固态相变第三章PPT讲稿.ppt
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1、固态相变第三章第1页,共46页,编辑于2022年,星期六第三章第三章 马氏体相变马氏体相变Martensitic Transformation前前 言言 淬火能提高钢的硬度的本质还并不清楚十九世纪末期 钢在加热与冷却过程中,内部相组成发生了变化,引起了钢性能的改变。1895年,为了纪念著名的德国冶金学家Adolph Martens,法国著名冶金学家Osmond建议:将钢经淬火所得的高硬度相称为马氏体马氏体;将母相向马氏体转变的相变统称为马氏体相变马氏体相变。淬火后的组淬火后的组织?织?第2页,共46页,编辑于2022年,星期六1926-1927年,Fink Campbell用X射线结构分析方法
2、测得钢中的马氏体是体心正方结构,马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳马氏体就是碳在-Fe中的过饱和间隙固溶体。开创了马氏体相变研究的先河。1924年,Bain切变模型1929年,周志宏发现马氏体也可以是bcc结构,不是过饱和固溶体。1930年,Kurdjumov和Sacks测得马氏体与母相奥氏体保持K-S关系;提出 K-S切变模型。1934年,西山关系。1948年,Kurdjumov提出马氏体相变也是形核长大的过程,但不发生组元扩散的切变相变。第3页,共46页,编辑于2022年,星期六1949年,Greniger,Troiano提出马氏体相变是无扩散切变相变,无需形核和长大过程;提出马氏体转变
3、的G-T关系;G-T切变模型。1950年,Morris Cohen开始倡议马氏体相变热力学马氏体相变热力学马氏体相变热力学马氏体相变热力学研究,一直延续至二十世纪80年代。1960年,Kelly等人,透射电镜观察将马氏体的形态区分为高碳型的透镜状(片状和针状)以及低碳型的条状为马马马马氏体形态学氏体形态学氏体形态学氏体形态学奠定了基础。1964年,Wayman,“马氏体相变晶体学马氏体相变晶体学马氏体相变晶体学马氏体相变晶体学导论”阐述了晶体学表象理论,较好地解释了马氏体转变晶体学机制。目前主要方向:建立马氏体相变热力学和动力学模型,进行组织形态的计算机模拟 建立马氏体晶体学、能量学的统一模型
4、 纳米晶体的马氏体相变第4页,共46页,编辑于2022年,星期六第一节第一节 马氏体马氏体(M)相变的主要特征相变的主要特征一.马氏体转变的非恒温性马氏体转变的非恒温性奥氏体以大于某一临界速度V的临界速度冷却到某一温度,不需孕育,转变立即发生.并且以极大速度进行,但很快停止.这一温度称为马氏体转变开始温度,用Ms代表.马氏体转变在不断降温的条件下才能进行.马氏体转变量是温度的函数,与等温时间无关(如图所示).MsMf第5页,共46页,编辑于2022年,星期六实验测定出母相与新相成分一致.在钢中,曾测出奥氏体的含碳量马氏体含碳量,转变前后碳含量没有变化。而且,马氏体形成速度极快,一片马氏体在 5
5、10-5510-7秒内生成.即使在-20-196以下也是同样快速,而C原子在-60以上才能进行有效扩散,此温度远高于相变温度的下限-196,故转变时不会有扩散扩散发生.二.无扩散性无扩散性?第6页,共46页,编辑于2022年,星期六a)1979年,Thomas以高分辨率电子显微镜发现:在含碳0.27%的碳钢中,条间奥氏体内含C量达0.4%1.04%,远远大于钢的平均含碳量,说明碳原子有可能从马氏体扩散到奥氏体,与多数实验测定的结果不同.1981年,再以场离子电镜和原子探针给予证实b)上海交大徐祖耀计算出马氏体内C原子扩散需时间为 7.310-310-7s,而条状M形成时间为10-3-10-6s
6、,比较两者时间,说明扩散跟得上马氏体转变的速度,即转变时可能有扩散发生.近年来,一些实验和计算结果对上述观点提出了疑问:第7页,共46页,编辑于2022年,星期六虽然这二个结果不足以推翻过去的马氏体相变无扩散的结论,但至少表明尚存有不同的观点.马氏体相变不是“完全”无扩散过程,间隙原子(离子)可能扩散,这种扩散并不是马氏体相变的主要或必需的过程徐提出了一个对M简单的定义“替换(置换)原子无扩散切变(原子沿相界面做协作运动),使其形状改变的相变”第8页,共46页,编辑于2022年,星期六三.马氏体转变的切变共格和表面浮突马氏体转变的切变共格和表面浮突预先磨光表面的试样,在马氏体相变后表面产生突起
7、,这种现象称之为表面浮突现象。宏观现象表明,M相变为切变 在上述相变时,相界面宏观上不转动,也不变形,所以相界面称为不变平面;当相界面为不变平面时,界面上原子既属于新相,又属于母相,这种界面称为共格界面.不变平面也可以不是相界面,为中脊面.相界面中脊面第9页,共46页,编辑于2022年,星期六四.位向关系及惯习面位向关系及惯习面惯习面:与新相主平面或主轴平行的旧相晶面惯习面:与新相主平面或主轴平行的旧相晶面位向关系:新相、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关位向关系:新相、旧相某些低指数晶面、晶向的对应平行关系。系。(1)相变时,整体相互移动一段距离,相邻原子的相对位置无变化,做小于一个原子间
8、距位置的位移,因此A与M保持一定的严格的晶体学位向关系.(2)不变平面又称为惯习面,马氏体即在此平面上形成,如中脊面.五.马氏体转变的可逆性马氏体转变的可逆性由MA的转变称为马氏体的逆转变,逆转变开始的温度称为As,结束的温度称为Af.第10页,共46页,编辑于2022年,星期六思考:钢铁材料中观察不到马氏体逆转变的原因.因为FeC合金中的马氏体是碳溶于-Fe形成的过饱和固溶体,极不稳定,加热时极易析出碳化物而发生分解,马氏体被加热到高温以前就已经分解了,因此,也就观察不到由马氏体向奥氏体的逆转变。有科学家以5000/S的速度加热进行研究,观察到了含碳马氏体的逆转变。第11页,共46页,编辑于
9、2022年,星期六第二节马氏体转变的晶体学第二节马氏体转变的晶体学一.马氏体的晶体结构奥氏体具有面心立方点阵,溶入的碳原子位于铁原子所组成的正八面体中心,即:M转变时,面心立方的A通过切变转变为体心立方的-Fe第12页,共46页,编辑于2022年,星期六二.马氏体转变的贝茵模型 由Bain于1924年提出,此模型便于说明点阵的改组。图中a,b,c为体心正方点阵的点阵常数,a0为面心立方点阵的点阵常数,则有:a=b=0.5(2)1/2 a0,c=a0,c/a=c/b=a0/0.5(2)1/2a0=21/2=1.414.abc,体心立方,体心立方 abc,体心正方,碳过饱和固溶,体心正方,碳过饱和
10、固溶MA第13页,共46页,编辑于2022年,星期六实验验证:T10钢中,c/a=1.04若将Z轴压缩18%,该方向a0-18%a0=0.82 a0 若将 X 轴或 Y 轴伸长12%,该方向0.5(2)1/2 a0 +0.5(2)1/2a0 12%=0.5(2)1/2 a0 112%=0.79196 a0则变形后的 c/a=0.82/0.79196=1.035,与T10钢的c/a接近.这样就说明了点阵的改组.第14页,共46页,编辑于2022年,星期六C含量对c,a的影响可见式(3-1).c=0+(3-1a)a=0-(3-1b)c/a=1+(3-1c)式中:0=0.2861 nm(-Fe点阵参
11、数);=0.1160.002;=0.0130.002;=0.0460.001;马氏体碳含量(重量%).第15页,共46页,编辑于2022年,星期六三.马氏体的异常正方度有些钢的马氏体的正方度偏离式(3-1)的数值,测试表明,是由于C原子在间隙点阵中的有序与无序分布造成的.c/a=1+X位置Y位置Z位置当大于80%的C原子位于Z位置时,测试得到的正方度要高于公式给出的数值,称为异常高;反之,称为异常低;当80%的C原子位于Z位置,剩下的C原子均匀分布在X、Y二个位置时,才会出现正常的正方度。当碳含量小于0.2%时,C原子偏聚于马氏体的位错线或是均匀地分布在X、Y和Z三个位置上,即处于完全无序状态
12、;C原子的存在虽然引起点阵常数的增加,但不会改变正方度,c/a 接近1。第16页,共46页,编辑于2022年,星期六四.惯习面与位向关系(1)惯习面惯习面马氏体转变的不变平面,总是平行或接近A的某一晶面,并随A中含碳量及马氏体形成温度而变化.当C含量 0.6%时,惯习面为111A;当C含量处于0.6%1.4%时,惯习面为225A;当C含量处于1.4%2.0%时,惯习面为259A。惯习面也可因马氏体形成温度而变化.对于C量较高的钢,先形成的M的惯习面为225A,后形成的M的惯习面为259A。第17页,共46页,编辑于2022年,星期六(2)位向关系位向关系(a)K-S关系关系1930年,库尔鸠莫
13、夫与Sachs在1.4%C的碳钢中发现,M与A有下述关系:110M/111A;M/A-1-11M-101A(101)M(1-11)A贝茵模型贝茵模型xAxMYMZMZAYA第18页,共46页,编辑于2022年,星期六(b)西山关系西山关系1934年,西山在铁镍合金中发现,在室温以上形成的M与A之间存在K-S关系,而在-70以下形成的M与A呈下列关系:110M/111A;M/A。(c)G-T关系关系1949年,Grenigen与Troiano 在Fe-Ni-C合金中发现,M与A的位向接近K-S关系,但略有偏差,其中晶面差1度,晶向差2度,称为G-T关系。第19页,共46页,编辑于2022年,星期
14、六第三节第三节 马氏体的组织形态马氏体的组织形态P119一 马氏体的形态1.板条马氏体板条马氏体板条群板条群:A,B,C,D由若干个尺寸大致相同的板条在空间位向大致平行排列组成;35个板条群。2035m同位向束同位向束,马氏体块马氏体块板条群又可以分为几个平行的区域板条群可由一种同位向束组成同位向束由若干个平行板条组成,每个板条为一个马氏体单晶马氏体单晶0.55.020 m稠密的M板条多被连续的高度变形的残余奥氏体薄膜残余奥氏体薄膜(20 m厚度)隔开,该薄膜碳含量较高,在室温下稳定。第20页,共46页,编辑于2022年,星期六板条M的亚结构为位错密度高达(0.30.9)1012/cm2,故称
15、位错M.2.透镜片状马氏体透镜片状马氏体(简称片状简称片状M)出现于中、高碳钢中.立体外形呈双凸透镜状,断面为针状或竹叶状.马氏体相变时,第一片分割奥氏体晶粒,以后的马氏体片愈来愈小。M形成温度高时,惯习面为225A,符合K-S关系;形成温度低时,惯习面为259 A,符合西山关系.片状M的亚结构为112M的孪晶.第21页,共46页,编辑于2022年,星期六影响影响M形态及其内部亚结构的因素形态及其内部亚结构的因素1.化学成分奥氏体中碳含量的影响最为重要,在碳钢中,当C含量:C1.0%时,生成片状M,亚结构为孪晶;C为0.31.0%时,生成混合型组织(片状+板条)。2.形成温度MS点高的A,冷却
16、后形成板条M,亚结构为位错;MS点低的A,冷却后形成片状M,亚结构为孪晶;MS点不高不低的A,冷却后形成混合型组织(片状+板条M),亚结构为位错+孪晶.第22页,共46页,编辑于2022年,星期六第四节第四节 马氏体转变的热力学马氏体转变的热力学一.马氏体转变的热力学条件马氏体和奥氏体的自由能均随温度上升而下降,到 T0 温度时二者相等(如图).与加热转变不同,当 A 被过冷到略低于 T0 时,M转变并不发生,必须过冷到T0以下某一温度MS时,才会发生M转变。T0 A自由能与M自由能相等的温度MS M开始转变温度,即达到可提供马氏体相变所需的最小驱动力的温度Mf M连续转变的最低温度点.第23
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