馬氏體相變ppt課件

1、1;.2;.何為馬氏體？何為馬氏體？ 馬氏體最初是在鋼中發(fā)現(xiàn)的：將鋼加熱到一定溫度后經(jīng)迅速冷卻，得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。1895年法國人奧斯蒙為紀(jì)念德國冶金學(xué)家馬滕斯，把這種組織命名為馬氏體。人們最早只把鋼中由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。最早認(rèn)為馬氏體是碳溶于-Fe中的過飽和間隙式固溶體。 后來相繼發(fā)現(xiàn)在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變，如：Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本特征屬馬氏體相變型的相變產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬

2、氏體。3;.馬氏體相變：相變過程是形成核心和長大的過程。馬氏體相變是無擴(kuò)散相變之一，相變時沒有穿越界面的原子無規(guī)行走或順序跳躍，因而新相（馬氏體）承襲了母相的化學(xué)成分、原子序態(tài)和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規(guī)則地保持其相鄰原子間的相對關(guān)系進(jìn)行位移,這種位移是切變式的。原子位移的結(jié)果產(chǎn)生點陣應(yīng)變(或形變) 。馬氏體：馬氏體相變的產(chǎn)物 無擴(kuò)散 點陣畸變 切變?yōu)橹?形狀變化 位移型4;.馬氏體相變的主要特征馬氏體相變的主要特征：l表面浮凸現(xiàn)象和切變共格性l馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性l慣習(xí)面和一定的位向關(guān)系l亞結(jié)構(gòu)l轉(zhuǎn)變的非恒溫性和不完全性l馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性5;.特征特征1：馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變

3、的無擴(kuò)散性馬氏體轉(zhuǎn)變時，晶體點陣的改組只依賴原子微量的協(xié)作遷移，而不依賴于原子的擴(kuò)散。這一特征稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性。 1）只有晶體結(jié)構(gòu)的變化，沒有成分的變化。 2）無擴(kuò)散并不是說轉(zhuǎn)變時原子不發(fā)生移動。注意間隙原子碳的擴(kuò)散，區(qū)別于置換原子的擴(kuò)散。6;.特征2：表面浮凸現(xiàn)象和切變共格性馬氏體轉(zhuǎn)變時在預(yù)先磨光的表面上產(chǎn)生有規(guī)則的表面浮凸。預(yù)先在磨光表面上劃一直線劃痕，相變后直線變?yōu)檎劬€，直線在新相、母相的界面不折斷，在新相晶內(nèi)不彎曲。7;.特征特征3：慣習(xí)面和一定的位向關(guān)系慣習(xí)面和一定的位向關(guān)系馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體，這個面稱為慣習(xí)（析）面慣習(xí)面即馬氏體轉(zhuǎn)變的不變平面，總是平

4、行或接近奧氏體的某一晶面，并隨奧氏體中含碳量及馬氏體形成溫度而變化。1）當(dāng)C含量小于0.2%時，慣習(xí)面為557，近 111；2）當(dāng)C含量處于0.5%1.4%時，慣習(xí)面為225；3）當(dāng)C含量高于1.5%時，慣習(xí)面為259。4）隨馬氏體形成溫度的下降，慣習(xí)面向高指數(shù)方向變化。8;.馬氏體奧氏體界面并不都是平面，有時呈彎曲狀，存在界面臺階。右圖為馬氏體-奧氏體的界面臺階模型和慣習(xí)面馬氏體轉(zhuǎn)變時新相和母相始終保持切變共格性，因此二者存在確定的位向關(guān)系。9;.特征特征4 4：亞結(jié)構(gòu)：亞結(jié)構(gòu)馬氏體轉(zhuǎn)變會在馬氏體中形成大量的晶體缺陷：位錯、孿晶、層錯等。如中低碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)為位錯；高碳馬氏體亞結(jié)構(gòu)為孿晶；馬

5、氏體的亞結(jié)構(gòu)為層錯。10;.特征特征5：轉(zhuǎn)變的非恒溫性和不完全性：轉(zhuǎn)變的非恒溫性和不完全性奧氏體以大于某一臨界冷卻速度的速度冷卻到某一溫度（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms），不需孕育，轉(zhuǎn)變立即發(fā)生，并且以極大速度進(jìn)行，但很快停止，不能進(jìn)行終了。為使轉(zhuǎn)變繼續(xù)進(jìn)行，必須繼續(xù)降低溫度，所以馬氏體轉(zhuǎn)變是在不斷降溫的條件下才能進(jìn)行。當(dāng)溫度降到某一溫度之下時，馬氏體轉(zhuǎn)變已不能進(jìn)行，該溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變終了點即Mf 。2. 馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，與等溫時間無關(guān)。馬氏體的降溫轉(zhuǎn)變稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的非恒溫性。由于多數(shù)鋼的 Mf 在室溫以下，因此鋼快冷到室溫時仍有部分未轉(zhuǎn)變奧氏體存在，稱為殘余奧氏體，記為Ar。有殘余奧

6、氏體存在的現(xiàn)象，稱為馬氏體轉(zhuǎn)變不完全性。要使殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，可采用冷處理。 11;.特征特征6：馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性：馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性在某些合金中，在某些合金中， 冷卻時冷卻時 M，而重新加熱時馬氏體又能，而重新加熱時馬氏體又能M ，這種特點稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的可，這種特點稱為馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性。逆性。逆轉(zhuǎn)變開始的溫度稱為逆轉(zhuǎn)變開始的溫度稱為As，結(jié)束的溫度稱為，結(jié)束的溫度稱為Af 。MA的逆轉(zhuǎn)變也是在一定溫度范圍內(nèi)（的逆轉(zhuǎn)變也是在一定溫度范圍內(nèi)（As-Af）進(jìn)行。）進(jìn)行。 形狀記憶合金的熱彈性馬氏體就是利用形狀記憶合金的熱彈性馬氏體就是利用了這個特點。了這個特點。 馬氏體轉(zhuǎn)變最主要的

7、和最基本的只有兩個：切變共格性和無擴(kuò)散性。其他的特點可由這兩個特馬氏體轉(zhuǎn)變最主要的和最基本的只有兩個：切變共格性和無擴(kuò)散性。其他的特點可由這兩個特點派生出來。點派生出來。12;.1、馬氏體可能的晶體結(jié)構(gòu)不僅鐵碳合金中而且在有色合金中也存在馬氏體，晶體結(jié)構(gòu)主要有體心立方、體心正方、密不僅鐵碳合金中而且在有色合金中也存在馬氏體，晶體結(jié)構(gòu)主要有體心立方、體心正方、密排六方、有序正交、有序面心立方、有序正方等晶體結(jié)構(gòu)。排六方、有序正交、有序面心立方、有序正方等晶體結(jié)構(gòu)。鋼中馬氏體是碳溶于鋼中馬氏體是碳溶于-Fe中的過飽和間隙式固溶體，記為中的過飽和間隙式固溶體，記為M或或。其中的碳擇優(yōu)分布在。其中的碳

8、擇優(yōu)分布在c軸方軸方向上的八面體間隙位置，圖中向上的八面體間隙位置，圖中a)分別為奧氏體正八面體間隙，分別為奧氏體正八面體間隙，b）馬氏體的扁八面體間隙。）馬氏體的扁八面體間隙。13;.1、鋼中馬氏體的組織形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)鋼中馬氏體的形態(tài)很多，但就其單元的形態(tài)特征和亞結(jié)構(gòu)的特點來看有五種，即：鋼中馬氏體的形態(tài)很多，但就其單元的形態(tài)特征和亞結(jié)構(gòu)的特點來看有五種，即： 1）板條板條狀狀馬氏體馬氏體 2）透鏡）透鏡片狀馬氏體片狀馬氏體 3）蝶狀馬氏體蝶狀馬氏體 4）薄片狀馬氏體薄片狀馬氏體 5）-馬氏體馬氏體其中板條其中板條狀狀馬氏體和馬氏體和透鏡透鏡片狀馬氏體最為常見片狀馬氏體最為常見 14;.板條板

9、條狀狀馬氏體馬氏體：常見于低碳鋼、馬氏體時效鋼、不銹鋼中。其顯微組織是由許多成群常見于低碳鋼、馬氏體時效鋼、不銹鋼中。其顯微組織是由許多成群的板條組成。亞結(jié)構(gòu)為位錯，也稱位錯馬氏體。的板條組成。亞結(jié)構(gòu)為位錯，也稱位錯馬氏體。一個原奧氏體晶粒內(nèi)可以有一個原奧氏體晶粒內(nèi)可以有35個馬氏體板條束個馬氏體板條束。板條單晶板條單晶板條塊板條塊板條束板條束馬氏體晶粒。馬氏體晶粒。板條馬氏體顯微組織特征示意圖15;.常見于淬火高、中碳鋼、及常見于淬火高、中碳鋼、及Fe-Ni-C鋼?？臻g形態(tài)呈凸透鏡片形狀，稱透鏡片狀馬氏體或片狀鋼?？臻g形態(tài)呈凸透鏡片形狀，稱透鏡片狀馬氏體或片狀馬氏體，試樣磨面相截在顯微鏡下呈

10、針狀或竹葉狀，又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體，亞結(jié)馬氏體，試樣磨面相截在顯微鏡下呈針狀或竹葉狀，又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體，亞結(jié)構(gòu)為孿晶，也稱孿晶馬氏體。構(gòu)為孿晶，也稱孿晶馬氏體。馬氏體片間相互不平行，先形成的第一片馬氏體貫穿整個原奧氏體晶粒，將奧氏體晶粒分成馬氏體片間相互不平行，先形成的第一片馬氏體貫穿整個原奧氏體晶粒，將奧氏體晶粒分成兩部分，使后形成的馬氏體片大小受到限制，因此馬氏體片的大小不同。兩部分，使后形成的馬氏體片大小受到限制，因此馬氏體片的大小不同。透鏡馬氏體顯微組織特征透鏡片狀馬氏體透鏡片狀馬氏體16;.蝶狀馬氏體蝶狀馬氏體：亞結(jié)構(gòu)為位錯，沒有孿晶。兩翼的慣習(xí)面為225，兩翼的

11、結(jié)合面100；馬氏體和奧氏體符合K-S關(guān)系。下面是蝶狀馬氏體圖K-S關(guān)系：17;.薄片狀馬氏體薄片狀馬氏體：亞結(jié)構(gòu)為孿晶。慣習(xí)面為259，和奧氏體符合K-S關(guān)系。亞結(jié)構(gòu)為112孿晶。與金相試樣磨面相截得到寬窄一致的平直的帶。存在曲折、分枝和交叉。18;.各種各種馬氏體馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)、慣習(xí)面、亞結(jié)構(gòu)、位向關(guān)系匯總表的晶體結(jié)構(gòu)、慣習(xí)面、亞結(jié)構(gòu)、位向關(guān)系匯總表19;.2、影響馬氏體形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)的因素、影響馬氏體形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)的因素 化學(xué)成分化學(xué)成分 馬氏體形成溫度馬氏體形成溫度 奧氏體的層錯能奧氏體的層錯能 奧氏體與馬氏體的強(qiáng)度奧氏體與馬氏體的強(qiáng)度 主要是化學(xué)成分和馬氏體形成溫度主要是化學(xué)成分和馬氏

12、體形成溫度20;.化學(xué)成分化學(xué)成分：片狀馬氏體的組織形態(tài)隨合金成分的變化而改變。片狀馬氏體的組織形態(tài)隨合金成分的變化而改變。對于碳鋼：對于碳鋼： 1）C%0.3%時，時， 板條馬氏體；板條馬氏體； 2）0.3%1.0%時，板條和透鏡片狀混合的馬氏體；時，板條和透鏡片狀混合的馬氏體； 3）C% 1.0%時，時， 全部為透鏡片狀馬氏體。并且全部為透鏡片狀馬氏體。并且 隨著隨著C%增加，殘余奧氏體的含量逐漸增加。增加，殘余奧氏體的含量逐漸增加。合金元素：合金元素： 1）縮?。┛s小相區(qū)，促進(jìn)板條馬氏體。相區(qū)，促進(jìn)板條馬氏體。 2）擴(kuò)大）擴(kuò)大相區(qū)，促進(jìn)透鏡片狀馬氏體。相區(qū)，促進(jìn)透鏡片狀馬氏體。21;.馬

13、氏體形成溫度馬氏體形成溫度隨著馬氏體形成溫度的降低，馬氏體的形態(tài)將按下列順序轉(zhuǎn)化：板條狀隨著馬氏體形成溫度的降低，馬氏體的形態(tài)將按下列順序轉(zhuǎn)化：板條狀透鏡片狀透鏡片狀蝶狀蝶狀薄薄板狀；亞結(jié)構(gòu)由位錯轉(zhuǎn)化為孿晶。板狀；亞結(jié)構(gòu)由位錯轉(zhuǎn)化為孿晶。1）Ms點高（點高（C%0.3%）的鋼：板條狀馬氏體；）的鋼：板條狀馬氏體；2）Ms點略低的鋼：板條狀和透鏡片狀混合的馬氏體；點略低的鋼：板條狀和透鏡片狀混合的馬氏體；3）Ms點更低的鋼：板條狀馬氏體不再能形成，轉(zhuǎn)變點更低的鋼：板條狀馬氏體不再能形成，轉(zhuǎn)變 為透鏡片狀馬氏體；為透鏡片狀馬氏體；4）Ms點極低的鋼：片狀馬氏體不再能形成，轉(zhuǎn)變?yōu)辄c極低的鋼：片狀馬氏

14、體不再能形成，轉(zhuǎn)變?yōu)?薄板狀馬氏體。薄板狀馬氏體。22;.1 1、FeFeC合金馬氏體相變的熱力學(xué)條件合金馬氏體相變的熱力學(xué)條件相變的驅(qū)動力相變的驅(qū)動力：理論上馬氏體相變的驅(qū)動力理論上馬氏體相變的驅(qū)動力:GV=GMGA0AM，GV必須小于零，必須小于零，即轉(zhuǎn)變溫度必須低于即轉(zhuǎn)變溫度必須低于T0以下以下需要過冷度很大，但要滿足該條件需要過冷度很大，但要滿足該條件必須降低到很低溫度必須降低到很低溫度Ms，Ms點很低。點很低。 23;. Ms是奧氏體和馬氏體兩相自由能之差達(dá)到相變是奧氏體和馬氏體兩相自由能之差達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動力值對應(yīng)的溫度。所需的最小驅(qū)動力值對應(yīng)的溫度。實際生產(chǎn)中，實際生產(chǎn)中，

15、 Ms點非常重要。對于一定成分的點非常重要。對于一定成分的合金，合金，T0一定，一定，Ms越低，則兩者之差越大，相變越低，則兩者之差越大，相變所需的驅(qū)動力越大。反之，相變所需的驅(qū)動力越所需的驅(qū)動力越大。反之，相變所需的驅(qū)動力越小。小。2、Ms 點的物理意義及其影響因素點的物理意義及其影響因素24;.3.奧氏體化學(xué)成分的影響奧氏體化學(xué)成分的影響碳含量的影響碳含量的影響化學(xué)成分的影響以化學(xué)成分的影響以C%的影響最為明顯的影響最為明顯C%增加，增加，Ms 和和Mf均下降，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間移向低溫，殘余奧氏體量增加。均下降，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間移向低溫，殘余奧氏體量增加。C%增加，增加，Ms呈連續(xù)下降

16、趨勢，當(dāng)呈連續(xù)下降趨勢，當(dāng)C%0.6%時，時，Ms下降比下降比Mf下降顯著，當(dāng)下降顯著，當(dāng)C%增加到增加到C%0.6%時，時，Mf下降緩慢直至基本不變。下降緩慢直至基本不變。25;.4.奧氏體化條件奧氏體化條件奧氏體化條件對奧氏體化條件對Ms影響具有雙重性影響具有雙重性加熱溫度高和保溫時間長，有利于加熱溫度高和保溫時間長，有利于C 及合金元素的原子充分溶入到奧氏體中（固溶強(qiáng)化），及合金元素的原子充分溶入到奧氏體中（固溶強(qiáng)化），降低降低Ms 點；但同時引起奧氏體晶粒長大，缺陷減少，晶界強(qiáng)化作用降低，切變阻力減小，點；但同時引起奧氏體晶粒長大，缺陷減少，晶界強(qiáng)化作用降低，切變阻力減小，Ms點有提高

17、趨勢。點有提高趨勢。26;.5.冷卻速度冷卻速度奧氏體在連續(xù)冷卻時，如果它的冷卻速度使奧氏體不可能發(fā)生向珠光體類組織的轉(zhuǎn)變，而使奧氏體急速過冷，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這種獲得馬氏體轉(zhuǎn)變的最低的冷卻速度，稱為臨界冷卻速度臨界冷卻速度。冷卻速度大于臨界冷卻速度時，奧氏體才能被過冷到Ms點以下而轉(zhuǎn)變成馬氏體。27;.Md馬氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動力馬氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動力形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變原理示意圖 G1 -形變補(bǔ)充的機(jī)械驅(qū)動力 G2 -化學(xué)驅(qū)動力28;.6.預(yù)先組織轉(zhuǎn)變預(yù)先組織轉(zhuǎn)變?nèi)赳R氏體轉(zhuǎn)變前預(yù)先部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，將會使Ms點升高；預(yù)先部分轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織，將會使Ms點降低。原因在于碳含量的不同：相對而言，珠光

18、體富碳，奧氏體貧碳；貝氏體貧碳，奧氏體富碳；碳少， 則Ms較高。29;.馬氏體相變是一個形核和核長大的過程，但是由于其具有轉(zhuǎn)變速度快的特點，研究其動力學(xué)轉(zhuǎn)變特點很困難，可以將馬氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)分成幾種情況。1）降溫形成馬氏體的動力學(xué)2）等溫形成馬氏體的動力學(xué)3）爆發(fā)形成馬氏體的動力學(xué)4）熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)30;.1、降溫形成馬氏體的動力學(xué)（降溫瞬時形核、瞬間長大）、降溫形成馬氏體的動力學(xué)（降溫瞬時形核、瞬間長大） 生產(chǎn)實際常見，這類馬氏體降溫形成，馬氏體形成速度極快，特點：馬氏體降溫瞬間形核，瞬間長大，可以認(rèn)為馬氏體轉(zhuǎn)變速度取決于形核率而與長大速度無關(guān)。馬氏體轉(zhuǎn)變量取決于冷卻所達(dá)到的溫度，而與時間無關(guān)。31;.2、等溫形成馬氏體的動力學(xué)、等溫形成馬氏體的動力學(xué)特點：馬氏體等溫形核，瞬間長大，形核需要孕育期，形核率隨過冷度增大而先增后減，轉(zhuǎn)變量隨等溫時間延長而增加。等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)圖呈C字形。馬氏體轉(zhuǎn)變速度取決于形核率而與長大速度無關(guān)。等溫形成馬氏體是新產(chǎn)生的馬氏體片，而不是已形成馬氏體的長大。32;.3、爆發(fā)形成馬氏體、爆發(fā)形成馬氏體 一些Ms點在0oC以下的合金，冷卻到Ms點以下一定溫度時，在一瞬間（千分之一秒）可劇烈地形成大量馬氏體，稱為爆發(fā)馬氏體。特點：自觸發(fā)形核，瞬間長大，連鎖式反應(yīng)