在这这个个应应力力场场的的中中心心，这这个个应应力力场场与与位错产生强烈的交互作用，而使位错产生强烈的交互作用，而使M的强度提高。的强度提高。当当C%超超过过0.4%后后，由由于于碳碳原原子子靠靠得得太太近近，使使相相邻邻碳碳原原子子所所造造成成的的应应力力场场相相互互重重迭迭，以以致致抵抵消消而而降降低低了了强强化效应。化效应。合合金金元元素素也也有有固固溶溶强强化化作作用用，相相对对碳碳来来说说要要小小很很多多，据据估计，仅与合金元素对估计，仅与合金元素对F的固溶强化作用大致相当。的固溶强化作用大致相当。第18页，共89页，编辑于2022年，星期二（3）时效强化）时效强化 理理论论计计算算得得出出，在在室室温温下下只只要要几几分分钟钟甚甚至至几几秒秒钟钟即即可可通通过过C原原子子扩扩散散而而产产生生时时效效强强化化，在在-60以以上上，时时效效就就能能进进行行发发生生碳碳原原子子偏偏聚聚现现象象，是是M自自回回火火的的一一种种表表现现，C原原子子含含量量越越高高时时效效强强化效果越大。化效果越大。第19页，共89页，编辑于2022年，星期二（4）马氏体形态及大小对强度的影响）马氏体形态及大小对强度的影响 孪孪晶晶亚亚结结构构对对强强度度有有一一附附加加的的贡贡献献，C%相相同同时时，孪孪晶晶M的的硬硬度度与与强强度度略略高高于于位位错错M的的硬硬度度与与强强度度，且且C%增高，孪晶亚结构对增高，孪晶亚结构对M强度的贡献增大。强度的贡献增大。原原A晶粒大小和晶粒大小和M群的大小对群的大小对M的强度也有一定的影响，的强度也有一定的影响，0.2=608+69d-1/2 0.2=449+60d-1/2单位单位 ：Mpa;其中其中dA晶粒的平均直径；晶粒的平均直径；dM板条群的平均直径板条群的平均直径。第20页，共89页，编辑于2022年，星期二总总 结：结：低低碳碳的的马马氏氏体体的的强强度度主主要要靠靠其其中中碳碳的的固固溶溶强强化化，在在一一般般淬淬火火过过程程中中，伴伴随随自自回回火火而而产产生生的的M时时效效强强化化也也具具有有相相当当的的强强化化效效果果，随随M中中碳碳及及合合金金元元素素含含量量的的增增加加，孪孪晶晶亚亚结结构构将将有有附附加加的的强强化化，细细化化奥奥氏氏体体晶晶粒粒及及马马氏氏体体群的大小，也能提高一些马氏体的强度。群的大小，也能提高一些马氏体的强度。第21页，共89页，编辑于2022年，星期二（二）马氏体的韧性（二）马氏体的韧性 位位错错型型M具具有有良良好好的的塑塑性性和和韧韧性性。由由图图中中可可以以看看出出，随随C%的的增增加加韧韧性性显显著著下下降降，对对C%为为0.6%的的M，即即使使经经低低温温回回火火，冲击韧性还是很低。冲击韧性还是很低。第22页，共89页，编辑于2022年，星期二 通通常常C%小小于于0.4%时时M具具有有较较高高的的韧韧性性，碳碳含含量量越越低低，韧韧性性越越高高；C%大大于于0.4%时时，M的的韧韧性性很很低低，变变得得硬硬而而脆脆，即即使使经经低低温回火韧性仍不高。温回火韧性仍不高。除除C%外外，M的的韧韧性性与与其其亚亚结结构构有有着着密密切切的的关关系系，在在相相同同的的屈服极限的条件下，位错型屈服极限的条件下，位错型M的韧性比孪晶的韧性比孪晶M的韧性高很多。的韧性高很多。第23页，共89页，编辑于2022年，星期二总总 结结 马马氏氏体体的的强强度度主主要要决决定定于于马马氏氏体体的的碳碳含含量量及及组组织织结结构构（包包括括自自回回火火时时的的时时效效强强化化），而而马马氏氏体体的的韧韧性性主主要要取取决决于于马马氏氏体体的的亚亚结结构构，低低碳碳的的位位错错型型马马氏氏体体具具有有相相当当高高的的强强度度和和良良好好的的韧韧性性，高高碳碳的的孪孪晶晶马马氏氏体体具具有有高高的的强强度度，但但是是韧韧性性很很差。差。第24页，共89页，编辑于2022年，星期二(三三)马氏体转变超塑性马氏体转变超塑性超塑性：超塑性：指高的延伸率及低的流变抗力。指高的延伸率及低的流变抗力。相相变变塑塑性性:金金属属及及合合金金在在相相变变过过程程中中塑塑性性增增长长，往往往往在在低低于于母母相相屈屈服服极极限限的的条条件件下下即即发发生生了了塑塑性性变变形形，这这种种现现象象称称为为相相变变塑塑性。性。马马氏氏体体的的相相变变塑塑性性：钢钢在在马马氏氏体体转转变变时时也也会会产产生生相相变变塑塑性性现现象象，称称为为马马氏体的相变塑性。氏体的相变塑性。0.3%C-4%Ni-1.3%Cr钢钢的的M相变塑性相变塑性850A化化,Ms为为307,A的屈服强的屈服强度为度为137MPa第25页，共89页，编辑于2022年，星期二 近近年年来来的的研研究究工工作作表表明明，M相相变变诱诱发发的的塑塑性性还还可可以显著提高钢的韧性。以显著提高钢的韧性。0.6%C-9%Cr-8%Ni-2%Mn第26页，共89页，编辑于2022年，星期二原原 因因 1、由由于于塑塑性性变变形形而而引引起起的的局局部部区区域域的的应应力力集集中中，将将由由于于M的的形形成成而而得得到到松松驰驰，因因而而能能防防止止微微裂裂纹纹的的形形成成，即即使使微微裂裂纹纹已已经经产产生生，裂裂纹纹尖尖端端的的应应力力集集中中也也会会因因M的的形形成成而而得得到到松松驰驰，故故能能抑抑制制裂裂纹纹的的扩扩展展，从从机机时时使使塑塑性性和断裂韧性得到提高；和断裂韧性得到提高；2、在在发发生生塑塑性性变变形形的的区区域域，有有形形变变M形形成成，随随形形变变M量量的的增增多多，形形变变强强化化指指数数不不断断提提高高，这这比比纯纯A经经大大量量变变形形后后接接近近断断裂裂时时的的形形变变强强化化指指数数要要大大，从从而而使使已已发发生生塑塑性性变变形形的的区区域域继续发生变形困难，故能抑制颈缩的形成。继续发生变形困难，故能抑制颈缩的形成。第27页，共89页，编辑于2022年，星期二（四）马氏体的物理性能（四）马氏体的物理性能1、比容、比容 M组组织织的的比比容容较较大大，M形形成成时时比比容容的的增增大大，造造成成钢钢淬淬火火时时产产生生较较大大的的组组织织应应力力，从从而而促促进进M显显微微裂裂纹纹的的扩扩展。展。2、磁性、磁性 M具有铁磁性，具有很高的磁矫顽力。具有铁磁性，具有很高的磁矫顽力。3、电阻、电阻 M的的电电阻阻比比P的的大大很很多多，稍稍高高于于A，且且随随C%增增加加M的电阻值增大。的电阻值增大。第28页，共89页，编辑于2022年，星期二（五）高碳片状马氏体的显微裂纹（五）高碳片状马氏体的显微裂纹 是是由由于于M形形成成时时互互相相碰碰撞撞形形成成的的，M形形成成速速度度极极快快，相相互互碰碰撞撞或或与与A晶晶界界相相撞撞时时，将将因因冲冲击击而而形形成成相相当当大大的的应应力力场场，又又因因为为高高碳碳片片状状M很很脆脆不不能能通通过过滑滑移移或或孪孪生生变变形形来来消消除除应应力力，因因此此容容易易形形成成撞撞击击裂裂纹纹，这这种种先先天天性性的的缺陷使高碳附加了脆性。缺陷使高碳附加了脆性。度度 量量：钢钢中中M显显微微裂裂形形成成的的难难易易程程度度用用马马氏氏体体显显微微裂裂纹纹敏敏感感度度来来表表示示。以以单单位位M体体积积中中出出现现裂裂纹纹的的面面积积作作为为马马氏氏体体内内形形成成显微裂纹的敏感度，用显微裂纹的敏感度，用SV（mm-1)表示。表示。第29页，共89页，编辑于2022年，星期二第30页，共89页，编辑于2022年，星期二第31页，共89页，编辑于2022年，星期二1、影响显微裂纹敏感度的因素、影响显微裂纹敏感度的因素（1）碳含量的影响）碳含量的影响 是是影影响响SV的的主主要要因因素素，C%小小于于1.4%时时随随C%的的增增加加SV急急剧剧增增加加，当当C%大大于于1.4%时时SV随随C%的增加反而下降。的增加反而下降。C%小小于于1.4%，M为为225惯惯习习面面，而而当当C%大大于于1.4%，后，后M为为259惯习面。惯习面。第32页，共89页，编辑于2022年，星期二（2）奥奥氏氏体体晶晶粒粒大大小小的影响的影响 随随A晶晶粒粒直直径径的的增增大大SV急剧增加。急剧增加。第33页，共89页，编辑于2022年，星期二（3）淬淬火火冷冷却却温温度度的的影响影响 冷冷却却温温度度越越低低，M转转变变量量越越多多，残残余余奥奥氏氏体体量量越越少少，SV越越大。大。第34页，共89页，编辑于2022年，星期二（4）马马氏氏体体转转变变量的影响量的影响 随随M量量的的增增加加SV增增大大，但但当当M的的体体积积份份数数f大大于于0.27后后，SV不再随不再随f增大。增大。V 每一片每一片M的平均体积；的平均体积；NV单位体积中单位体积中M片的数目。片的数目。第35页，共89页，编辑于2022年，星期二（5）马马氏氏体体片片长度的影响长度的影响 SV随随M片片长长度度（即即片片的的最最大大尺尺寸寸）的的增增大大而而升升高。高。第36页，共89页，编辑于2022年，星期二2、减少显微裂纹的途径、减少显微裂纹的途径 降低高碳钢降低高碳钢A化的温度。化的温度。淬淬火火过过程程中中已已产产生生了了显显微微裂裂纹纹的的工工件件，应应及及时时回回火，这样可以使部分裂纹消失。火，这样可以使部分裂纹消失。第37页，共89页，编辑于2022年，星期二7.2 马氏体转变的主要特征马氏体转变的主要特征（一）马氏体转变的非恒温性（一）马氏体转变的非恒温性 马马氏氏体体转转变变有有一一上上限限温温度度，这这一一温温度度称称为为马马氏氏体体转转变变的的开开始始温温度度，也也称称为为马马氏氏体体点点，Ms表表示示。不不同同的的材材料料Ms是不同的。是不同的。马马氏氏体体转转变变还还有有一一个个下下限限温温度度，用用Mf，当当奥奥氏氏体体过过冷冷到到Mf以以下下时时转转变变也也不不能能再再进进行行了了。称称为为马马氏氏体体转转变变的的下下限限温温度度或或马马氏氏体体终终了了点点。也也就就是是说说马马氏氏体体转转变变是是在在MsMf之之间间进进行行的。的。一一般般钢钢材材的的Mf都都低低于于室室温温，在在生生产产中中为为了了获获得得更更多多的的马马氏氏体体，常常采采用用深深冷冷到到室室温温以以下下的的处处理理工工艺艺，这这种种工工艺艺方方法法称称为为冷处理冷处理。第38页，共89页，编辑于2022年，星期二第39页，共89页，编辑于2022年，星期二（二）马氏体转变的切变共格和表面浮凸现象（二）马氏体转变的切变共格和表面浮凸现象 马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规则的马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规则的表面浮凸。这说明马氏体的形成与母相奥氏体的宏观切变密表面浮凸。这说明马氏体的形成与母相奥氏体的宏观切变密切相关。切相关。不不变变平平面面：在在相相转转变变时时不不转转动动、不不畸变的界面畸变的界面第40页，共89页，编辑于2022年，星期二 下图是三种不变平面应变，图中的下图是三种不变平面应变，图中的C)既有膨胀又既有膨胀又有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。第41页，共89页，编辑于2022年，星期二 显显然然，界界面面上上的的原原子子排排列列规规律律既既同同于于马马氏氏体体，也也同同于于奥奥氏氏体体，这这种种界界面面称称为为共共格格界界面面。但但不不变变平平面面可可以以是是相相界界面，也可以不是相界面。面，也可以不是相界面。第42页，共89页，编辑于2022年，星期二 为为维维持持这这种种界界面面关关系系，界界面面两两侧侧的的奥奥氏氏体体与与马马氏氏体体必必定定要要产产生生弹弹性性切切变变，这这种种依依靠靠弹弹性性切切变变维维持持的的共共格格关关系系称称为为第第二类共格。二类共格。第43页，共89页，编辑于2022年，星期二（三）马氏体转变的无扩散性（三）马氏体转变的无扩散性 马马氏氏体体转转变变只只有有点点阵阵改改组组而而无无成成份份变变化化，转转变变时时原原子子做做有有规规律律的的整整体体迁迁移移，每每个个原原子子移移动动的的距距离离不不超超过过一一个个原原子子间间距距，且原子之间的相对位置不发生变化。且原子之间的相对位置不发生变化。第44页，共89页，编辑于2022年，星期二（四）马氏体转变的位向关系及惯习面（四）马氏体转变的位向关系及惯习面 奥奥氏氏体体转转变变为为马马氏氏体体时时，新新旧旧两两相相之之间间保保持持着着严严格格的的晶晶体体学学位位向向关关系系，马马氏氏体体的的不不变变平平面面被被称称为为马马氏氏体体的的惯惯习习面面，以平行于此面的母相的晶面指数表示。以平行于此面的母相的晶面指数表示。（五）马氏体转变的可逆性（五）马氏体转变的可逆性 冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体可以逆冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体可以逆转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式进行的。与转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式进行的。与 MsMf 相对应，逆转变有相对应，逆转变有AsAf 分别表示逆转变的开始和分别表示逆转变的开始和终了温度。终了温度。第45页，共89页，编辑于2022年，星期二（一）马氏体的晶体结构（一）马氏体的晶体结构1、马氏体的晶、马氏体的晶格类型格类型 Fe-C合合金金的的马马氏氏体体是是C在在-Fe中中的的过过饱饱和和间间隙隙固固溶溶体体。马马氏氏体体具具有有正正方方点点阵阵，即即：ab，/称称为为正正方度。方度。7.3马氏体转变的晶体学和转变机制马氏体转变的晶体学和转变机制第46页，共89页，编辑于2022年，星期二2、碳原子在马氏体点阵中位置及分布、碳原子在马氏体点阵中位置及分布 碳原子在马氏体点阵中的位置碳原子在马氏体点阵中的位置 C在在-Fe中可能存在的位置是中可能存在的位置是Fe原子构成的体心立方点原子构成的体心立方点阵的八面体间隙位置，如图所示：阵的八面体间隙位置，如图所示：第47页，共89页，编辑于2022年，星期二亚点阵的概念亚点阵的概念 根据碳原子在马氏体点阵可能存在的位置，人们发现，碳根据碳原子在马氏体点阵可能存在的位置，人们发现，碳原子处于三种分布位置时，都能形成由碳原子构成的八面体，原子处于三种分布位置时，都能形成由碳原子构成的八面体，这种可能出现的原子阵列，称为这种可能出现的原子阵列，称为亚点阵。亚点阵。第48页，共89页，编辑于2022年，星期二碳原子的分布碳原子的分布 通通常常假假设设碳碳原原子子优优先先占占据据八八面面体体间间隙隙位位置置的的第第三三亚亚点点阵阵，结结果果使使c轴轴伸伸长长，a轴轴缩缩短短，使使体体心心立立方方点点阵阵的的Fe变变成成了了体体心心正正方方点点阵阵的的马马氏氏体体。但但并并不不是是所所有有碳碳原原子子都都占占据据第第三三亚亚点点阵阵位位置置，通通过过中中子子辐辐照照分分析析的的结结论论是是：80%的的碳碳原原子子占占据据第第三三亚亚点点阵阵，20%的的碳碳原原子子占占据据其其它它两两个个亚亚点点阵阵，即即，碳碳原原子在马氏体点阵中呈部份有序分布。子在马氏体点阵中呈部份有序分布。第49页，共89页，编辑于2022年，星期二 马马氏氏体体的的点点阵阵常常数数和和钢钢中中碳碳含含量量的的关关系系也也可可用用下下列列公公式式表示表示式中式中 a0为为-Fe的点阵常数，的点阵常数，a0.861 =0.116 0.002；=0.113 0.002；=0.046 0.001；-马氏体的碳含量（重量百分比）马氏体的碳含量（重量百分比）（二）马氏体的异常正方度（二）马氏体的异常正方度第50页，共89页，编辑于2022年，星期二 新形成马氏体的正方度偏离公式给出的正方度，称为马新形成马氏体的正方度偏离公式给出的正方度，称为马氏体异常正方度氏体异常正方度。新形成马氏体的正方度远高于公式给出的正方度，称为异常新形成马氏体的正方度远高于公式给出的正方度，称为异常高正方度高正方度。新新形形成成马马氏氏体体的的正正方方度度远远低低于于公公式式给给出出的的正正方方度度，称称为为异常低正方度异常低正方度。第51页，共89页，编辑于2022年，星期二三、惯习面与位向关系三、惯习面与位向关系1、惯习面、惯习面 马马氏氏体体转转变变具具有有一一定定的的惯惯习习面面，即即马马氏氏体体总总是是在在母母相相的的某某一一晶晶面面上上首首先先形形成成，以以平平行行于于惯惯习习面面的的母母相相晶晶面面指指数数表表示示，此此面面即即马马氏氏体体转转变变中中的的不不变变平平面面（不不畸畸变变，不不转转动动）。钢钢中中常常见见的的惯惯习习面面有有三三种种，即即：(111)、(225)、(259)；C%1.4%为为(259)随马氏体的形成温度降低惯习面指数增大。随马氏体的形成温度降低惯习面指数增大。第52页，共89页，编辑于2022年，星期二2、位向关系、位向关系 马马氏氏体体转转变变的的晶晶体体学学特特征征是是马马氏氏体体与与母母相相之之间间存存在在着着一一定定的的位位向向关关系系。在在钢钢中中已已观观察察到到到到的的有有KS关关系系、西西山关系和山关系和GT关系。关系。（1）KS关系关系 110 M111A；MA（2）西山关系）西山关系011 M111A；MA（3）GT关系关系110 M111A 差差 1 MA 差差 2第53页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体相变表象理论马氏体相变表象理论1.Bain模型模型xyz=zxy第54页，共89页，编辑于2022年，星期二该模型中该模型中M和和A符合符合K-S关系：关系：但此模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。但此模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。第55页，共89页，编辑于2022年，星期二2.K-S机制机制点阵以点阵以(111)f为底面，按为底面，按ABCABC的次序自下而的次序自下而上堆垛。上堆垛。切变进行步骤：切变进行步骤：K-S切切变变机机制制成成功功导导出出了了所所测测量量到到的的点点阵阵结结构构和和取取向向关关系系，但但惯惯习习面面预预测测与与实实际际偏偏差差较较大。大。（1）第一次切变）第一次切变（2）第二次切变）第二次切变（3）点阵调整）点阵调整第56页，共89页，编辑于2022年，星期二第57页，共89页，编辑于2022年，星期二3.G-T机制机制第58页，共89页，编辑于2022年，星期二7.4 马氏体转变的热力学和动力学马氏体转变的热力学和动力学马氏体奥氏体自由焓与温度的关系马氏体奥氏体自由焓与温度的关系马氏体转变的热力学：马氏体转变的热力学：马氏体转变与加热转变不马氏体转变与加热转变不同，当母相被过冷到略低同，当母相被过冷到略低于于T0时，马氏体形变并不时，马氏体形变并不能发生，必须过冷到低于能发生，必须过冷到低于T0的某一温度的某一温度MS以下时才以下时才能通过马氏体转变而转变能通过马氏体转变而转变成马氏体。成马氏体。MS与与T0之间的差值称为热之间的差值称为热滞，其大小视合金成分而滞，其大小视合金成分而异。异。第59页，共89页，编辑于2022年，星期二T0、MS的物理意义是：的物理意义是：T0奥氏体自由能与马氏体自由能相等的温度；奥氏体自由能与马氏体自由能相等的温度；MS马氏体开始转变温度（马氏体转变开始点）；表示马氏体开始转变温度（马氏体转变开始点）；表示过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度。过冷奥氏体向马氏体转变的开始温度。MS的物理意义是的物理意义是奥氏体与马氏体两相的自由能差达到相变所需的最小驱奥氏体与马氏体两相的自由能差达到相变所需的最小驱动力时的温度。动力时的温度。Mf-马氏体连续转变的最低温度（马氏体转变马氏体连续转变的最低温度（马氏体转变终止点）。终止点）。第60页，共89页，编辑于2022年，星期二Fe-C合金马氏体转变与含碳量的关系合金马氏体转变与含碳量的关系 T0、MS和和Mf与碳含量的与碳含量的关系见图。关系见图。Wc，T0、Ms、Mf。第61页，共89页，编辑于2022年，星期二在在T0到到MS之间，马氏体相变不之间，马氏体相变不会自动发生，但如引入塑性变会自动发生，但如引入塑性变形，使塑变的机械驱动力叠加形，使塑变的机械驱动力叠加相变的化学驱动力相变的化学驱动力(马氏体与马氏体与A二相自由能差二相自由能差)，并达到马氏体，并达到马氏体相变所需最小驱动力时，马氏相变所需最小驱动力时，马氏体相变也会发生。此时形成的体相变也会发生。此时形成的马氏体称为形变诱发马氏体。马氏体称为形变诱发马氏体。此时的温度称为形变诱发马氏此时的温度称为形变诱发马氏体温度点（形变马氏体点），体温度点（形变马氏体点），记为记为Md。Md不能大于不能大于T0。形变马氏体的形态与前述的马氏体相形变马氏体的形态与前述的马氏体相同。同。形变诱发马氏体转变原理示意图形变诱发马氏体转变原理示意图 第62页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体转变系统总的自由焓变化：马氏体转变系统总的自由焓变化：G=(GM-GA)+(GGs s+Ge）其中其中GM为马氏体的自由焓为马氏体的自由焓GA为奥氏体的自由焓为奥氏体的自由焓GM-GA=Gv 0时，奥氏体有转变为马氏体的趋势时，奥氏体有转变为马氏体的趋势GM-GA=Gv是相变的驱动力是相变的驱动力Gs为表面能，很小，不是相变的主要阻力为表面能，很小，不是相变的主要阻力 Ge为弹性应变能，很大，是相变的主要阻力为弹性应变能，很大，是相变的主要阻力只有深冷至只有深冷至 G增大到足以补偿增大到足以补偿Gs+Ge的时候，的时候，马氏体相变才能发生。马氏体相变才能发生。第63页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体的形成条件：马氏体的形成条件：（1）快冷快冷V Vk避免避免A向向P、B转变转变（2）深冷深冷 T MS提供足够的驱动力提供足够的驱动力 第64页，共89页，编辑于2022年，星期二Ms点的物理意义点的物理意义Ms点是点是A和和M两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度，反映了的温度，反映了M转变得以进行所需的最小过冷度。转变得以进行所需的最小过冷度。Ms点以下形成一定量的点以下形成一定量的M后，便会使系统的后，便会使系统的G0，转变即中止，继续降温使转变即中止，继续降温使G0，转变又继续进行，转变又继续进行，这就是这就是M转变需不断降温的原因。转变需不断降温的原因。影响影响Ms点的因素主要有：点的因素主要有：A的化学成分、加热温度和保的化学成分、加热温度和保温时间、冷却速度、应力、塑性变形、存在先马氏体组织。温时间、冷却速度、应力、塑性变形、存在先马氏体组织。第65页，共89页，编辑于2022年，星期二Wc，Ms、Mf；Ms和和Mf下降不一致。下降不一致。Wc0.6%，Mf下降缓慢，下降缓慢，Mf0oC。原因：原因：C%，使，使A的强度的强度，相变阻力，相变阻力，切变困难，切变困难，Ms。（一）、奥氏体的化学成分的影响（奥氏体的化学成分是影响（一）、奥氏体的化学成分的影响（奥氏体的化学成分是影响s点的点的最主要的因素）最主要的因素）、碳含量、碳含量Wc：第66页，共89页，编辑于2022年，星期二、合金元素：、合金元素：除除Co、Al以外，大多数合金元素总以外，大多数合金元素总使使Ms、Mf下降。下降。化学成分对化学成分对Ms点的影响的原因：点的影响的原因：（1）、改变了）、改变了T0；（2）、改变了奥氏体的强度。）、改变了奥氏体的强度。合金元素对合金元素对Ms的影响的影响 第67页，共89页，编辑于2022年，星期二（二）、加热规程的影响：（二）、加热规程的影响：加热温度和保温时间的影响是两方面的：加热温度和保温时间的影响是两方面的：1、提高奥氏体化加热温度和保温时间，奥氏体晶粒长大，缺陷减少及奥、提高奥氏体化加热温度和保温时间，奥氏体晶粒长大，缺陷减少及奥氏体均匀化。马氏体形成的阻力减小，氏体均匀化。马氏体形成的阻力减小，Ms升高。升高。2、提高奥氏体化加热温度和保温时间，有利于碳和合金元素溶入奥、提高奥氏体化加热温度和保温时间，有利于碳和合金元素溶入奥氏体中。氏体中。Ms下降。下降。若排除化学成分的影响，提高奥氏体化加热温度和保温时间，使若排除化学成分的影响，提高奥氏体化加热温度和保温时间，使Ms升升高。高。（三）、冷却速度：（三）、冷却速度：一般的生产条件下，冷却速度不改变一般的生产条件下，冷却速度不改变Ms，但是在高速淬火时，但是在高速淬火时，Ms随冷却速度的增大而升高。随冷却速度的增大而升高。第68页，共89页，编辑于2022年，星期二（四）、应力：（四）、应力：在奥氏体状态下施加拉应力或单向压应力会促进马氏体形成，在奥氏体状态下施加拉应力或单向压应力会促进马氏体形成，Ms升高。升高。在奥氏体状态下施加多向压应力会阻碍马氏体形成，在奥氏体状态下施加多向压应力会阻碍马氏体形成，Ms下降。下降。（五）、塑性变形：（五）、塑性变形：1、若在、若在Ms Md温度范围内经塑性变形会促进奥氏体在该温度下向马温度范围内经塑性变形会促进奥氏体在该温度下向马氏体转变，使氏体转变，使Ms升高，产生应变诱发马氏体。升高，产生应变诱发马氏体。2、若在、若在MsMf温度范围内的某一温度进行塑性变形也会促进奥氏体温度范围内的某一温度进行塑性变形也会促进奥氏体在该温度下向马氏体转变。在该温度下向马氏体转变。3、若在、若在Md以上某一温度范围内经塑性变形不会产生应变诱发马氏体。以上某一温度范围内经塑性变形不会产生应变诱发马氏体。第69页，共89页，编辑于2022年，星期二（六）、存在先共析马氏体组织：（六）、存在先共析马氏体组织：马氏体转变之前存在珠光体，马氏体转变之前存在珠光体，Ms点升高。点升高。奥氏体转变为珠光体时，渗碳体为领先相，珠光体优先在富碳的奥奥氏体转变为珠光体时，渗碳体为领先相，珠光体优先在富碳的奥氏体区形成。氏体区形成。马氏体转变之前存在贝氏体，马氏体转变之前存在贝氏体，Ms点下降。点下降。奥氏体转变为贝氏体时，铁素体为领先相，贝氏体优先在贫碳的奥氏体奥氏体转变为贝氏体时，铁素体为领先相，贝氏体优先在贫碳的奥氏体区形成。区形成。第70页，共89页，编辑于2022年，星期二马氏体转变动力学马氏体转变动力学马氏体转变的动力学主要有以下几种方式：变温转变、等温转变、爆马氏体转变的动力学主要有以下几种方式：变温转变、等温转变、爆发式转变、表面转变。发式转变、表面转变。一、变温瞬时形核、瞬时长大（变温马氏体转变）：一、变温瞬时形核、瞬时长大（变温马氏体转变）：出现于碳钢及低合金钢中、为变温转变。出现于碳钢及低合金钢中、为变温转变。过冷奥氏体向马氏体转变是在连续冷却过程中进行。转变量是过冷奥氏体向马氏体转变是在连续冷却过程中进行。转变量是在在MsMf范围内，通过不断降温来增加的。范围内，通过不断降温来增加的。第71页，共89页，编辑于2022年，星期二特点：变温瞬时形核，快速长大。特点：变温瞬时形核，快速长大。(1)、变温瞬时形核：当奥氏体过冷、变温瞬时形核：当奥氏体过冷MS点以下时开始以极快的速度点以下时开始以极快的速度形核，必须继续降温，才能继续形核，形核的速度极快，形核无孕育形核，必须继续降温，才能继续形核，形核的速度极快，形核无