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1、马氏体马氏体转变转变一一、马氏体转变的基本、马氏体转变的基本特点特点马氏体转变发生在很大的过冷情况下，转变速率极高，马氏体转变发生在很大的过冷情况下，转变速率极高，原子间的相邻关系保持不变，故称作原子间的相邻关系保持不变，故称作切变型无扩散型相切变型无扩散型相变，即“协同型”转变变，即“协同型”转变。无扩散性无扩散性 切变主导型点阵畸变式转变切变主导型点阵畸变式转变 转变时的动力学和生成相形貌受转变过程中产生的转变时的动力学和生成相形貌受转变过程中产生的弹性弹性应变能应变能控制控制 表面浮凸效应和切变共格性表面浮凸效应和切变共格性 新相与母相间具有一定的晶体学关系新相与母相间具有一定的晶体学关
2、系 转变的不完全性转变的不完全性 转变转变的可逆性的可逆性二、二、马氏体的组织形态及亚结构马氏体的组织形态及亚结构板条状马氏体板条状马氏体(lath martensite)板板条状马氏体是在低条状马氏体是在低、中碳钢及马氏体时效钢中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢不锈钢，Fe-Ni合金中形成的一种典型的马氏体组织合金中形成的一种典型的马氏体组织，其其特征是每个特征是每个单元的形状呈窄而细长的板条单元的形状呈窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地并且许多板条总是成群地、相互平行地连在一起相互平行地连在一起，故称为故称为板条状马氏体板条状马氏体，也有也有群集状群集状马氏体马氏体之称之称。又因这种马氏体的
3、又因这种马氏体的亚结构亚结构主要是位错主要是位错，其位错密度其位错密度约为约为0.30.9x1012/cm，故故也称也称位错马氏体位错马氏体。一 个 原 奥 氏 体 晶 粒 是 由 几 个一 个 原 奥 氏 体 晶 粒 是 由 几 个(通 常 为通 常 为 35 个个)叫 做叫 做“束束”(Packet)的区域所组成的区域所组成(A区域区域)；有时一个束又由若干；有时一个束又由若干个叫做个叫做“块块”(Block)的平行区域所分割的平行区域所分割(B区域区域)。片状马氏体片状马氏体(plate martensite)片状马氏体片状马氏体是在中是在中、高碳高碳(合金合金)钢及钢及Fe-Ni(大于
4、大于29)合金合金中形成的一种典型的马氏体组织中形成的一种典型的马氏体组织。对碳钢来说对碳钢来说，一般当碳含一般当碳含量小于量小于1.0时片状马氏体与板条状马氏体共存时片状马氏体与板条状马氏体共存，而大于而大于1.0%时才单独存在时才单独存在。它它的空间形态呈的空间形态呈双凸透镜片双凸透镜片状状，故简称为片状马氏体故简称为片状马氏体。由于它与试样磨面相截而往由于它与试样磨面相截而往往呈现为针状或竹叶状往呈现为针状或竹叶状，故故也称为也称为针状或竹叶状马氏体针状或竹叶状马氏体。又由于这种马氏体的亚结构又由于这种马氏体的亚结构主要为孪晶主要为孪晶，故还有故还有孪晶马孪晶马氏体氏体之称之称。片状马氏
5、体中的孪晶片状马氏体中的孪晶(三三)其它形态的马氏体其它形态的马氏体 蝶状马氏体蝶状马氏体立体形状是具有蝴蝶形断面的细长条片立体形状是具有蝴蝶形断面的细长条片，故称为故称为蝶状马氏体蝶状马氏体。从金相形态从金相形态、内部亚内部亚结构和形成温度来看结构和形成温度来看，它是它是介于板条状马氏介于板条状马氏体与片状马氏体之间体与片状马氏体之间的一种特异形态的一种特异形态。2薄片状马氏体在Ms点低于0的镍钢中发现的，其立体形状为薄片状，而金相形态为很细的带状，它具有相互交叉、分枝、曲折等特异形态。这种马氏体的亚结构全部是由112孪晶组成，但无中脊。3.马氏体在Cr-Ni(Mn)不锈钢和高锰钢等层错能较
6、低的合金中有可能形成薄片状、密排六方结构的马氏体，即马氏体。马氏体内的亚结构为大量的层错。三、马氏体转变热力学三、马氏体转变热力学成分成分相同的奥氏体与马氏体的自由相同的奥氏体与马氏体的自由焓焓G均随温度的升高而下降，但下均随温度的升高而下降，但下降的速率不同，两曲线必相交于一降的速率不同，两曲线必相交于一个个特征温度特征温度To，此时两相达到热力此时两相达到热力学平衡。学平衡。临界驱动力和转变温度当马氏体形成时当马氏体形成时，除了因形成新的界面而消耗除了因形成新的界面而消耗驱动能驱动能外外，还需还需要考虑要考虑其它能量消耗其它能量消耗，如：如：因新相的比容增大和维持切变共因新相的比容增大和维
7、持切变共格而引起的弹性应变能；格而引起的弹性应变能；产生宏观均匀切变而作功；产生宏观均匀切变而作功；产生产生宏观不均匀切变而在马氏体中形成高密度位错和细微孪晶宏观不均匀切变而在马氏体中形成高密度位错和细微孪晶(以能以能量的形式储存于马氏体中量的形式储存于马氏体中)；使邻近的奥氏体发生协作形变而使邻近的奥氏体发生协作形变而作功等等作功等等。若以若以 GE表示第表示第项弹性应变能消耗项弹性应变能消耗，GP表示第表示第、项塑性应变能消耗的总和项塑性应变能消耗的总和，则对马氏体转变来说则对马氏体转变来说，其相变热力学表达式应为其相变热力学表达式应为 G -G+GS+GE+GP由马氏体转变的切变特征而引
8、起的能量消耗很大由马氏体转变的切变特征而引起的能量消耗很大，因而要满足因而要满足马氏体形成的条件：马氏体形成的条件：G GS+GE+GP，就就必须有较大的过冷度必须有较大的过冷度(T=To-Ms)，以便为马氏体转变提供以便为马氏体转变提供足够的足够的化学驱动力化学驱动力。在马氏体转变中，除少数合金发在马氏体转变中，除少数合金发生生等温转变等温转变外，大部分合金是外，大部分合金是降降温转变温转变。奥氏体在奥氏体在To和和Ms之间不会转变为马氏体之间不会转变为马氏体，但如对奥氏体施加，但如对奥氏体施加外力，则在奥氏体发生塑性变形的同时将转变为马氏体，称为外力，则在奥氏体发生塑性变形的同时将转变为马
9、氏体，称为形变诱发马氏体形变诱发马氏体。马氏体转变量与形变温度有关，温度越高形变诱发马氏体量越马氏体转变量与形变温度有关，温度越高形变诱发马氏体量越少，高于某一温度时形变不再诱发马氏体转变，该温度称为少，高于某一温度时形变不再诱发马氏体转变，该温度称为形形变诱发马氏体转变温度变诱发马氏体转变温度Md。塑性变形同样也能使升温过程中的逆转变在塑性变形同样也能使升温过程中的逆转变在To与与As(无变形时无变形时逆转变开始温度逆转变开始温度)之间发生，同样也存在之间发生，同样也存在形变诱发奥氏体转变形变诱发奥氏体转变温度温度Ad，显然，按马氏体转变热力学条件，显然，按马氏体转变热力学条件Md的上限为的
10、上限为To，而，而Ad的下限亦为的下限亦为To，To=(As-Ms)/2=(Af-Mf)/2该晶核的该晶核的界面能界面能为为V Gs=2 r2 式中：式中：V是晶核体积，是晶核体积，Gs是单位体积的表面能；是单位体积的表面能；是比界面是比界面能。该晶核的应变能为能。该晶核的应变能为式中：式中：Ge=Ac/r是单位体积的是单位体积的应变能应变能，该晶核的体积自由焓，该晶核的体积自由焓的改变量为的改变量为式中：式中：Gv是单位体积自由焓的改变量是单位体积自由焓的改变量rVGr c Ace342VGGr cVV342如果该晶核在点阵缺陷处形成，还需考虑由于如果该晶核在点阵缺陷处形成，还需考虑由于缺陷
11、引起的自缺陷引起的自由焓由焓Gd和和晶核与缺陷相互作用能晶核与缺陷相互作用能Gi，一个经典的马氏体晶核，一个经典的马氏体晶核的形成所需的的形成所需的总自由焓变化总自由焓变化为为 G(r,c)=Gd+Gi十十V(Gv+Ge+Gs)计算临界形核功计算临界形核功 G*、临界晶核尺寸、临界晶核尺寸r*和和c*时，有时，有3种情况。种情况。均匀形核均匀形核时，时，Gd和和Gi为零。形核势垒为零。形核势垒 G*比实测值高出了几比实测值高出了几个数量级。因此，个数量级。因此，马氏体的均匀形核是不可能的马氏体的均匀形核是不可能的。若晶核在缺陷处形成，则形核势垒若晶核在缺陷处形成，则形核势垒 G*以及晶核的临界尺寸都以及晶核的临界尺寸都可以减小。在某些特定条件下，非均匀形核甚至可以是无势可以减小。在某些特定条件下，非均匀形核甚至可以是无势垒的垒的。