第四章馬氏體相變

第四章馬氏體相變1第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-1奧氏體的正八面體間隙a)馬氏體的扁八面體間隙b)2第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三馬氏體點陣常數(shù)和碳含量的關(guān)系c、a、及正方度c/a與鋼中碳含量成線性關(guān)系：c=a0+αPa=a0-βP（4-1）c/a=1+γP其中：a0=2.861?（α-Fe點陣常數(shù)）

α、β、γ為常數(shù)P----馬氏體的含碳量（wt%）3第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-2點陣常數(shù)與碳含量的關(guān)系4第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三c/a=1+0.046P（4-2）

碳原子在馬氏體點陣中的分布：碳原子發(fā)生有序分布，80%優(yōu)先占據(jù)c軸方向的八面體間隙位置，20%占據(jù)其它兩個方向的八面體間隙位置，此時出現(xiàn)（4-2）式的正方度。馬氏體的正方度5第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（1）馬氏體相變的無擴散性

鋼中馬氏體相變時無成分變化，僅發(fā)生點陣改組。

可以在很低的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，并且相變速度極快。

原子以切變方式移動，相鄰原子的相對位移不超過原子間距，近鄰關(guān)系不變?！?.2馬氏體相變的主要特征6第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-3馬氏體形成時引起的表面傾動①表面浮凸現(xiàn)象傾動面（2）表面浮凸現(xiàn)象和不變平面應(yīng)變7第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-4直線劃痕的變形情況（a）實驗結(jié)果（b）在界面處失去共格（c）劃痕扭曲8第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三馬氏體往往在母相的一定晶面上開始形成，這一定的晶面即稱為慣習(xí)面。馬氏體和母相的相界面，中脊面都可能成為慣習(xí)面。鋼中：<0.5%C，慣習(xí)面為{111}γ，0.5～1.4%C，為{225}γ，1.5～1.8%C，為{259}γ。直線劃痕在傾動面處改變方向，但仍保持連續(xù)，且不發(fā)生扭曲。說明馬氏體與母相保持切變共格，慣習(xí)面未經(jīng)宏觀可測的應(yīng)變和轉(zhuǎn)動，即慣習(xí)面為不變平面。②慣習(xí)面和不變平面9第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三傾動面一直保持為平面。發(fā)生馬氏體相變時，雖發(fā)生了變形，但原來母相中的任一直線仍為直線，任一平面仍為平面，這種變形即為均勻切變。造成均勻切變且慣習(xí)面為不變平面的應(yīng)變即為不變平面應(yīng)變。③不變平面應(yīng)變

10第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三不變平面圖4-5三種不變平面應(yīng)變a）膨脹b）孿生時的切變c）馬氏體相變時----切變+膨脹11第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三相變以共格切變方式進(jìn)行所至。K-S關(guān)系：{111}γ∥{110}M;<110>γ∥<111>M

由于3個奧氏體<110>γ方向上(每個方向上有2種馬氏體取向)可能有6種不同的馬氏體取向,而奧氏體的{111}γ晶面族中又有4種晶面，從而馬氏體共有24種取向（變體）。（3）馬氏體和奧氏體具有一定的位向關(guān)系12第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三

{111}γ∥{110}M;<112>γ∥<110>M

按西山關(guān)系，在每個{111}γ面上，馬氏體可能有3種取向，故馬氏體共有12種取向（變體）。

西山關(guān)系：13第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三G-T關(guān)系：

和K-S關(guān)系略有偏差{111}γ∥{110}M差10

<110>γ∥<111>M差20

K-S關(guān)系和西山關(guān)系的比較：

晶面關(guān)系相同，只是晶面內(nèi)的方向相差5016’。14第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-10轉(zhuǎn)變量-時間關(guān)系

（4）馬氏體相變的變溫性MS----馬氏體相變開始點。Mf----馬氏體相變終了點。MS點以下，無需孕育，轉(zhuǎn)變立即開始，且以極大速度進(jìn)行，但很快停止，不能進(jìn)行到終了，需進(jìn)一步降溫。15第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-11轉(zhuǎn)變量-溫度關(guān)系在Mf點以下，雖然轉(zhuǎn)變量未達(dá)到100%，但轉(zhuǎn)變已不能進(jìn)行。如Mf點低于室溫，則淬火到室溫將保留相當(dāng)數(shù)量的未轉(zhuǎn)變奧氏體，稱為殘余奧氏體。16第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三

A

?MMs,Mf;As,Af;As>Ms

鋼中馬氏體加熱時，容易發(fā)生回火分解，從馬氏體中析出碳化物。Fe-0.8%C鋼以5000℃/S快速加熱，抑制回火轉(zhuǎn)變，則在590～600℃發(fā)生逆轉(zhuǎn)變。（5）馬氏體相變的可逆性17第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三§4.3.1板條馬氏體在低、中碳鋼，馬氏體時效鋼中出現(xiàn)，形成溫度較高?；締卧鍡l為一個個單晶體。圖4-12板條馬氏體示意圖§4.3馬氏體的形態(tài)及其亞結(jié)構(gòu)18第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三許多相互平行的板條組成一個板條束，它們具有相同的慣習(xí)面。板條馬氏體的慣習(xí)面為{111}γ，位向關(guān)系為K-S關(guān)系。由于有四個不同的{111}γ面，所以一個奧氏體晶粒內(nèi)可能形成四種馬氏體板條束。每個慣習(xí)面上可能有六種不同的取向，板條束內(nèi)具有相同取向的小塊稱為板條塊，常常呈現(xiàn)為黑白相間的塊。19第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯，所以板條馬氏體也稱為位錯馬氏體。不呈孿晶關(guān)系的板條間存在一層殘余奧氏體薄膜，這種微量的殘余奧氏體對板條馬氏體的韌性貢獻(xiàn)很大。

呈孿晶關(guān)系的板條間就不存在這種殘余奧氏體薄膜。20第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-13（a）板條馬氏體（b）片狀馬氏體21第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-14片狀馬氏體示意圖{225}γ或{259}γ在中、高碳鋼，高鎳的Fe-Ni合金中出現(xiàn)，形成溫度較低?！?.3.2片狀馬氏體片狀馬氏體形成22第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三先形成的第一片馬氏體橫貫整個奧氏體晶粒，使后形成的馬氏體片的大小受到限制。后形成的馬氏體片，則在奧氏體晶粒內(nèi)進(jìn)一步分割奧氏體晶粒，所以后形成的馬氏體片越來越短小。片狀馬氏體的立體外形呈雙凸透鏡狀，多數(shù)馬氏體片的中間有一條中脊面，相鄰馬氏體片互不平行，大小不一，片的周圍有一定量的殘余奧氏體。23第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三慣習(xí)面：隨形成溫度的下降，由{225}γ變?yōu)閧259}γ，位向關(guān)系由K-S關(guān)系變?yōu)槲魃疥P(guān)系。亞結(jié)構(gòu)為細(xì)小孿晶，一般集中在中脊面附近，片的邊緣為位錯。隨形成溫度下降，孿晶區(qū)擴大。馬氏體片互成交角，后形成的馬氏體片對先形成的馬氏體片有撞擊作用，接觸處產(chǎn)生顯微裂紋。24第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（1）Ms點Ms點高----形成板條馬氏體。Ms點低----形成片狀馬氏體。C%↑→Ms

↓板條M→板條M+片狀M→片狀M位錯M→孿晶M§4.3.3影響馬氏體形態(tài)及其亞結(jié)構(gòu)的因素25第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖4-15滑移和孿生的臨界分切應(yīng)力與溫度的關(guān)系（2）奧氏體與馬氏體的強度26第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)馬氏體在較高溫度形成時，滑移的臨界分切應(yīng)力較低，滑移比孿生更易于發(fā)生，從而在亞結(jié)構(gòu)中留下大量位錯，形成亞結(jié)構(gòu)為位錯的板條馬氏體。由于溫度較高，奧氏體和馬氏體的強度均較低。相變時，相變應(yīng)力的松馳可以同時在奧氏體和馬氏體中以滑移方式進(jìn)行，故慣習(xí)面為(111)γ

。

27第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三隨著形成溫度的下降，孿生的臨界分切應(yīng)力較低，變形方式逐漸過渡為以孿生進(jìn)行，形成亞結(jié)構(gòu)為孿晶的片狀馬氏體。若奧氏體的σS低于206MPa，應(yīng)力在奧氏體中以滑移方式松弛。由于形成的馬氏體強度較高，應(yīng)力在馬氏體中只能以孿生方式松弛，則形成慣習(xí)面為(225)γ的片狀馬氏體。若奧氏體的σS超過206MPa，相變應(yīng)力在兩相中均以孿生方式松弛，則形成慣習(xí)面為(259)γ的片狀馬氏體。28第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三C%＜0.2%的低碳鋼、低碳低合金鋼，如20#、15MnVB鋼等，組織為板條馬氏體，具有高強度、高韌性、低的冷脆轉(zhuǎn)化溫度?！?.3.4工業(yè)用鋼淬火馬氏體的金相形態(tài)（1）低碳鋼中的馬氏體29第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三如45#、40Cr鋼等，淬火后為板條馬氏體+片狀馬氏體的混合組織。由于通常選用較低的奧氏體化溫度，淬火后獲得的組織極細(xì)，光學(xué)顯微鏡較難分辨。（2）中碳結(jié)構(gòu)鋼中的馬氏體30第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三如T8、T12鋼，為片狀馬氏體。通常采用不完全加熱淬火（在Ac1稍上加熱，保留一定量未溶滲碳體顆粒），獲得隱晶馬氏體+滲碳體顆粒的混合組織。隱晶馬氏體極細(xì)，光學(xué)顯微鏡較難分辨。（3）高碳工具鋼中的馬氏體31第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三T0為相同成分的馬氏體和奧氏體兩相熱力學(xué)平衡溫度，此時

ΔGγ→α’=0ΔGγ→α’稱為馬氏體相變驅(qū)動力。圖4-16自由能-溫度關(guān)系§4.4馬氏體相變熱力學(xué)§4.4.1相變驅(qū)動力32第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三相變化學(xué)驅(qū)動力用來提供切變能量、亞結(jié)構(gòu)儲存能、膨脹應(yīng)變能、共格應(yīng)變能、界面能等，所以要有足夠大的相變驅(qū)動力。Ms點為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（臨界驅(qū)動力）時的溫度。33第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三碳含量C%↑→Ms↓，Mf↓圖4-18Ms與碳含量關(guān)系A(chǔ)3無擴散轉(zhuǎn)變§4.4.2影響鋼的Ms點的因素（1）奧氏體的化學(xué)成分34第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三合金元素除Co、Al外，其它合金元素均降低Ms點。

解釋：碳或者合金元素降低A3點，降低奧氏體的自由能并提高馬氏體（過飽和鐵素體）的自由能，也降低了T0溫度，從而降低Ms點。碳或者合金元素固溶強化了奧氏體，σs

↑，使切變所需能量增高，Ms↓。35第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三奧氏體的晶粒大小奧氏體晶粒細(xì)化→Ms↓晶粒細(xì)化→σs↑→切變阻力↑→Ms↓彈性極限以內(nèi)的應(yīng)力多向壓應(yīng)力阻礙馬氏體轉(zhuǎn)變，→Ms↓拉應(yīng)力促進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，→Ms↑（2）其它因素對Ms

點的影響36第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三在Ms點以上一定溫度范圍內(nèi)，因塑性變形而促生的馬氏體稱為應(yīng)變誘發(fā)馬氏體。塑性變形能促生馬氏體的最高溫度稱為Md點，高于此溫度的塑性變形將不會產(chǎn)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體?！?.4.3應(yīng)變誘發(fā)馬氏體37第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三在Ms~Md之間對奧氏體進(jìn)行塑性變形，為向馬氏體轉(zhuǎn)變提供了機械驅(qū)動力，從而使相變可以在較高的溫度發(fā)生，即相當(dāng)于升高了Ms溫度。在Ms~Md溫度范圍的塑性變形度越大，由形變誘發(fā)的馬氏體量越大。但對未轉(zhuǎn)變的奧氏體，在隨后的冷卻過程中，馬氏體相變卻受到了抑制（發(fā)生了機械穩(wěn)定化）。38第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三在Ms點以上，對奧氏體進(jìn)行塑性變形，當(dāng)形變量足夠大時，將抑制隨后冷卻時的馬氏體轉(zhuǎn)變，Ms點降低，殘余奧氏體量增多，稱為奧氏體的機械穩(wěn)定化。少量塑性變形對馬氏體轉(zhuǎn)變有促進(jìn)作用，而超過一定量的塑性變形將對馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生抑制作用?！?.4.4奧氏體的機械穩(wěn)定化39第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)變形度小時，增加了奧氏體中有利于馬氏體形核的晶體缺陷。當(dāng)變形度較大時，在奧氏體中形成大量亞晶界和高密度位錯區(qū)，奧氏體產(chǎn)生加工硬化，屈服強度提高，阻礙切變過程，從而使奧氏體穩(wěn)定化。原因：40第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三§4.5.1馬氏體的變溫形成

馬氏體相變也是通過形核與長大進(jìn)行。變溫時，在Ms點以下，無孕育期，瞬時形核，瞬時長大。馬氏體量隨溫度下降而增加。§4.5馬氏體相變動力學(xué)41第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三

降溫時，馬氏體量的增加是靠新馬氏體的不斷產(chǎn)生，而不是靠先形成馬氏體的長大。42第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三馬氏體轉(zhuǎn)變通常不能進(jìn)行到底，有一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體殘留下來，稱為殘余奧氏體。AR----retainedaustenite通常淬火只淬到室溫為止，高于很多鋼的Mf點，冷卻不充分，形成AR?！?.5.2殘余奧氏體43第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三為了減少淬火至室溫后鋼中的AR量，可將其繼續(xù)冷卻至零下（Mf點以下）進(jìn)行處理，稱為冷處理。凡是降低Ms點的因素均提高AR量。AR量和Ms點一樣，主要取決于奧氏體的化學(xué)成分：C%↑→Ms

↓→AR

↑合金元素↑→Ms

↓→AR

↑44第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三因本身較軟，會降低淬火鋼的硬度；不穩(wěn)定，易使零件產(chǎn)生變形開裂；降低硬磁鋼的磁感應(yīng)強度；可提高某些鋼的韌性和塑性。

殘余奧氏體的作用：45第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三§4.5.3奧氏體的熱穩(wěn)定化定義：使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體能力減低的一切現(xiàn)象，稱為奧氏體的穩(wěn)定化。表現(xiàn)為Ｍｓ點降低、AR量增多。有三大類：化學(xué)穩(wěn)定化----化學(xué)成分引起機械穩(wěn)定化----塑性變形引起熱穩(wěn)定化46第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三淬火時因緩慢冷卻或在冷卻過程中停留而引起的奧氏體穩(wěn)定化，稱為熱穩(wěn)定化。圖4-21奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象示意圖在Ms點以下等溫停留將引起Ｍｓ點降低以及AR量增多。等溫停留47第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三