马氏体转变特征.ppt
马氏体及其转变马氏体及其转变倪俊杰倪俊杰聊城大学聊城大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 Martensite and Its Transformation16-1主要内容主要内容6.1、马氏体概况、马氏体概况6.2、马氏体转变特征、马氏体转变特征6.3、马氏体转变机制、马氏体转变机制6.4、马氏体转变热、马氏体转变热/动力学动力学6.5、热弹性马氏体与形状记忆效应、热弹性马氏体与形状记忆效应6.6、小结、小结Chapter 6 Martensite and Its Transformation2晶体结构晶体结构马氏体形马氏体形态态力学力学/物理物理性能性能6.1、马氏体概况、马氏体概况Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-23稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过过冷冷奥奥氏氏体体区区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+转转 变变 区区产产物物区区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间时间(s)300102103104101800100200500600700温度温度()0400A1MsMf-1000Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-3马氏体的结构？马氏体的结构？4晶体结构晶体结构马氏体是马氏体是碳碳在在Fe中的中的过饱和固溶体过饱和固溶体，用符号，用符号M表示。表示。A M（）fcc 体心正方体心正方成分不变成分不变结构变化结构变化由于碳的过饱和作用由于碳的过饱和作用,使使 Fe晶格由体心立方变成体晶格由体心立方变成体心正方晶格。心正方晶格。致使马氏体具有体心正方晶格致使马氏体具有体心正方晶格(a=b c)C原子原子Fe原子原子Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-45碳原子可能分布的位置：碳原子可能分布的位置：6-5Chapter 6 Martensite and Its Transformation6ca碳择优分布在碳择优分布在c c轴方向上的轴方向上的八面体间隙位置。这使得八面体间隙位置。这使得c c轴伸长，轴伸长，a a轴缩短，晶体结轴缩短，晶体结构变为构变为体心正方体心正方。轴比轴比c/a 马氏体的正方马氏体的正方度。度。6-6Chapter 6 Martensite and Its Transformation7C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。越高，正方度越大，正方畸变越严重。当当0.20%C时，时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格，此时马氏体为体心立方晶格Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-7碳含量对正方度的影响碳含量对正方度的影响8c=a0 +a=a0 c/a=1+a=b=c 立方结构立方结构 a=bc 正方结构正方结构a0Fe的晶格常数的晶格常数M的含碳量的含碳量，常数常数X射线结构分析测得含碳量与射线结构分析测得含碳量与M点阵常数关系点阵常数关系6-8Chapter 6 Martensite and Its Transformation9PSTA1温度温度()MsV1P炉冷炉冷V2S空冷空冷V3油冷油冷V4MAR水冷水冷VkPST 实际生产实际生产 连续冷却连续冷却Mf板条状板条状蝶状蝶状片状片状薄片状薄片状位错位错孪晶孪晶马氏体形态马氏体形态Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-9 10板条马氏体板条马氏体奥氏体晶粒内包奥氏体晶粒内包含几个群，群内含几个群，群内存在位向差时，存在位向差时，会形成几个束会形成几个束.群和束都是由板群和束都是由板条组成。群、束条组成。群、束之间均为之间均为大角度大角度晶界晶界，板条之间，板条之间为为小角度晶界小角度晶界。Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-10 11Large-&low-angle boundariesChapter 6 Martensite and Its Transformation6-11 12组织单元：组织单元：群群束束板条板条取向关系取向关系：K-S,K-S,惯习面：惯习面：111r111r光镜下光镜下马氏体束马氏体束马氏体群马氏体群马氏体群：马氏体群：同惯习面，形态上呈平行排列的板条集团同惯习面，形态上呈平行排列的板条集团马氏体束：马氏体束：同惯习面，同取向（晶面平行关系）的板条集团同惯习面，同取向（晶面平行关系）的板条集团马氏体板条：马氏体板条：马氏体的最基本单元马氏体的最基本单元(单晶体单晶体)，窄而细长。多，窄而细长。多数板条宽度数板条宽度0.1-0.20.1-0.2微米，长度小于微米，长度小于1010微米，板条间往往存在微米，板条间往往存在薄膜状薄膜状(200nm)的残余奥氏体的残余奥氏体Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-12 13板条马氏体的亚结板条马氏体的亚结构主要为构主要为高密度的高密度的高密度的高密度的位错位错位错位错，位错形成位，位错形成位错网络错网络(缠结缠结)，位错，位错密度随含碳量增加密度随含碳量增加而增大，常为而增大，常为(0.30.30.90.9)10101212/cm/cm3 3.故故称位错马氏体。称位错马氏体。Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-13 14蝶状马氏体蝶状马氏体6-14特征：特征：断面上两翼结合断面上两翼结合部分很象片状马氏体中部分很象片状马氏体中脊，由此向两侧张成取脊，由此向两侧张成取向不同的马氏体。立体向不同的马氏体。立体形状形状“V”V”形柱状，断形柱状，断面呈蝴蝶状。面呈蝴蝶状。亚结构：亚结构：高密度位错。高密度位错。Chapter 6 Martensite and Its Transformation15片状马氏体片状马氏体双凸透镜双凸透镜片状片状中脊中脊第第1 1片贯穿片贯穿整个晶粒，整个晶粒，互不平行，互不平行，愈来愈小。愈来愈小。残余奥氏体残余奥氏体分布在马氏体片间分布在马氏体片间Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-15 16Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-16 17高碳钢高碳钢W W W WC C C C1.0%1.0%1.0%1.0%中中出现出现亚结构亚结构孪晶孪晶Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-17 18a coherent twin boundaryan incoherent twin boundaryf f Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-18 19薄片状马氏体薄片状马氏体-马氏体马氏体特征：特征：立体形状为薄片状，其金相形态呈很细的带状立体形状为薄片状，其金相形态呈很细的带状、并且相互交叉、分枝、曲折等形态。、并且相互交叉、分枝、曲折等形态。亚结构：亚结构：孪晶，但无中脊孪晶，但无中脊(与片状马氏体区别与片状马氏体区别)点阵结构：点阵结构：密排六方（其它马氏密排六方（其它马氏体均为体心立方或体心正方点阵体均为体心立方或体心正方点阵结构）结构）特征：特征：薄片状薄片状亚结构：亚结构：高密度层错高密度层错原因：原因：奥氏体的层错能较低形成奥氏体的层错能较低形成Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-19 20显微裂纹显微裂纹高碳钢高碳钢Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-20 21混合马氏体混合马氏体Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-21 22最主要的两个因素是：最主要的两个因素是：最主要的两个因素是：最主要的两个因素是：奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。马氏体形态和亚结构的因素马氏体形态和亚结构的因素Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-22 23HRCC%Ar硬度硬度/HRCAr(%)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.47060504030201070605040302010321曲线曲线3马氏体的硬度马氏体的硬度曲线曲线2高于高于Ac1淬火后淬火后 钢的硬度钢的硬度曲线曲线1高于高于Ac3或或Accm 淬火后钢的硬度淬火后钢的硬度马氏体强度和硬度马氏体强度和硬度碳含量分数对马氏体和淬火钢碳含量分数对马氏体和淬火钢硬度及残余奥氏体的影响硬度及残余奥氏体的影响Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-23 241234马氏体高硬高强的本质马氏体高硬高强的本质马氏体高硬高强的本质马氏体高硬高强的本质固溶强化固溶强化相变强化相变强化时效强化时效强化细晶强化细晶强化Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-24 25过饱和碳原子溶入马氏体间隙引起强烈点阵畸变，形成以碳原过饱和碳原子溶入马氏体间隙引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位。子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位。固溶强化固溶强化马氏体的碳浓度马氏体的碳浓度 Wc 100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度硬度(HRC)Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-25 26相变强化相变强化相变强化相变强化：马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度：马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构很高的亚结构(位错位错/孪晶孪晶)，这些缺陷阻碍位错的运动，这些缺陷阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。，使马氏体得到强化。孪晶对孪晶对M M的强的强度硬度有附度硬度有附加贡献。加贡献。C%相同时，孪晶相同时，孪晶M硬度硬度位错位错MChapter 6 Martensite and Its Transformation6-26 27马氏体在淬火后室温停留期间、马氏体在淬火后室温停留期间、或在外力作用下，使碳原子通过或在外力作用下，使碳原子通过扩散，发生碳原子偏聚和析出、扩散，发生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物弥散析出，使马氏甚至以碳化物弥散析出，使马氏体晶体内产生超显微不均匀，引体晶体内产生超显微不均匀，引起时效强化起时效强化Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-27时效强化时效强化28bslip planeprecipitatebbDt Dt r Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-28 291)M1)M形成能松弛塑变所造的局形成能松弛塑变所造的局部应力集中，防止裂纹形成或部应力集中，防止裂纹形成或裂纹扩展。裂纹扩展。2)2)发生塑性变形区，有形变诱发生塑性变形区，有形变诱发发M M产生，使已塑变区继续变产生，使已塑变区继续变形困难，抑制缩颈的形成。使形困难，抑制缩颈的形成。使塑性和韧性提高塑性和韧性提高在马氏体转变过程中塑性有所增加在马氏体转变过程中塑性有所增加-相变诱发塑性。相变诱发塑性。马氏体相变塑性马氏体相变塑性Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-29 30Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-30 31马氏体韧性马氏体韧性C%:0.4%，韧性低，韧性低，硬而脆硬而脆Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-310.20.232马氏体韧性主要决定于马氏体韧性主要决定于亚结构亚结构Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-32 33Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-33 34 马氏体强度和硬度主要取决于其含马氏体强度和硬度主要取决于其含C C量。量。马氏体塑性和韧性主要取决于其亚结构。马氏体塑性和韧性主要取决于其亚结构。位错型马氏体具有较高强度，硬度和良好的塑韧性（强韧性）位错型马氏体具有较高强度，硬度和良好的塑韧性（强韧性）孪晶型马氏体强度，硬度很高，但塑韧性较低。孪晶型马氏体强度，硬度很高，但塑韧性较低。故在保证足够强度，硬度前提下，应尽量减少孪晶故在保证足够强度，硬度前提下，应尽量减少孪晶M M的数量。的数量。小小 结结Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-34 35(1)(1)比容比容马氏体比容比奥氏体大马氏体比容比奥氏体大;(2)(2)磁性磁性铁磁性铁磁性(可用磁性法测量马氏体转变量可用磁性法测量马氏体转变量)、高矫顽力；、高矫顽力；(3)(3)电阻电阻电阻比珠光体大。电阻比珠光体大。马氏体的物理性能马氏体的物理性能Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-35 366.2、马氏体转变特征、马氏体转变特征Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-36(1)(1)马氏体转变的非恒温性马氏体转变的非恒温性(2)(2)马氏体转变的无扩散性马氏体转变的无扩散性(3)(3)马氏体转变的可逆性马氏体转变的可逆性(4)(4)马氏体转变的位向关系和关系面马氏体转变的位向关系和关系面(5)(5)马氏体转变的表面浮凸效应和共格性马氏体转变的表面浮凸效应和共格性37(1)(1)转变的非恒温性转变的非恒温性Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-37马氏体的转变是在一个温度范围内进行的马氏体的转变是在一个温度范围内进行的38l马氏体转变开始的温度称马氏体转变开始的温度称上马氏体点，上马氏体点，用用MsMs 表示。表示。l马氏体转变终了温度称马氏体转变终了温度称下马氏体点，下马氏体点，用用M Mf f 表示表示.l只要温度达到只要温度达到Ms Ms 以下即发生马氏体转变。以下即发生马氏体转变。l在在Ms Ms 以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。马氏体转变量是在马氏体转变量是在MsMsM Mf f温度范围内，通过不断降温来增加的，温度范围内，通过不断降温来增加的，即马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关即马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关。Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-37 39原子切变变化位置原子切变变化位置界面推移界面推移M共格切变共格切变A 母相点阵上原子从一种排列转变到另一种排列母相点阵上原子从一种排列转变到另一种排列,原来相邻原来相邻两个原子在相变后仍然相邻两个原子在相变后仍然相邻,它们之间相对位置不超过一个原它们之间相对位置不超过一个原子间距。即碳原子没有经过扩散就可进行马氏体转变。子间距。即碳原子没有经过扩散就可进行马氏体转变。(2)(2)转变的无扩散性转变的无扩散性 只有点阵改组，没只有点阵改组，没有成分变化有成分变化Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-39 40马氏体无扩散性证据：马氏体无扩散性证据：a.碳钢中马氏体转变前后碳浓度没有发碳钢中马氏体转变前后碳浓度没有发生变化，仅发生晶格切变；生变化，仅发生晶格切变；b.马氏体转变可以在超低碳合金中发生马氏体转变可以在超低碳合金中发生，而且转变速度极快，说明无碳扩散参，而且转变速度极快，说明无碳扩散参与。与。c.转变可在极低的温度进行（转变可在极低的温度进行（4K），此），此时相变已不可能以扩散方式进行时相变已不可能以扩散方式进行Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-40 41(3)(3)转变的可逆性转变的可逆性 马氏体加热变为奥氏体马氏体加热变为奥氏体(一般碳钢不可以一般碳钢不可以)As/Af(Fe-Ni:AsAs/Af(Fe-Ni:As比比MsMs高高410410;Au-Cd:AsAu-Cd:As比比MsMs高高1616)热弹马氏体是创作形状记忆合金的基础热弹马氏体是创作形状记忆合金的基础 6-41 42(4)(4)位向关系及惯习面位向关系及惯习面马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系 位向关系和惯习面位向关系和惯习面 Chapter 6 Martensite and Its Transformation马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面就是马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面就是惯习面惯习面。111A、225A、259A。通常：碳含量通常：碳含量0.5%时，惯习面为时，惯习面为111A；碳含量碳含量0.51.4%，惯习面为，惯习面为225A；碳含量碳含量1.51.8%，惯习面为，惯习面为259A 6-42 43位向关系位向关系 相相变变时时，整整体体相相互互移移动动一一段段距距离离，相相邻邻原原子子的的相相对对位位置置无无变变化化。作作小小于于一一个个原原子子间间距距位位置置的的位位移移，因因此此奥奥氏氏体体与与马马氏氏体体保持一定的严格的晶体学位向关系。保持一定的严格的晶体学位向关系。(1 (1 (1 (1）KSKSKSKS关系关系关系关系 晶向：晶向：111111M M011011A A （2 2 2 2）西山关系）西山关系）西山关系）西山关系 晶向：晶向：110110M M112112A A （3 3 3 3）GTGTGTGT关系关系关系关系 晶向：晶向：111111M M101101A A Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-43 44(5)(5)表面浮凸效应和共格性表面浮凸效应和共格性 马氏体转变产生的表面浮凸马氏体转变产生的表面浮凸Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-44马氏体转变时在预先磨光试样表面上形成有规则的表面马氏体转变时在预先磨光试样表面上形成有规则的表面浮凸浮凸(切变使马氏体表面出现一边凹陷、一边凸起，并带动切变使马氏体表面出现一边凹陷、一边凸起，并带动附近奥氏体也发生弹性切变附近奥氏体也发生弹性切变)。说明马氏体形成说明马氏体形成与母相奥氏体宏与母相奥氏体宏观切变密切相关。观切变密切相关。45Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-45界面上原子为马氏体与奥氏体共有界面上原子为马氏体与奥氏体共有马氏体切变方式马氏体切变方式46Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-46 47Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-476.3、马氏体转变模型、马氏体转变模型(1)Bain 模型模型(2)K-S切变模型切变模型(3)G-T模型模型48f.c.c可看作体心正方可看作体心正方其轴比其轴比c/a=1.414A点阵只需适当变形，调整轴比，使之达到与含碳点阵只需适当变形，调整轴比，使之达到与含碳量对应的量对应的M正方度时，正方度时，A即可转变成即可转变成M。(1)Bain(1)Bain模型模型Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-48 49（111）A(011)MXMYMZMXAYAZA模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-49 50(2)K-S模型模型如何由如何由fcc转变为转变为bcc点阵？点阵？先看奥氏体先看奥氏体111面面Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-50 51第一层第一层第二层第二层第三层第三层将三层相邻将三层相邻(111)(111)A A晶面对某一层作垂直投影晶面对某一层作垂直投影120Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-51 52马氏体马氏体011面面Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-52 53第一层第一层第二层第二层第三层第三层将三层相邻（将三层相邻（011011）面对某一层作垂直投影）面对某一层作垂直投影10928Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-53 54第一层第一层第二层第二层第三层第三层120111A第二层原子沿第二层原子沿方向做第一次切变沿方向做第一次切变沿方向做第二次切变方向做第二次切变110M10928Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-54 55Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-55 56Chapter 6 Martensite and Its Transformation(3)G-T模型模型相变经一次宏观均匀切变和一次宏观非均匀切变相变经一次宏观均匀切变和一次宏观非均匀切变57Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-57 58Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-58 59Chapter 6 Martensite and Its Transformation60Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-606.4、马氏体转热、马氏体转热/动力学动力学61Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-61马氏体转变热力学条件马氏体转变热力学条件为什么有热滞为什么有热滞？62驱动力：驱动力：阻力：阻力：Chapter 6 Martensite and Its Transformation63Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-63M转变自由能变化转变自由能变化64Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-64Ms点的因素点的因素65Chapter 6 Martensite and Its Transformation66Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-66 67Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-67 68Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-68应力：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。塑性变形：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，使下向马氏体转变，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。氏体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。氏体。69Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-69用外力能否改变马氏体转变？用外力能否改变马氏体转变？7071Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-71 7273Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-73马氏体形成动力学特点马氏体形成动力学特点74Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-74 75Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-75为什么为什么MsMs温度温度在在300300摄氏度摄氏度？76Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-76 77Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-77为什么呈为什么呈C形形?78Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-78 79Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-79 80Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-80 81Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-81 82Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-82 83Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-83 84Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-84 85Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-85 86Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-86 87Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-87 88Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-886.5 热弹性马氏体与形状记忆效应热弹性马氏体与形状记忆效应89Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-89(3)母相弹性极限要高母相弹性极限要高90Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-90 91Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-91 92Chapter 6 Martensite and Its Transformation形状记忆效应的应用形状记忆效应的应用93Chapter 6 Martensite and Its Transformation6-936.6 小结小结94
