第5章馬氏體相變.ppt

1、第5章 馬氏體相變,主要內(nèi)容：馬氏體相變的主要特征； 馬氏體的組織結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能； 馬氏體相變的熱力學(xué)、動力學(xué)； 影響Ms點的因素.,前 言,馬氏體（M, Martensite）相變特點： 相變過程中，晶體點陣的重組是通過基體原子的集體有規(guī)律近程遷移切變，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)，而沒有原子長距離的遷移，且新相與母相保持共格關(guān)系。 鋼中M相變：鋼經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，抑制其擴散型分解，在較低溫度下發(fā)生的無擴散型相變。 在純金屬（Zr,Li,Co），合金（Fe-Ni,Ni-Ti,Cu-Zn）,陶瓷（ZrO2）中也有M轉(zhuǎn)變。,鋼中馬氏體：C原子在-Fe中形成的過飽和固溶體。 馬氏體：凡

2、相變的基本特性屬于馬氏體型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物都稱為馬氏體。 形成條件：淬火。 淬火：將鋼加熱到Ac3 或Ac1以上，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體的熱處理工藝。 馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度：抑制所有非馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度。 馬氏體的力學(xué)性能：高硬度、高強度。,C0.3%時為板條狀馬氏體； C在0.3%1.0%時為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。,20鋼淬火,C1.0%時為片狀馬氏體；,T12鋼淬火,45鋼淬火,5.1 馬氏體相變的主要特征,一、切變共格和表面浮突現(xiàn)象 M相變過程中，在被拋光的試樣表面上出現(xiàn)傾動或表面浮凸，說明M相變是通過奧氏體均勻切變方式進行的，M和A

3、之間的界面稱為切變共格界面。,結(jié) 論： M相變是通過原子的協(xié)調(diào)運動使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的相變。 馬氏體形成是以切變方式實現(xiàn)的，馬氏體和奧氏體之間界面上的原子是共有的，整個界面是互相牽制的，且是以母相切變來維持共格的。 表面浮凸：由相變過程中均勻應(yīng)變而導(dǎo)致的形狀改變，是切變位移的特征。 相界面：在相變中未發(fā)生轉(zhuǎn)動，將此不應(yīng)變平面稱之為M相變的慣習(xí)面(habit plan)，說明M相的產(chǎn)生是通過母相的切變而獲得的。 亞結(jié)構(gòu)：位錯、孿晶、層錯等，是M相變時局部切變的產(chǎn)物。,二、馬氏體相變的無擴散性,在較低溫度下，碳原子和合金元素的原子擴散已很困難，馬氏體相變是在原子基本不發(fā)生擴散的情況下發(fā)生的，原子之

4、間的相對位移不超過一個原子間距。無擴散型相變 所有參與轉(zhuǎn)變的原子的運動是協(xié)調(diào)一致的，原有原子的鄰居關(guān)系不被破壞。 結(jié)構(gòu)：晶體點陣發(fā)生改組。 條件：低溫下，原子已不能擴散。 特點：新相和母相的化學(xué)成分相同；新相和母相間有一定的晶體學(xué)位相關(guān)系。,馬氏體相變無擴散的原因：,C原子在-Fe中形成的過飽和固溶體，體心正方結(jié)構(gòu)，正方度隨碳含量增加而線性增大。 Fe-C合金中，A和M中碳原子相對鐵原子的間隙位置沒變。 Fe-C合金中，在-20 -195C之間，每片M的形成時間約為：0.5510-7s。 轉(zhuǎn)變結(jié)果：降低了系統(tǒng)能量，形成低溫亞穩(wěn)定相。 形成條件：冷卻速度大到能避免擴散型相變，所有金屬及合金的高溫

5、相均可發(fā)生M相變。,馬氏體相變時，新相和母相界面始終保持著切變共格，相變后兩相之間的位向關(guān)系仍然保持； KS關(guān)系：1.4%C鋼中馬氏體和奧氏體之間的位向關(guān)系，111/110， 110/111 可見：M在A中可能有24種不同的取向。 西山關(guān)系： 111/110， 112/110,三、有一定的位向關(guān)系和慣習(xí)面,(110),鋼中馬氏體的慣習(xí)面隨碳含量和形成溫度的不同而異，有 111、 225、 259。 慣習(xí)面是無畸變不轉(zhuǎn)動的平面。,四、在一個溫度范圍內(nèi)完成相變,當(dāng)奧氏體過冷到馬氏體相變開始點Ms點以下時，馬氏體即刻開始轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變速度極快，但需繼續(xù)降溫，否則轉(zhuǎn)變停止。 馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，而

6、與等溫時間無關(guān)。,當(dāng)A過冷到馬氏體相變終了點 Mf 以下時，馬氏體停止轉(zhuǎn)變，此時未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為殘余奧氏體。 馬氏體轉(zhuǎn)變的不徹底性。 Ms點低于室溫時淬火得A 冷處理：若Ms點高于室溫，Mf點低于室溫，須冷卻到室溫以下， AM,五、馬氏體轉(zhuǎn)變有可逆性,逆相變：加熱時馬氏體向奧氏體的相變。 As：馬氏體逆轉(zhuǎn)變開始點，馬氏體和奧氏體兩相自由能差達到相變所需最小驅(qū)動力值時的溫度。,六、亞結(jié)構(gòu),相變伴生極高密度的晶體缺陷：孿晶（高碳M ）、位錯（低碳M ）、層錯。,馬氏體相變的判據(jù)： 1、相變以切變共格方式進行 2、相變的無擴散性 3、相變伴生極高密度的晶體缺陷：孿晶、位錯、層錯 馬氏體定義： 馬氏

7、體是原子經(jīng)無擴散切變位移的晶格改組過程、得到具有嚴格晶體學(xué)位向關(guān)系和慣習(xí)面的、形成相中伴生極高密度晶體缺陷的組織。,5.2 鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu),馬氏體點陣常數(shù)和碳含量的關(guān)系如圖 鋼中的馬氏體是碳在 Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方點陣。 隨碳含量增大，正方度增大。 低碳鋼淬火馬氏體具有體心立方結(jié)構(gòu),馬氏體的點陣結(jié)構(gòu)及其畸變 碳原子在馬氏體點陣中的可能位置如圖： 碳在 Fe中的含量遠遠超過了其溶解度，所以引起點陣畸變，使體心立方點陣變成體心正方點陣。,5.4 馬氏體相變熱力學(xué),一、馬氏體相變熱力學(xué)條件 相變驅(qū)動力：新相與母相的自由能之差，由過冷提供。 To ：兩相熱力學(xué)平衡溫度。 相變的阻力

8、：新相形成時的界面能和應(yīng)變能。切變和晶體缺陷等均使馬氏體相變阻力增大。,Ms點：奧氏體和馬氏體兩相自由能差達到相變所需最小驅(qū)動力值時的溫度。 To一定時， Ms點越低， 相變所需的驅(qū)動力越大。 G= S(T0-MS),As點：馬氏體和奧氏體兩相自由能差達到逆相變所需最小驅(qū)動力值時的溫度。,G = S(AS-T0),To、 Ms、 As與合金成分的關(guān)系如圖。 Ms 、As之間的溫度差因引入塑性變形而減小，使Ms 點上升到Md 、使As點下降到Ad Md和Ad分別稱為形變誘發(fā)馬氏體相變開始點和形變誘發(fā)奧氏體相變開始點。 Md和Ad的上下限為T0,當(dāng)溫度為Ms時，相變的化學(xué)驅(qū)動力剛好使馬氏體發(fā)生相變

9、； 形變所提供的能量為機械驅(qū)動力； 引入形變使Ms提高到T1但小于T0 結(jié)論：對奧氏體進行塑性變性可誘發(fā)馬氏體相變。,塑性變形誘發(fā)馬氏體相變的原因,二、影響鋼中Ms點的主要因素,1、化學(xué)成分的影響 Ms點主要取決于鋼的化學(xué)成分。 碳含量的影響最顯著，隨鋼中碳含量的增加，Ms點和Mf點的變化并不完全一致。,N和C一樣在鋼中形成間隙固溶體，對相均有固溶強化作用，所以使馬氏體相變阻力增大，且C、N還是穩(wěn)定相的元素，所以強烈地降低Ms點。,鋼中常見的合金元素只有Al、Co使Ms點升高，其余均使Ms點降低。 合金元素對Ms點的影響主要取決于它們對平衡溫度的影響以及對奧氏體的強化作用。 凡是劇烈降低To溫

10、度及強化奧氏體的元素均劇烈地降低Ms點。,在MdMs之間進行塑性變形時會誘發(fā)馬氏體相變，在Ms Mf之間進行塑性變形時會促進馬氏體相變。 馬氏體相變時產(chǎn)生體積膨脹，故多向壓應(yīng)力阻止馬氏體的形成，降低Ms點； 拉應(yīng)力或單向壓應(yīng)力有利于馬氏體形成，使Ms點升高。,2、形變與應(yīng)力的影響,3、奧氏體化條件的影響,完全奧氏體化時，提高加熱溫度和延長保溫時間，一方面有利于碳及合金元素溶入奧氏體使Ms點下降，另一方面又引起奧氏體晶粒長大，相變阻力減小使Ms點升高，綜合作用結(jié)果將使Ms點有所升高； 不完全奧氏體化時，提高加熱溫度和延長保溫時間使Ms下降； 晶粒細化，則切變阻力增大，也使Ms下降。,如圖：在淬火速度較低或較高時， 出