第四章马氏体相变-改1.

过冷奥氏体转变高温中温低温共析钢过冷奥氏体等温转变曲线A：奥氏体P：珠光体Ｂ：贝氏体Ｍ：马氏体共析钢：第四章马氏体相变本章主要内容•马氏体的晶体结构•马氏体的组织形态•马氏体相变的主要特征•马氏体相变热力学•马氏体相变的经典模型•马氏体相变动力学•奥氏体的稳定性•马氏体的机械性能马氏体相变•马氏体相变：切变共格型相变•切变共格型相变：在相变过程中，晶体点阵的重组是通过切变即基体原子集体有规律的近程迁移所完成，新相与母相保持共格关系•其相变产物称为马氏体•马氏体相变是钢件热处理强化的主要手段•淬火：产生马氏体相变的热处理工艺淬火：将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织的热处理工艺。马氏体的命名马氏体(martensite)是最先由德国冶金学家AdolfMartens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。一方面与蔡司光学仪器厂合作设计适于金相观察的显微镜,另一方面对钢铁的金相进行了大量的系统研究,发现了低碳钢的时效变脆现象。马氏在改进和推广金相技术方面起了很大的作用。为了纪念马氏在改进和传播金相技术方面的功绩,Osmond在1895年建议用他的姓氏命名钢的淬火组织——Martensite,即马氏体。4.1马氏体的晶体结构AM无扩散型相变只有点阵重构而无成分变化马氏体----碳在α-Fe中的过饱和固溶体。M或´体心正方点阵bct----´马氏体。碳原子位于α-Fe的bcc扁八面体间隙中心，即点阵各棱边中央和面心位置。马氏体的晶体结构奥氏体的点阵马氏体点阵长轴：a2短轴：a短轴方向空隙：0.038nm碳原子有效直径：0.154nm水平：1.44a垂直：ac轴伸长(36%)、a轴缩短(4%)体心正方（a=b＜c）c/a---正方度或轴比取决于含碳量：Cc/a,马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示1/00acaaac式中a0为α-Fe的点阵常数，a0＝２.861Åα=0.116±0.002；β=0.113±0.002；=0.046±0.001；ρ-马氏体的碳含量（重量百分比）C＞0.2%-----体心正方C＜0.2%-----体心立方4.2马氏体的组织形态•淬火获得马氏体组织是钢件强韧化的重要基础成分热处理马氏体形态和亚结构组织机械性能1、板条状马氏体板条马氏体是低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金等铁系合金中形成的一种典型的马氏体组织。18Ni马氏体时效钢的板条马氏体组织（1）板条马氏体的显微组织马氏体呈板条状，一束束排列在原奥氏体晶粒内。每一个板条为一个马氏体单晶，其尺寸约为0.5m5.0m20m。对某些钢因板条不易浸蚀显现出来，而往往呈块状，所以有时也称为块状马氏体，又因为这种马氏体的亚结构主要为位错，3-9×1011cm-2，也常称之为位错型马氏体，这种马氏体是由许多板条群组成的，也称为群集状马氏体。在一个板条群内各板条的尺寸大致相同，这些板条呈大致平行且方向一定的排列。板条状马氏体由板条群所组成(图中A)，板条群的尺寸约为20-35µm，一个原始奥氏体晶粒内可有几个板条群(常为3-5个)。一个板条群又可以分成几个平行的区域(图中B)，称为同位向束，同位向束之间呈大角晶界。一个板条群也可以只由一种同位向束所组成(图中C)。每个同位向束由若干个平行板条所组成(图中D)，每一个板条为一个马氏体单晶体，其尺寸约为0.5X5.0X20µm。1、板条状马氏体板条马氏体的微观组织与成分有关：C0.3%时，马氏体板条群及群中的同位相束均很清晰；C在0.3-0.6%之间时，板条束群清晰，同位相束不清晰；碳含量在0.6-0.8%时，板条混杂生成的倾向性较强，无法辨认板条束群和同位相束。1、板条状马氏体（2）晶体学特征惯习面{111}，位相关系符合K-S关系。（3）亚结构亚结构主要是高密度的位错缠结构成的位错胞，位错密度可高达0.3～0.9×1012/cm2，板条边缘有少量孪晶。从亚结构对材料性能而言，孪晶不起主要作用（4）残余奥氏体在各板条之间往往存在薄膜状的残余奥氏体，其厚度约为10-20nm。使板条状马氏体具有较好的塑性和韧性。存在原因：马氏体形成时，由于周围的奥氏体受到强烈的相变应变强化，使之难于变成马氏体而被残留下来（机械稳定化）。1、板条状马氏体1、板条状马氏体改变奥氏体化温度可以显著地改变奥氏体晶粒大小，但对于马氏体板条的宽度几乎无影响，而板条群的大小随奥氏体晶粒增大而增大常见于淬火中高碳（合金）钢、Fe-Ni（29%）。在碳钢中，当含碳量大于1.0%时，形成片状马氏体。（1）显微组织特征是相邻马氏体片之间互不平行，而呈一定的角度。它们的空间形态呈双凸透镜片状，称为透镜片状马氏体，由于它与试样磨面相截而往往呈现为针状或竹叶状，故也称为针状或竹叶状马氏体。2.片状马氏体2、片状马氏体马氏体片大小不一，马氏体片间不平行，互成一定夹角，第一片马氏体形成时惯穿整个奥氏体晶粒。但如果晶界两侧的晶粒取向很接近时，则马氏体也可能穿过奥氏体晶界而贯穿两个甚至三个奥氏体晶粒。随后形成的马氏体的大小受到限制。因此片状马氏体的大小不一，越是后形成的马氏体片就越小。2.片状马氏体片状M形成时具有分割奥氏体晶粒的作用。因此，片状M的大小取决于奥氏体晶粒的大小。片状M的尺寸取决于以下因素：①原始A晶粒的大小（结构钢）；②第二相质点的数量和大小（工具钢）；③母相的晶体缺陷密度。隐晶马氏体：最大尺寸的马氏体片细小到光学显微镜下不能分辨时的马氏体。2、片状马氏体（2）晶体学特征片状马氏体的惯习面及位相关系与含碳量有关。C1.4%时，惯习面为{225}，与奥氏体的位相关系为K-S关系C1.5%时，惯习面为{259}，位相关系为西山关系，且在马氏体片的中间有一条直线，称为中脊，厚度约为0.5～1mC1.4%时，中脊比较明显。（一般把中脊对应平面作为惯习面）。{259}马氏体可以爆发形成，爆发形成的马氏体常呈“Z”字型。片状马氏体的亚结构主要为{112}孪晶。孪晶间距为5-10nm。但孪晶仅存于片的中部，在片的边缘则为复杂的位错组列。一般认为，这种位错是沿[111]方向呈点阵状规则排列的螺型位错。片状马氏体内的相变孪晶一般是(112)孪晶，也发现(110)孪晶和(112)孪晶混生的现象，方向为[11-1]。（3）亚结构片状马氏体内部亚结构不均的,可以将其分为以中脊为中心的相变孪晶区和无孪晶区。孪晶区所占比例与马氏体的形成温度有关,形成温度越低,相变孪晶区所占比例越大。铁碳合金马氏体类型及其特征特征板条状马氏体片状马氏体惯习面（111）γ（225）γ（259）γ位向关系K—S关系(111)γ∥(110)α[110]γ∥[111]αK—S关系(111)γ∥(110)α[110]γ∥[111]α西山关系(111)γ∥(110)α[211]γ∥[110]α形成温度Ms350℃Ms≈200～100℃Ms100℃0.31～1.4合金成份%C0.3～１时为混合型1.4～2组织形态板条体常自奥氏体晶界向晶内平行排列成群。板条宽度多为0.1~0.2μ，长度小于10μ。一个奥氏体晶粒内包含几个板条群。同位向束内板条体之间为小角晶界，板条群之间为大角晶界。凸透镜片状（或针状、竹叶状）中间稍厚。初生者较长，横惯奥氏体晶粒，次生者尺寸较小。在初生片与奥氏体晶界之间，片间交角较大，互相撞击，形成显微裂纹。同左，片的中央有中脊。在两个初生片之间常见到“Z”字形分布的细薄片。亚结构位错网络（缠结）。位错密度随含碳量而增在，为0.3~0.9×1012cm/cm3有时也可见到少量细小孪晶.宽度约为50Å的细小孪晶,以中脊为中心组成相变孪晶区,随Ms点降低,相变孪晶区增大。片的边缘部分为复杂的位错组列。孪晶面为（112）α，孪晶方向为[11-1]α。降温成核，新的马氏体片（板条）只在冷却过程中产生。长大速度较低。一个板条体大约在10-4秒内形成。长大速度较高，一个片体大约在10-7秒内形成。形成过程无“爆发性”转变，在小于50%转变量内降温转变率约为1%/℃。Ms小于0℃时有“爆发性”转变。新马氏体片不随温度下降均匀产生，而由于自触发效应连继成群地（呈“Z”字形）在很小的温度范围内大量形成，伴有20~30℃的温升和响声。（1）蝶状马氏体Fe-Ni合金或Fe-Ni-C立体外形呈V形柱状，横截面呈蝶状，两翼之间的夹角一般为136º，两翼的惯习面为(225)γ而两翼相交的结合面为{100}γ。亚结构：高密度位错，未发现孪晶符合K-S关系蝶状M3.其它形态的马氏体形成温度介于板条马氏体与片状马氏体之间，形态特征和性能也介于两者之间随T----蝶M片M3.其它形态的马氏体（1）蝶状马氏体（2）薄片状马氏体Ms点极低的Fe-Ni-C合金立体形状：薄片状,厚度约为3-10m金相：细带状，相互交叉、分枝、曲折亚结构：由{112}’孪晶组成，但无中脊惯习面：{259}符合K-S关系3.其它形态的马氏体（3）马氏体Cr-Ni（Mn）不锈钢、高锰钢(低层错能）密排六方结构立体形态：极薄片状厚100~300纳米亚结构：大量层错层错能低易形成取向关系：{111}//{0001}；110//1120惯习面：{111}3.其它形态的马氏体钢中各种马氏体的晶体结构、惯习面、亚结构及其与母相的位相关系名称晶体结构惯习面亚结构与母相的位相关系板条马氏体C≤0.2%，体心立方C≥0.2%，体心正方{111}位错K-S片状马氏体体心正方C≤1.4%，{225}C﹥1.5%，{259}孪晶K-S西山蝶状马氏体体心正方{225}位错K-S薄片状马氏体体心正方{259}孪晶K-S马氏体密排六方{111}层错{111}//{0001}110//1120]（1）化学成分的影响母相的化学成分（特别是C）是影响马氏体形态及其结构的主要因素：碳钢：CMs、残余奥氏体量C0.3%板条M—Ms下较高温区0.3%C1%板条M+片MＣ1%片状M—Ms下较低温区缩小相区—板条M扩大相区—板条M片M合金元素4.影响M形态和内部亚结构的因素Cr、Mo、Si、Ti、W、AlMn、Ni、Co、C、N、Cu（２）马氏体形成温度随着马氏体形成温度的降低，马氏体的形态将按板条状片状蝶状薄片状的顺序转化亚结构：有位错转化为孪晶。片状M：随形成温度相变孪晶区变大4.影响M形态和内部亚结构的因素A成分一定时：Ms较高板条状MMs略低板条M+片状MMs更低片状MMs极低薄片M4.影响M形态和内部亚结构的因素（3）奥氏体的层错能奥氏体层能较低时，易形成马氏体。层错能低—利滑移—产生位错—板条M层错能高—不利滑移—产生孪晶—片M证明：①18-8型钢不锈钢，其A层错能较低，在液氮中淬火—板条M②Fe-33Ni合金，层错能高，淬火后其孪晶区扩大４．影响M形态和内部亚结构的因素（4）A和M的强度马氏体的形态还与Ms点处奥氏体的屈服强度和马氏体的强度有关。Ms点处A：s200MPa低C（M强度低）—{111}板条M高C（M强度高）—{225}片状MA:s200MPaM强度高--{259}片状M原因：由于相变应力的松弛，若转变在奥氏体和马氏体内都以滑移变形方式进行，则形成惯习面为{111}的板条状马氏体，若转变在A内以滑移的方式进行，在M体内以孪生变形的方式进行，则形成惯习面为{225}的片状马氏体；若转变只在M内以孪生变形方式进行，则形成惯习面为{259}的片状马氏体。（与马氏体转变温度Ms点有关）。4.影响M形态和内部亚结构的因素（5）M滑移和孪生变形的临界分切应力大小合金成分和温度滑移变形和孪生变形的临界分切应力的大小马氏体的亚结构和形态Ms以下较高温度：滑移的临界分切应力较低—位错M较低温度：孪生的临界分切应力较低—孪