5材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件-第五章 马氏体转变

返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT金属热处理原理及工艺第五章马氏体转变5.1、马氏体的晶体结构和转变特点5.2、马氏体的组织形态5.3、马氏体的性能5.4、马氏体相变的切变模型5.5、马氏体转变的热力学5.6、马氏体转变的动力学5.7、奥氏体的稳定化5.8、热弹性马氏体与形状记忆效应返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT稳定的奥氏体区过冷奥氏体区A向产物转变开始线A向产物转变终止线A+产物区产物区A1～550℃;高温转变区;扩散型转变;P转变区。550～230℃;中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区;230～-50℃;低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMfM+AR共析碳钢C曲线分析返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT马氏体相变：钢铁在经过奥氏体化温度后采取快速冷却，抑制其扩散分解，在较低温度（＜Ms）下发生的无扩散型相变。A1温度(℃)MsV1P炉冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水冷VkPST临界冷却速度时间(s)实际生产连续冷却返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTAM（α’）fcc体心正方5.1、马氏体的晶体结构和转变特点一.马氏体的晶体结构马氏体是碳在α－Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。由于碳的过饱和作用,使α–Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。致使马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c）ca成分不变结构变化—C原子—Fe原子返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTcC原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况碳择优分布在c轴方向上的八面体间隙位置。这使得c轴伸长，a轴缩短，晶体结构变为体心正方。轴比c/a——马氏体的正方度。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTc=a0+α·ρa=a0－β·ρc/a=1+γ·ρa=b=c立方结构a=b≠c正方结构a0——α－Fe的晶格常数ρ——M的含碳量α，β，γ——常数X射线结构分析测得含碳量与M点阵常数关系返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二.马氏体转变特点1、表面浮凸效应和共格切变表面浮凸效应——切变使马氏体表面出现一边凹陷、一边凸起，并带动附近奥氏体也发生弹性切变。马氏体转变以切变方式进行——界面上原子为马氏体与奥氏体共有。马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT原子切变变化位置界面推移M共格切变A母相点阵上原子从一种排列转变到另一种排列,原来相邻两个原子在相变后仍然相邻,它们之间相对位置不超过一个原子间距。即碳原子没有经过扩散就可进行马氏体转变。二.马氏体转变特点2、无扩散相变只有点阵改组，没有成分变化返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT马氏体无扩散切变相变证据：a.碳钢中马氏体转变前后碳浓度没有发生变化，仅发生晶格切变；b.马氏体转变可以在超低碳合金中发生，而且转变速度极快，说明无碳扩散参与。c.转变可在极低的温度进行（4K），此时相变已不可能以扩散方式进行因此：马氏体是碳在α-Fe中过饱和固溶体，马氏体是从奥氏体直接转变而来，故马氏体与奥氏体碳含量完全相同。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二.马氏体转变特点3、M转变的位向关系及惯习面马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系——位向关系和惯习面（1）位向关系相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置无变化。作小于一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏体保持一定的严格的晶体学位向关系。位向关系有：（1）K—S关系（2）西山（N）关系（3）G—T关系返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT{011}M(1)位向关系：a.K-S关系晶面：{011}M∥{111}A晶向：〈111〉M∥〈011〉A二.马氏体转变特点3、M转变的位向关系及惯习面f.c.cb.c.c{111}A返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT{111}A返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT奥氏体：)()()()()()()()(}{____________111+111+111+111+111+111+111+111=111马氏体：)101()110()101()110()101()011()110()011()101()011()101()110(}110{____________奥氏体{111}晶面族包含4个不同的面，马氏体{110}晶面族包含6个不同的面，因此有24种可能的马氏体取向。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTb.西山关系Fe-30%Ni合金在冷却至-70℃以下，奥氏体转变成马氏体时存在如下位向关系（在室温以上形成马氏体仍遵循K-S关系）晶面：{011}M∥{111}A晶向：〈110〉M∥〈112〉A12种取向{011}M{111}Ab.c.cAM返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT{111}A{011}M返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMTK-S关系与西山关系比较（111）A112A晶面平行关系相同晶向相差5°16′返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（2）惯习面：马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面就是惯习面。{111}A、{225}A、{259}A。通常：碳含量＜0.6%时，惯习面为{111}A；碳含量0.6—1.4%，惯习面为{225}A；碳含量1.5—1.8%，惯习面为{259}A二.马氏体转变特点3、M转变的位向关系及惯习面返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT二.马氏体转变特点4、马氏体转变不完全性（非恒温性）马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf表示.只要温度达到Ms以下即发生马氏体转变。在Ms以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。马氏体转变量是在Ms～Mf温度范围内，通过不断降温来增加的，即马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT马氏体转变量与温度的关系图马氏体转变量是在Ms～Mf温度范围内，通过不断降温来增加的，即马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT由于多数钢的Mf在室温以下，因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在，称之为残余奥氏体，记为Ar或AR。有残余奥氏体存在的现象，称为马氏体转变不完全性。要使残余奥氏体继续转变为马氏体，可采用冷处理。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT冷却时，奥氏体转变成马氏体重新加热时，马氏体又能无扩散的向奥氏体转变。这种特点称为马氏体转变的可逆性。M→A的逆转变也是在一定的温度范围内（As—Af）进行。形状记忆合金的热弹性马氏体就是利用了这个特点。二.马氏体转变特点1、表面浮凸效应和共格切变2、无扩散相变3、M转变具有一定的位向关系及惯习面4、马氏体转变不完全性（非恒温性）5、马氏体转变的可逆性返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT综上所述，马氏体转变具有很多不同于珠光体的特点，其中最主要的和最基本的只有两个：切变共格性和无扩散性。其他的特点可由这两个特点派生出来。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT5.2马氏体的组织形态一.马氏体形态板条，片状，蝴蝶状、薄板状及薄片状1、板条马氏体返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT马氏体群：同惯习面，形态上呈平行排列的板条集团马氏体束：同惯习面，同取向（晶面平行关系）的板条集团马氏体板条：马氏体的最基本单元，窄而细长。板条宽度0.1～0.2微米，长度小于10微米，板条间往往存在薄膜状的残余奥氏体光镜下组织单元：群—束—板条取向关系：K-S,惯习面：{111}马氏体束马氏体群返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT一个奥氏体晶粒内包含几个群，一个群内存在位向差时，也会形成几个束。群和束都是由板条组成。群、束之间均为大角度晶界，板条之间为小角度晶界。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，位错形成位错网络（缠结），位错密度随含碳量增加而增大，常为(0.3～0.9)×1012㎝/cm3。故称位错马氏体。亚结构：位错返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2、片状马氏体形态：双凸透镜片状中脊第1片贯穿整个晶粒，互不平行，愈来愈小。亚结构：孪晶出现在高碳钢中WC1.0%残余奥氏体分布在马氏体片间返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT3、蝶状马氏体特征：断面上两翼结合部分很象片状马氏体中脊，由此向两侧张成取向不同的马氏体。立体形状“V”形柱状，断面呈蝴蝶状。(书中P95页图4.22)亚结构：高密度位错。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT4、薄片状马氏体特征：立体形状为薄片状，其金相形态呈很细的带状、并且相互交叉、分枝、曲折等形态。亚结构：孪晶，但无中脊（与片状马氏体区别）(书中P95页图4.23)返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT5、ε马氏体点阵结构：密排六方（其它马氏体均为体心立方或体心正方点阵结构）特征：薄片状亚结构：高密度层错原因：奥氏体的层错能较低形成(书中P96页图4.24)返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.影响马氏体形态和亚结构的因素(1)马氏体形成温度一般地：在马氏体相变温度Ms～Mf范围内，随马氏体形成温度降低，马氏体形态将按板条状蝶状片状薄片状亚结构则由位错逐步向孪晶转化。进行MS点高的奥氏体，冷却后形成板条马氏体，亚结构为位错;MS点低的奥氏体，冷却后形成片状马氏体，亚结构为孪晶;MS点不高不低的奥氏体，冷却后形成混合型组织(片状+板条马氏体)，亚结构为位错+孪晶。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT2.影响马氏体形态和亚结构的因素(2)化学成分碳含量：＜0.3%，板条马氏体；≈0.3～1.0%，板条马氏体和片状马氏体混合组织，＞1.0%，片状马氏体。合金元素：缩小γ相区的，促使板条M形成；扩大γ相区的，促使片状M形成；显著降低γ层错能的，促使εM形成。Fe-C合金中返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT不同类型的M返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（3）奥氏体层错能随着奥氏体层错能的降低：马氏体相变按照孪晶位错马氏体；（只有层错能足够低时，才形成ε马氏体）返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT（4）奥氏体和马氏体强度马氏体的形态与Ms点处奥氏体屈服强度和马氏体强度有关系。当奥氏体屈服强度＜200Mpa若马氏体强度高低片状马氏体板条马氏体形成当奥氏体屈服强度＞200Mpa，形成片状马氏体。理论解释：强度低时，滑移变形，在{111}A形成板条马氏体；强度高时，孪晶变形，在{225}A、{259}A形成片状马氏体。返回下一页上一页本章首页金属热处理原理及工艺,SMSE,CUMT(5)滑移