第七章马氏体转变PPT讲稿.ppt
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1、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
2、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,
3、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
4、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
5、,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
6、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,
7、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,
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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,
18、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
19、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
20、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
21、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
22、 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
23、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
24、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
25、,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
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