固态相变原理第四章-马氏体相变9课件.ppt

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1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用3.马氏体相变热力学马氏体相变热力学界面能界面能S及应变能及应变能V。此外。此外:(1)克服切变阻力克服切变阻力-;(2)大量位错或孪晶等导致能量升高;大量位错或孪晶等导致能量升高;(3)M相变是体积膨胀的过程,将产生相变是体积膨胀的过程,将产生塑性变形。塑性变形。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用必须过冷到低于必须过冷到低于T0的某一温度的某一温度Ms以以下时下时G 0,才能发生马氏体,才能发生马氏体相变相变 材料科学与工程学院材料科学与工程学院

2、固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用式中,式中,S为为相变时的熵变。相变时的熵变。Ms与与T0的差值称为热滞。热滞越大,的差值称为热滞。热滞越大,要求马氏体相变的驱动力越大。要求马氏体相变的驱动力越大。形状记忆合金形状记忆合金材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用Ms点的物理意义及其影响因素点的物理意义及其影响因素 马氏体转变得以进行所需的最小马氏体转变得以进行所需的最小过冷度,其物理意义是奥氏体和过冷度,其物理意义是奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。需最小驱动力值时的温度

3、。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用影响钢中影响钢中Ms点的主要因素点的主要因素1)化学成分的影响)化学成分的影响 C%的影响最为的影响最为显著,随显著,随C%增加,增加,马氏体相变的温度马氏体相变的温度范围下降。范围下降。碳含量对碳含量对Ms和和Mf的影响的影响本质的原因是固溶强化!本质的原因是固溶强化!材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用Ms和和Mf都下降;都下降;含碳量在含碳量在0.6%左右

4、变化趋势改变;左右变化趋势改变;Mf点低于室温。点低于室温。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 钢中常见的合金元素均使钢中常见的合金元素均使Ms点降低,点降低,但效果不如碳显著。只有但效果不如碳显著。只有Al和和Co使使Ms点点升高。升高。原因:主要是影响自由能差原因:主要是影响自由能差原因:主要是影响自由能差原因:主要是影响自由能差材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 A1、Co、Si、Mo、W

5、、V、Ti等均提等均提高高T0温度,但也程度不同地增加奥氏体温度,但也程度不同地增加奥氏体强度强度,若前者作用较大时,若前者作用较大时,Ms点升高,如点升高,如A1、Co;若后者作用较大时,;若后者作用较大时,Ms点降低,点降低,如如Mo、W、V、Ti;当两者作用大致相;当两者作用大致相当时,则对当时,则对Ms点影响不大,如点影响不大,如Si。一般认为,凡是降低一般认为,凡是降低Ms点的合金元素点的合金元素也同样降低也同样降低Mf点。点。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用2)奥氏体化条件的影响)奥氏体化条件的影响 完全奥氏体化,完全奥氏体

6、化,Ms点上升;点上升;均匀化均匀化Ms点下降。奥氏体晶粒粗点下降。奥氏体晶粒粗大,切变阻力减小,大,切变阻力减小,Ms点升高。点升高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用4)形变与应力的影响)形变与应力的影响 多向压应力将阻止马氏体的形成,多向压应力将阻止马氏体的形成,降低降低Ms点。拉或单向压有利于马氏体点。拉或单向压有利于马氏体形成,使形成,使Ms点升高。点升高。温度越高,形变诱发马氏体量减少,温度越高,形变诱发马氏体量减少,直至不再诱发。可获得

7、形变马氏体的最直至不再诱发。可获得形变马氏体的最高温度称为形变马氏体点,用高温度称为形变马氏体点,用Md表示。表示。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用5 5)磁场的影响)磁场的影响)磁场的影响)磁场的影响 在磁场中淬火冷却时,外在磁场中淬火冷却时,外在磁场中淬火冷却时,外在磁场中淬火冷却时,外加磁场将诱发马氏体相变,加磁场将诱发马氏体相变,加磁场将诱发马氏体相变,加磁场将诱发马氏体相变,与不加磁场相比,与不加磁场相比,与不加磁场相比,与不加磁场相比,

8、MMs s点升高,点升高,点升高,点升高,并且相同温度下的马氏体转并且相同温度下的马氏体转并且相同温度下的马氏体转并且相同温度下的马氏体转变量增加。但是,外加磁场变量增加。但是,外加磁场变量增加。但是,外加磁场变量增加。但是,外加磁场只使只使只使只使MMs s点升高,而对点升高,而对点升高,而对点升高,而对MMs s点以点以点以点以下的相变行为并无影响。下的相变行为并无影响。下的相变行为并无影响。下的相变行为并无影响。外加磁场对马氏体转外加磁场对马氏体转外加磁场对马氏体转外加磁场对马氏体转变过程的影响变过程的影响变过程的影响变过程的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变

9、变 原原 理理 与与 应应 用用 外加磁场影响马氏体相变的原因,主外加磁场影响马氏体相变的原因,主要是外加磁场使具有最大磁饱和强度的要是外加磁场使具有最大磁饱和强度的马氏体相趋于更稳定。在磁场中马氏体马氏体相趋于更稳定。在磁场中马氏体的自由能降低,非铁磁相奥氏体自由能的自由能降低,非铁磁相奥氏体自由能的影响不大,因此平衡温度的影响不大,因此平衡温度T0升高,升高,Ms点也随之升高(如图所示)。点也随之升高(如图所示)。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用

10、用6)中间组织转变中间组织转变 马氏体转变前如果过冷奥氏体马氏体转变前如果过冷奥氏体发生了部分其它相变,如珠光体发生了部分其它相变,如珠光体或贝氏体转变,这些相变会使剩或贝氏体转变,这些相变会使剩余奥氏体的含碳量有所变化,导余奥氏体的含碳量有所变化,导致致Ms点发生相应的变化。点发生相应的变化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 凡是强化奥氏体,使奥氏体稳凡是强化奥氏体,使奥氏体稳定的因素均降低定的因素均降低Ms点;凡是降低点;凡是降低平衡温度平衡温度T0,扩大,扩大区,缩小区,缩小-Fe和和-Fe之间的自由能差的因素,均之间的自由能差的

11、因素,均降低降低Ms点点 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用马氏体相变动力学马氏体相变动力学马氏体相变速度主要取决于形核马氏体相变速度主要取决于形核 变温马氏体相变变温马氏体相变 特点:马氏体晶核瞬时形成,急速长大,特点:马氏体晶核瞬时形成,急速长大,必须不断降温,马氏体晶核才能不断形必须不断降温,马氏体晶核才能不断形成;(成;(2)激活能极小,在极低温度下仍)激活能极小,在极低温度下仍能高速生长;(能高速生长;(3)一个马氏体单晶长大)一个马氏体单晶长大到一定极限尺寸后就不再生长,继续降到一定极限尺寸后就不再生长,继续降温时,新的马氏体

12、晶核形成并长大。温时,新的马氏体晶核形成并长大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 等温马氏体相变等温马氏体相变 特点:符合一般的热激活形核规特点:符合一般的热激活形核规律,转变动力学与珠光体相变一律,转变动力学与珠光体相变一样也呈样也呈“C”字形字形;相变不能进;相变不能进行到底行到底。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 爆发型马氏体相变爆发型马氏体相变 瞬间形成大量的马氏体之后,呈现出变瞬间形成大量的马氏体之后,呈现出变温马氏体转变特征。片尖应力促使另一温马氏体转变特征。片尖应力

13、促使另一片马氏体形核长大,呈现连锁反应态势,片马氏体形核长大,呈现连锁反应态势,马氏体呈马氏体呈“Z”字形,所以这类相变也称字形,所以这类相变也称为自触发形核,瞬间长大。为自触发形核,瞬间长大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用奥氏体稳定化奥氏体稳定化 过冷奥氏体在外界因素作用下,过冷奥氏体在外界因素作用下,因内部结构发生某种变化而使马氏因内部结构发生某种变化而使马氏体转变呈现迟滞的现象。奥氏体稳体转变呈现迟滞的现象。奥氏体稳定化使残余奥氏体量增多,

14、导致硬定化使残余奥氏体量增多,导致硬度下降或零件使用过程中几何尺寸度下降或零件使用过程中几何尺寸发生变化。发生变化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用奥氏体的热稳定化奥氏体的热稳定化 冷却暂时中断(如缓慢冷却或冷却暂时中断(如缓慢冷却或等温停留),而引起奥氏体稳定性等温停留),而引起奥氏体稳定性提高,马氏体转变迟滞的现象称为提高,马氏体转变迟滞的现象称为奥氏体的热稳定化。奥氏体的热稳定化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用TA停留停留时间后,继续冷却,相变不是立时间后,继续冷却,相变

15、不是立即恢复,而是要冷却到即恢复,而是要冷却到Ms才重新形成才重新形成马氏体,即滞后了马氏体,即滞后了 度,转变量减少了度,转变量减少了。稳定程度可用稳定程度可用或或 表示表示材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用奥氏体的机械稳定化奥氏体的机械稳定化 在在Md点以上对奥氏体进行塑点以上对奥氏体进行塑性变形,当超过一定变形量后,性变形,当超过一定变形量后,使随后的马氏体转变困难,这种使随后的马氏体转变困难,这种现象称为奥氏体的机械稳定化。现象称为奥氏体的机

16、械稳定化。机械稳定化与变形诱发马氏体矛盾?机械稳定化与变形诱发马氏体矛盾?材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用5.马氏体相变晶体学的经典模型马氏体相变晶体学的经典模型 无扩散情况下,晶体结构通过切无扩散情况下,晶体结构通过切变而改组。是由原子集体的、有规变而改组。是由原子集体的、有规律的近程迁动完成的,并无成分变律的近程迁动完成的,并无成分变化。虽然如此,马氏体相变仍然是化。虽然如此,马氏体相变仍然是一个形核和长大的过程。一个形核和长大的过程。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用材料科学

17、与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用K-S(Kurdjumov-Sachs)切变模型)切变模型材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(1)()(111)上沿)上沿211方向产生方向产生1928角度角度的切变,结果是的切变,结果是B层的原子沿该方向移动层的原子沿该方向移动1/12211(0.57),C层原子移动层原子移动1/6211(1.14),即相邻原子层移动距离均为,即相邻原子层移动距离均为1/12211。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用

18、(2)沿)沿110方向产生方向产生10 32角度的第角度的第二次切变,顶角由二次切变,顶角由60 变成变成70 32,得,得到体心立方点阵。有到体心立方点阵。有C原子存在时,切原子存在时,切变角度略小些,得到的就是体心正方。变角度略小些,得到的就是体心正方。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用(3)最后还要作一些微小调整,使晶面)最后还要作一些微小调整,使晶面间距与实测数值相符合。间距与实测数值相符合。经经K-S切变后,切变后,(1 1 1)变为变为(1 1 0)。K-S切变模型可以导出所测得的点阵结切变模型可以导出所测得的点阵结构和位向关

19、系,但按构和位向关系,但按K-S切变模型产生的切变模型产生的表面浮突与实测结果不符,并且不能解释表面浮突与实测结果不符,并且不能解释惯习面为惯习面为(2 2 5)和和(2 5 9)的马氏体的切变的马氏体的切变过程。过程。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用马氏体的机械性能马氏体的机械性能1马氏体的硬度和强度马氏体的硬度和强度2马氏体的韧性马氏体的韧性3马氏体的相变诱发塑性马氏体的相变诱发塑性材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用1马氏体的硬度和强度马氏体的硬度和强度 高硬度高硬度和和高强度

20、高强度,其硬度随碳含,其硬度随碳含量增加而升高,合金元素对马氏体量增加而升高,合金元素对马氏体硬度的影响不大。当碳含量达硬度的影响不大。当碳含量达0.6时,淬火钢的硬度接近最大值。时,淬火钢的硬度接近最大值。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用淬火钢的最大硬度淬火钢的最大硬度与碳含量的关系与碳含量的关系1 高于高于AC3(ACcm)淬火;淬火;2 高于高于AC1淬火;淬火;3 马氏体的硬度马氏体的硬度注意残余奥氏体的作用注意残余奥氏体的作用材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 当碳含量进

21、一步增加时,虽然马氏体当碳含量进一步增加时,虽然马氏体的硬度会有所提高,但由于残余奥氏体的硬度会有所提高,但由于残余奥氏体量增加,使淬火钢的硬度反而下降。量增加,使淬火钢的硬度反而下降。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用高硬度、高强度的主要因素:高硬度、高强度的主要因素:1)相变强化:切变造成马氏体晶)相变强化:切变造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷(位错、体内产生大量的微观缺陷(位错、孪晶及层错等等),使马氏体强孪晶及层错等等),使马氏体强化,称为相变强化。化,称为相变强化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变

22、原原 理理 与与 应应 用用 无碳马氏体的屈服强度约为无碳马氏体的屈服强度约为280MPa左右,与形变强化铁素体的左右,与形变强化铁素体的屈服强度很接近。而退火状态铁素屈服强度很接近。而退火状态铁素体的屈服强度仅约为体的屈服强度仅约为120MPa左右。左右。即相变强化使屈服强度提高了一倍即相变强化使屈服强度提高了一倍以上。以上。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用亚结构对马氏体强度亚结构对马氏体强度的贡献的贡献 碳含量低于碳含量低于0.3的的Fe-C合金的马氏体,合金的马氏体,其亚结构为位错,马其亚结构为位错,马氏体的强化主要靠碳氏体的强化

23、主要靠碳原子的固溶强化。原子的固溶强化。碳含量对碳含量对Fe-C合金马氏体硬合金马氏体硬度的影响度的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用碳含量大于碳含量大于0.3的马氏体,其亚的马氏体,其亚结构中孪晶量增结构中孪晶量增多,固溶强化多,固溶强化+孪孪晶对强度的贡献。晶对强度的贡献。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用当碳含量大于当碳含量大于0.6时,硬度时,硬度不再上升,这不再上升,这是由于残余奥是由于残余奥氏体增多的影氏体增多的影响。响。碳含量对碳含量对Fe-C合金马合金马氏体硬度的

24、影响氏体硬度的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用2)固溶强化)固溶强化 很难得到新鲜的马氏体。很难得到新鲜的马氏体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用Winchell专门设计了一种专门设计了一种Ms点很低的点很低的Fe-Ni-C型合金,以保证马氏体相变后型合金,以保证马氏体相变后没有因碳原子析出而产生的时效强化。没有因碳原子析出而产生的时效强化。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用为什么为什么C原子的固溶强化效应在马原子的固溶

25、强化效应在马氏体中如此强烈,而在奥氏体中却氏体中如此强烈,而在奥氏体中却不大?不大?奥氏体的奥氏体的C原子处于正八面体原子处于正八面体中心,点阵产生对称膨胀,并不发中心,点阵产生对称膨胀,并不发生畸变。生畸变。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用马氏体中的马氏体中的C原子处于扁八面体原子处于扁八面体中心,形成以中心,形成以C原子为中心的畸原子为中心的畸变偶极应力场,这个应力场与位变偶极应力场,这个应力场与位错产生强烈的交互作用,使马氏错产生强烈的交互作用,使马氏体强度升高。体强度升高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相

26、变变 原原 理理 与与 应应 用用3)时效强化)时效强化新鲜马氏体并不存在新鲜马氏体并不存在 理论计算和电阻分析都表明,马氏体理论计算和电阻分析都表明,马氏体在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可产在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可产生时效强化。在生时效强化。在-60以上温度,时效就以上温度,时效就能进行,发生能进行,发生C原子偏聚和析出从而产生原子偏聚和析出从而产生时效强化作用。时效强化作用。马氏体自回火现象。马氏体自回火现象。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 淬火后在淬火后在0停留时效停留时效3小时,马氏体的屈服强度小时,马氏体的屈服强度就

27、有了进一步的提高,碳就有了进一步的提高,碳含量越高,时效强化效果含量越高,时效强化效果就越显著。就越显著。当当C%大于大于0.4时可以时可以通过时效强化对马氏体的通过时效强化对马氏体的强度作出贡献。强度作出贡献。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用4)晶界强化)晶界强化 原始奥氏体晶粒越细小,马氏原始奥氏体晶粒越细小,马氏体板条群越细小,则马氏体强度越体板条群越细小,则马氏体强度越高。但通过细化奥氏体晶粒来进一高。但通过细化奥氏体晶粒来进一步提高马氏体强度的效果不是十分步提高马氏体强度的效果不是十分显著,除非进一步细化奥氏体晶粒。显著,除非

28、进一步细化奥氏体晶粒。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响群大小对马氏体强度的影响 原始奥氏体晶粒越细小,马氏体原始奥氏体晶粒越细小,马氏体板条群越细小,则马氏体强度就越板条群越细小,则马氏体强度就越高。高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用 对于中碳低合金结构钢,奥氏体从对于中碳低合金结构钢,奥氏体从单晶细化至单晶细化至10级晶粒度时,马氏体的级晶粒度时,马氏体的强度增加不大于强度增加不大于250MP

29、a。一些特殊热处理中(如形变热处理一些特殊热处理中(如形变热处理或超细化处理),将奥氏体晶粒细化或超细化处理),将奥氏体晶粒细化至至15级或更高时,才能期望使马氏体级或更高时,才能期望使马氏体的强度提高约的强度提高约500MPa。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用2马氏体的韧性马氏体的韧性 大量试验结果都证明,在屈服强大量试验结果都证明,在屈服强度相同的条件下,位错型马氏体的度相同的条件下,位错型马氏体的断裂韧性(断裂韧性(KIC)和冲击功()和冲击功(ak)比)比孪晶马氏体要好得多,即使经回火孪晶马氏体要好得多,即使经回火后,也仍然具有

30、这种规律。后,也仍然具有这种规律。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用马氏体的韧性主要决定于亚结构马氏体的韧性主要决定于亚结构 *位错型马氏体具有良好的韧性位错型马氏体具有良好的韧性 *孪晶马氏体的韧性较差孪晶马氏体的韧性较差 孪晶亚结构的存在及在回火时碳孪晶亚结构的存在及在回火时碳化物沿孪晶面析出而呈不均匀分布化物沿孪晶面析出而呈不均匀分布有关。也有可能与碳原子在孪晶界有关。也有可能与碳原子在孪晶界偏聚有关。偏聚有关。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 固固 态态 相相 变变 原原 理理 与与 应应 用用综上所述:综上所述:马氏体的马氏体的强度强度主要决定于主要决定于碳含量碳含量马氏体的马氏体的韧性韧性主要决定于主要决定于亚结构亚结构高碳孪晶型马氏体强度高,但韧性很差。高碳孪晶型马氏体强度高,但韧性很差。低碳位错型马氏体具有较高的强度和良低碳位错型马氏体具有较高的强度和良好韧性,而且还具有脆性转折温度低、好韧性,而且还具有脆性转折温度低、缺口敏感性低等优点。缺口敏感性低等优点。

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