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1、第五章马氏体转变 M M转变的晶体学转变的晶体学 M M的组织形态的组织形态* * M M转变的特点转变的特点* * M M转变热力学、动力学转变热力学、动力学* * M M转变机制转变机制 M M的性能与影响因素的性能与影响因素* *本章主要内容本章主要内容 马氏体的形成温度较低，使得碳原子难以扩散马氏体的形成温度较低，使得碳原子难以扩散，它是，它是由过冷奥氏体按无扩散型转变机制的转变产物，马氏体的由过冷奥氏体按无扩散型转变机制的转变产物，马氏体的含碳量与过冷奥氏体含碳量相等，晶格同于铁素体的体心含碳量与过冷奥氏体含碳量相等，晶格同于铁素体的体心立方类似。体心立方晶格的铁素体在室温含约立方类
2、似。体心立方晶格的铁素体在室温含约0.008%C，对共析钢马氏体的晶格内含约对共析钢马氏体的晶格内含约0.77%C，为此导致体心立，为此导致体心立方晶格发生畸变，因此马氏体是方晶格发生畸变，因此马氏体是-Fe的过饱和固溶体的过饱和固溶体，用，用符号符号“M”表示。表示。 马氏体概述马氏体概述 M转变是钢件热处理强化的主要手段，是通过转变是钢件热处理强化的主要手段，是通过淬火实现淬火实现 化学成分不同，性能有极大差异化学成分不同，性能有极大差异低碳钢：低碳钢：M有较高强度和韧性有较高强度和韧性高碳钢：硬度很高，塑性韧性极低高碳钢：硬度很高，塑性韧性极低 性能与组织形态有密切关系性能与组织形态有密
3、切关系马马 氏氏 体体 概概 述述 当奥氏体获得极大过冷度冷至当奥氏体获得极大过冷度冷至Ms以下以下(对于共析钢为对于共析钢为230以下以下)时，将转变成马氏体类型组织。马氏体转变属于低温转变，这个转时，将转变成马氏体类型组织。马氏体转变属于低温转变，这个转变持续至马氏体形成终了温度变持续至马氏体形成终了温度Mf，Mf以下时过冷奥氏体停止转变。以下时过冷奥氏体停止转变。5.1 5.1 马氏体的组织与性能马氏体的组织与性能板条马氏体板条马氏体钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体v 板条马氏体板条马氏体马氏体组织形态马氏体组织形态w wc
4、 c在在0.25%0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（低碳马氏体）以下时，基本上形成板条状马氏体（低碳马氏体）钢中马氏体根据成分（含碳量）和冷却条件呈现不同的形态钢中马氏体根据成分（含碳量）和冷却条件呈现不同的形态 相互平行的板条构成板条束，一个奥氏体晶粒有几个（相互平行的板条构成板条束，一个奥氏体晶粒有几个（3 35 5个）个）板板条束条束 空间形态为扁条状，每个板条为一个单晶，空间形态为扁条状，每个板条为一个单晶，板条间有薄层残余奥氏体板条间有薄层残余奥氏体 板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体马氏体组织形态
5、马氏体组织形态板条马氏体金相组织照片板条马氏体金相组织照片马氏体板条组织结构示意图马氏体板条组织结构示意图片状马氏体片状马氏体v 片状马氏体片状马氏体 当当w wc c 1.0%1.0%时，奥氏体几乎只形时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体）成片状马氏体（针状马氏体） 空间形态为双透镜状空间形态为双透镜状 光镜下为竹叶状或针状光镜下为竹叶状或针状马氏体组织形态马氏体组织形态片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶( (孪晶马氏体）孪晶马氏体）片马氏体中的孪晶片马氏体中的孪晶 含碳量很高的片状马氏体可看到中脊面，含碳量很高的片状马氏体可看到中脊面，中脊面中脊面是高密
6、度的孪晶是高密度的孪晶片马氏体中的中脊片马氏体中的中脊马氏体组织形态马氏体组织形态 w wc c在在0.25%0.25%1.0%1.0%之间的奥之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的氏体则形成上述两种马氏体的混合组织混合组织45钢混合状马氏体钢混合状马氏体v 混合状的马氏体混合状的马氏体 含碳量越高，条状马氏体量含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多越少而片状马氏体量越多马氏体组织形态马氏体组织形态0.25%0.25%1.0%1.0%混合状的马氏体混合状的马氏体wc 1.0%wc 1.0%片状马氏体片状马氏体wc0.25%wc200200板条马氏体板条马氏体 200200片状马氏体片状马氏
7、体v 马氏体的硬度和强度马氏体的硬度和强度马氏体的硬度主要取决于马马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常情况是氏体的含碳量，通常情况是随含碳量的增加而升高。随含碳量的增加而升高。马氏体的性能马氏体的性能1 1完全淬火后深冷得到完全马氏体完全淬火后深冷得到完全马氏体2 2Ac1Ac1AccmAccm之间淬火（不完全淬火）之间淬火（不完全淬火）未溶的碳化物能提高耐磨性未溶的碳化物能提高耐磨性3 3高于高于Ac3Ac3及及AcmAcm淬火（完全淬火）淬火（完全淬火）尽管马氏体硬度增加，但随碳质量分数增加，残余奥氏体量增尽管马氏体硬度增加，但随碳质量分数增加，残余奥氏体量增加，降低了淬火钢硬度加，
8、降低了淬火钢硬度马氏体的性能马氏体的性能高碳马氏体具有很高的强度和脆性；高碳马氏体具有很高的强度和脆性；低碳马氏体既具有相当的强度，又有良好的韧性低碳马氏体既具有相当的强度，又有良好的韧性v 马氏体的硬度和强度马氏体的硬度和强度马氏体的高硬度和高强度来源于固溶强化、相变强化、马氏体的高硬度和高强度来源于固溶强化、相变强化、时效强化、细晶强化时效强化、细晶强化马氏体的强度主要与原奥氏体晶粒大小、马氏体板条马氏体的强度主要与原奥氏体晶粒大小、马氏体板条束的大小有关束的大小有关马氏体的性能马氏体的性能马氏体的高硬度和高强度来源于固溶强化、相变强化、马氏体的高硬度和高强度来源于固溶强化、相变强化、时效
9、强化、细晶强化时效强化、细晶强化高强度与硬度的本质高强度与硬度的本质相变强化相变强化：不均匀切变产生大量缺陷（？）：不均匀切变产生大量缺陷（？）固溶强化固溶强化：碳原子溶入形成过饱和固溶体：碳原子溶入形成过饱和固溶体时效强化时效强化( (第二相弥散强化第二相弥散强化) )：形成碳化物：形成碳化物M M形态和大小形态和大小：孪晶和位错（孪晶高于位错），原始：孪晶和位错（孪晶高于位错），原始A A晶粒和晶粒和M M板条愈细，强度愈高。板条愈细，强度愈高。思考：为什么同为碳的固溶体，思考：为什么同为碳的固溶体，A A中的固溶强中的固溶强化效果远低于化效果远低于M M中的固溶效果？中的固溶效果？马氏体
10、的塑性和韧性主要取决于碳质量分数和它的亚结构马氏体的塑性和韧性主要取决于碳质量分数和它的亚结构可以利用低碳合金钢淬火后得到较多的残余奥氏体来提可以利用低碳合金钢淬火后得到较多的残余奥氏体来提高材料的塑韧性。高材料的塑韧性。v 马氏体的塑性和韧性马氏体的塑性和韧性马氏体的性能马氏体的性能 C%C%0.4 0.4 韧性较高韧性较高 C%C%0.40.4，硬而脆，硬而脆马氏体的韧性主要决定于它的亚结构马氏体的韧性主要决定于它的亚结构位错型（板条）位错型（板条）M具有相当高的强度、硬度和良好的塑性具有相当高的强度、硬度和良好的塑性韧性；孪晶型（片状）韧性；孪晶型（片状）M强度硬度高，塑性、韧性很低强度
11、硬度高，塑性、韧性很低v 马氏体转变超塑性马氏体转变超塑性马氏体的性能马氏体的性能v 马氏体的物理性能马氏体的物理性能钢的各种组织中，马氏体比容最大，奥氏体最小钢的各种组织中，马氏体比容最大，奥氏体最小这是淬火时产生淬火应力，导致变形应力的主要原因这是淬火时产生淬火应力，导致变形应力的主要原因相变塑性：低于母相屈服强度下发生塑性变形相变塑性：低于母相屈服强度下发生塑性变形在开始转变点在开始转变点s s以上加应力，随应力增加，塑性增大以上加应力，随应力增加，塑性增大v 高碳马氏体显微裂纹高碳马氏体显微裂纹马氏体高速形成时撞击而成马氏体高速形成时撞击而成高碳钢易开裂的原因高碳钢易开裂的原因5.2
12、5.2 马氏体转变的主要特征马氏体转变的主要特征（1 1）马氏体转变的非恒温性）马氏体转变的非恒温性 马氏体体积分数的增加靠不断产生新马氏体片，而不是原有马氏体体积分数的增加靠不断产生新马氏体片，而不是原有马氏体的长大马氏体的长大 在任一过冷度下，转变量是有限的，生长速度是极快的在任一过冷度下，转变量是有限的，生长速度是极快的 转变量取决于冷却到达的温度，与在某温度的停留时间无关转变量取决于冷却到达的温度，与在某温度的停留时间无关马氏体转变时，新相和母相的点马氏体转变时，新相和母相的点阵间保持共格关系，相界面上的阵间保持共格关系，相界面上的原子既属于马氏体又属于奥氏体。原子既属于马氏体又属于奥
13、氏体。这种界面称为这种界面称为“切变共格切变共格”界界面面第二类共格界面第二类共格界面转变以切变的方式完成晶格重构转变以切变的方式完成晶格重构表面浮凸表面浮凸表面浮凸表面浮凸（2 2）表面浮凸现象和共格性）表面浮凸现象和共格性 （4 4） 共格关系和惯习现象共格关系和惯习现象晶体学特点晶体学特点v 共格关系共格关系v 惯习现象惯习现象 K-SK-S关系关系110)M/ 111 111M /110 西山关系西山关系(N(N关系关系) )110)M/ 111 111M /211 G-TG-T关系关系M新相和母相之间保持切变共格性新相和母相之间保持切变共格性 惯习面惯习面111 225 259马氏体
14、形成温度降低马氏体形成温度降低5.2 5.2 马氏体转变的主要特征马氏体转变的主要特征（3 3）无扩散性）无扩散性晶体学特点晶体学特点马氏体形成极快，远超过原子扩散速度，故为无扩散型切变。马氏体形成极快，远超过原子扩散速度，故为无扩散型切变。马氏体与奥氏体成分相同马氏体与奥氏体成分相同5.2 5.2 马氏体转变的主要特征马氏体转变的主要特征（5 5） 马氏体转变的可逆性马氏体转变的可逆性马氏体加热时，进行无扩散的逆转变马氏体加热时，进行无扩散的逆转变马氏体的逆转变马氏体的逆转变（6 6） 转变不完全转变不完全 有残余（留）奥氏体有残余（留）奥氏体动力学特点动力学特点v 奥氏体的稳定化（奥氏体的
15、稳定化（p142p142）奥氏体的机械稳定化奥氏体的机械稳定化 机械强化作用使奥氏体稳定化的现象称为机械强化作用使奥氏体稳定化的现象称为奥氏体的热稳定化奥氏体的热稳定化 奥氏体冷却过程中，某一温度停留引起奥氏体稳定性提高，使马氏体奥氏体冷却过程中，某一温度停留引起奥氏体稳定性提高，使马氏体转变迟滞的现象称为转变迟滞的现象称为在奥氏体冷却转变为马氏体的过程中，种种原因引起奥氏体在奥氏体冷却转变为马氏体的过程中，种种原因引起奥氏体的结构、状态、化学成分发生变化使奥氏体的稳定性增加的结构、状态、化学成分发生变化使奥氏体的稳定性增加奥氏体的稳定化奥氏体的稳定化热稳定化机制热稳定化机制C C、N N原子
16、在等温停留过程中进入位错形成原子在等温停留过程中进入位错形成CottrellCottrell气团，阻碍气团，阻碍M M转变进行，引起转变进行，引起A A热稳定化。热稳定化。-柯俊提出的观点柯俊提出的观点机械稳定化原因机械稳定化原因可能是塑性变形引入可能是塑性变形引入A A晶体的各种缺陷，它会破坏新晶体的各种缺陷，它会破坏新相和母相之间的共格关系，阻碍相和母相之间的共格关系，阻碍M M核长大，这就增加核长大，这就增加了奥氏体的稳定化。后来由实验结果得到了验证。了奥氏体的稳定化。后来由实验结果得到了验证。 马氏体的定义马氏体的定义 马氏体是碳在马氏体是碳在FeFe中的过饱和固溶体中的过饱和固溶体马
17、氏体转变是典型的无扩散性相变马氏体转变是典型的无扩散性相变 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构5.3 5.3 马氏体转变的晶体学和转变机制马氏体转变的晶体学和转变机制 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构 c/a c/a马氏体的正方度马氏体的正方度 碳含量增加，碳含量增加， c c轴伸长，轴伸长，a a轴缩短，轴缩短，正方度（正方度（c/a)c/a)呈线性增加，总是大于呈线性增加，总是大于1 1M M为体心正方结构为体心正方结构c/ac/a1 1体心立方结构体心立方结构5.4 5.4 马氏体转变的机理马氏体转变的机理马氏体区别与其他相变的最基本的特点是：马氏体区别与其他相变的最基本的特点是：1 1、
18、相变以共格切变的方式进行、相变以共格切变的方式进行2 2、相变的无扩散性、相变的无扩散性这一特点决定了马氏体的转变机制具有特殊性这一特点决定了马氏体的转变机制具有特殊性5.4 5.4 马氏体转变的机理马氏体转变的机理转变热力学转变热力学M M转变是热学性的，驱动力是转变是热学性的，驱动力是GG马氏体与奥氏体自由焓随温度的变化曲线马氏体与奥氏体自由焓随温度的变化曲线C C：是显著的影响因素：是显著的影响因素随随C%C%，MsMs，MfMf，且，且MfMf比比MsMs下降得快，所以能扩大下降得快，所以能扩大M M的的转变温度范围转变温度范围N N：强烈降低：强烈降低MsMs点；点； AlAl，Co
19、Co：提高：提高MsMs点，点，其余其余MeMe：使：使MsMs降低降低影响影响Ms点的因素点的因素（1 1） A A化学成分（最主要影响因素）化学成分（最主要影响因素）提高提高A A区内加热温度或延长加热时间区内加热温度或延长加热时间可降低可降低MsMs，有利于奥氏体的合金化，有利于奥氏体的合金化可提高可提高MsMs点，原因可能与点，原因可能与A A晶粒长大，或与晶粒长大，或与A A内缺陷减少有关内缺陷减少有关（2 2） 奥氏体化条件奥氏体化条件一般工业生产用淬火介质一般工业生产用淬火介质所能达到的冷却速度对所能达到的冷却速度对MsMs一般没有影响一般没有影响影响影响Ms点的因素点的因素（3
20、 3）冷却速度的影响）冷却速度的影响C%C%越低，越低，MsMs出现跳跃式出现跳跃式变化趋势越明显。变化趋势越明显。（4 4）弹性应力的影响）弹性应力的影响单向拉应力、压应力能促进单向拉应力、压应力能促进M M的形成，使的形成，使MsMs点升高，所点升高，所得得M M称为应力促发称为应力促发M M。三向压缩则使三向压缩则使MsMs点下降。点下降。（5 5）塑性变形的影响）塑性变形的影响在奥氏体状态下的在奥氏体状态下的塑性变形方式和变形量塑性变形方式和变形量对马氏体相变对马氏体相变MsMs点有显著影响。细化晶粒使点有显著影响。细化晶粒使MsMs点降低，最终趋于恒定点降低，最终趋于恒定形变诱发马氏
21、体形变诱发马氏体是指由于奥氏体受到塑性变形的影响而形成是指由于奥氏体受到塑性变形的影响而形成的马氏体。的马氏体。形变能为相变提供一定的能量，如果该形变能为相变提供一定的能量，如果该能量与化学驱动力相互作用，能够达到能量与化学驱动力相互作用，能够达到相变所需的最小驱动力，则相变就可以相变所需的最小驱动力，则相变就可以提前发生。形变所提供的能量，称为机提前发生。形变所提供的能量，称为机械驱动力。械驱动力。影响影响Ms点的因素点的因素形状记忆效应形状记忆效应形状记忆效应：将某些材料进行变形后加热至某一特定温度：将某些材料进行变形后加热至某一特定温度以上时，能自动回复原来形状的效应。以上时，能自动回复
22、原来形状的效应。形状记忆效应是由形状记忆效应是由马氏体转变的热弹性行为马氏体转变的热弹性行为及及伪弹性伪弹性引起的引起的分分单程单程和和双程双程记忆效应记忆效应热弹性热弹性M M：M M片随温度降片随温度降低而增大，随温度升高低而增大，随温度升高而减小而减小。 一般一般M M转变形核以后，转变形核以后，M M片迅速长大到一极限尺寸即停止，片迅速长大到一极限尺寸即停止，若要使转变继续进行，必须持续降温，产生新核，随后长若要使转变继续进行，必须持续降温，产生新核，随后长大到极限尺寸，大到极限尺寸，这一过程不可逆这一过程不可逆。这是因为马氏体长大到。这是因为马氏体长大到一定程度时，边界共格关系得到了
23、破坏。一定程度时，边界共格关系得到了破坏。 热弹性马氏体热弹性马氏体在一些合金中的马氏体形成时，其产生的在一些合金中的马氏体形成时，其产生的形状变化形状变化始终始终依靠相邻母相的弹性变形依靠相邻母相的弹性变形来协调，保持着界来协调，保持着界面的共格性。这样，马氏体片可随温度降低而长大，随温面的共格性。这样，马氏体片可随温度降低而长大，随温度升高而缩小，亦即度升高而缩小，亦即温度的升降可引起马氏体片的消长温度的升降可引起马氏体片的消长。具有这种特性的马氏体称为热弹性马氏体。具有这种特性的马氏体称为热弹性马氏体。热弹性马氏体热弹性马氏体 温度升降可以引起热弹性马氏体的消长，外加应力的温度升降可以引
24、起热弹性马氏体的消长，外加应力的改变也可以引起马氏体片的消长。改变也可以引起马氏体片的消长。 应力应力增加增加，马氏体片，马氏体片长大长大 应力应力减小减小，马氏体片，马氏体片缩小缩小 外力促发的马氏体片往往具有相同的空间取向，故马氏体外力促发的马氏体片往往具有相同的空间取向，故马氏体片的长大，即随马氏体量的增加将伴随宏观的形状改变。片的长大，即随马氏体量的增加将伴随宏观的形状改变。随应力减小，马氏体发生随应力减小，马氏体发生逆转逆转，宏观变形恢复，这种现象称，宏观变形恢复，这种现象称为为伪弹性（超弹性）伪弹性（超弹性）伪弹性伪弹性航天应用航天应用月面天线月面天线月面天线伸展开来很宽大，火箭无
25、月面天线伸展开来很宽大，火箭无法容纳，那么，如何把这样一个天法容纳，那么，如何把这样一个天线送上太空，送上月球呢线送上太空，送上月球呢? ?用用Ni-TiNi-Ti合金丝在马氏体相变温度合金丝在马氏体相变温度以上，先做成月面天线，然后在低以上，先做成月面天线，然后在低于于MfMf的温度把月面天线压成小团装的温度把月面天线压成小团装入运载火箭，当发射至月球表面后，入运载火箭，当发射至月球表面后，通过太阳能加热而恢复原形，在月通过太阳能加热而恢复原形，在月球上展开成为正常工作的月面天线球上展开成为正常工作的月面天线 医学应用医学应用心脏修补元件心脏修补元件热弹性马氏体的应用热弹性马氏体的应用 M
26、M的结构类型随的结构类型随C C含量的不同而变化。含量的不同而变化。 C C含量低时为板条含量低时为板条M M，位错亚结构；，位错亚结构； C C含量高时为针片状含量高时为针片状M M，孪晶亚结构。板条，孪晶亚结构。板条M M有较高的强韧有较高的强韧性，针片状性，针片状M M硬而脆。硬而脆。 M M转变是按切变方式进行，转变是按切变方式进行，K KS S，G GT T模型不同程度说模型不同程度说明了切变过程明了切变过程 由于由于M M是以切变方式进行，所以是以切变方式进行，所以M M转变有一系列由切变造转变有一系列由切变造成的特点（表面浮凸，非恒温，非扩散，惯习面和位向关成的特点（表面浮凸，非
27、恒温，非扩散，惯习面和位向关系，可逆性）系，可逆性） 奥氏体热稳定化及机械稳定化的基本概念奥氏体热稳定化及机械稳定化的基本概念 形状记忆效应的概念及应用形状记忆效应的概念及应用本章小结（1）影响钢的）影响钢的Ms点的最主要因素是，点的最主要因素是， Ms随升高随升高而。而。（2）M转变的切变模型有，转变的切变模型有， ， 。（3）马氏体转变时）马氏体转变时K-S关系是指关系是指 (晶面关系晶面关系)， (晶向关系晶向关系)。（4）通常亚共析钢的淬火加热温度是在，过共析钢）通常亚共析钢的淬火加热温度是在，过共析钢为了减少变形开裂，其淬火加热温度通常是在。为了减少变形开裂，其淬火加热温度通常是在。
28、（5）在）在Ms点以上由变形产生的马氏体为。点以上由变形产生的马氏体为。(a)应力促发马氏体应力促发马氏体(b)形变诱发马氏体形变诱发马氏体(c)淬火马氏体淬火马氏体(d)热弹性马氏体热弹性马氏体测验测验 什么是钢中的马氏体、珠光体和奥氏体？什么是钢中的马氏体、珠光体和奥氏体？各自具有什么样的晶体结构？各自具有什么样的晶体结构？ M转变与转变与P转变相比有什么特点？转变相比有什么特点？ 为什么为什么M转变是非扩散转变？转变是非扩散转变？ M有几种主要类型，具有什么样的特有几种主要类型，具有什么样的特点点?思考题思考题人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。