第十二章 马氏体相变

第十二章固态相变——马氏体相变•马氏体转变：奥氏体γ从高温冷却时，若冷速足够快，避免在冷却过程中发生高温转变及中温转变，则将在Ms到Mf温度范围内转变为马氏体M。（MS---马氏体相变开始温度Mf---马氏体相变结束温度）•马氏体：就是C在α-Fe中的过饱和固溶体。•钢中马氏体：C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体。•马氏体定义：凡相变的基本特性属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。•形成条件：淬火。•淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。•马氏体转变的临界冷却速度：抑制所有非马氏体转变的最小冷却速度。•马氏体的力学性能：高硬度、高强度。马氏体相变12.1马氏体相变的基本特征12.2马氏体相变热力学（重点）12.3马氏体相变动力学12.4马氏体的回火（重点）12.5马氏体时效钢的钢化机制分析12.1马氏体相变的基本特征无扩散性非恒温性和不完全性切变共格性和表面浮凸现象晶体学位向关系马氏体的组织形态与亚结构奥氏体的热稳定化形变诱发马氏体转变过冷奥氏体的机械稳定化形状记忆效应12.1.1马氏体转变的无扩散性•无扩散性：马氏体转变只有点阵改组而无成份变化，转变时原子做有规律的整体迁移，每个原子移动的距离不超过一个原子间距，且原子之间的相对位置不发生变化，转变速度极快。（例如：Fe-C、Fe-Ni合金，在-196~-20℃之间一片马氏体形成的时间约5×10-7~5×10-5秒）12.1.1马氏体转变的无扩散性的原因•C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方结构，正方度随碳含量增加而线性增大。•Fe-C合金中，A和M中碳原子相对铁原子的间隙位置没变。•Fe-C合金中，在-20~-195ºC之间，每片M的形成时间约为：0.5~510-7s。•转变结果：降低了系统能量，形成低温亚稳定相。•形成条件：冷却速度大到能避免扩散型相变，所有金属及合金的高温相均可发生M相变。12.1.2马氏体转变的非恒温性和转变不完全性马氏体转变存在开始转变温度Ms，和终了转变温度Mf。当奥氏体过冷到Ms点温度以下，开始发生马氏体转变，直到温度降到Mf以下时，转变结束。因此，马氏体转变的非恒温性体现为马氏体的降温转变。温度降低到马氏体相变终了温度Mf时，有残余奥氏体存在的现象，称为马氏体转变不完全性。一般钢材的Mf都低于室温，在生产中为了获得更多的马氏体，常采用深冷到室温以下的处理工艺，这种工艺方法称为冷处理。在Ms点以下，一定温度只形成一定量的马氏体，随着温度的继续降低，马氏体转变量才不断继续增加。即，马氏体转变是在Ms～Mf温度范围内进行的，马氏体的转变量是温度的函数。20℃时，A部分为残余奥氏体，可采用深过冷处理，获得更多M。Mf时，转变量并达到100%，体现了马氏体转变的未不完全性。转变不完全性及AR深过冷处理马氏体转变量与温度的关系12.1.3切变共格性和表面浮凸现象（1）马氏体转变时在预先磨光的表面上产生有规则的表面浮凸。（2）马氏体形成有惯习面，马氏体转变时马氏体与奥氏体之间保持共格关系(第二类共格)。12.1.4晶体学位向关系马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系。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。K-S关系：{110}M//{111}A；111M//110A西山（N）关系：{110}M//{111}A；110M//112AG-T关系K-V-N关系西山关系与K-S关系相比，晶面关系相同，晶向关系相差5°16’5016’奥氏体(111)面上马氏体的六种不同K-S取向{110}M//{111}A；111M//110A由于3个奥氏体110γ方向上(每个方向上有2种马氏体取向)可能有6种不同的马氏体取向,而奥氏体的{111}γ晶面族中又有4种晶面，从而马氏体共有24种取向（变体）。K-S关系：奥氏体(111)面上马氏体的三种不同西山取向西山关系：{111}A∥{110}M;112A∥110M按西山关系，在每个{111}A面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取向（变体）。12.1.5马氏体的组织形态与亚结构马氏体板条马氏体片状马氏体薄板状马氏体蝶状马氏体薄片状马氏体不同形态马氏体存在成分及温度范围（1）板条状马氏体常见于低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中。其显微组织是由许多成群的板条组成，称板条马氏体。亚结构为位错，也称位错马氏体。板条马氏体晶粒的显微组织示意图：板条单晶→板条块→板条束→马氏体晶粒。稠密的板条单晶之间夹着残余奥氏体。这种微量的残余奥氏体对板条马氏体的韧性贡献很大。许多相互平行的板条组成一个板条束，它们具有相同的惯习面。板条束内具有相同取向的小块称为板条块，常常呈现为黑白相间的块。对于碳钢：•C%＜0.3%时，板条束和板条块比较清楚；•0.3%＜C%＜0.5%时，板条束清楚而板条块不清楚；•0.6%＜C%＜0.8%时，无法辨认板条束和板条块，板条组织逐渐消失并向片状马氏体组织过渡。与奥氏体晶粒的关系：奥氏体晶粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒内板条束个数基本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。冷却速度的关系：冷却速度越大，板条束和块宽同时减小，组织变细，因此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。钢板条马氏体中的位错板条马氏体（2）片状马氏体常见于淬火高、中碳钢、及Fe-Ni-C钢。空间形态呈凸透镜片形状，称透镜片状马氏体或片状马氏体，试样磨面的截面在显微镜下呈针状或竹叶状，又称针状马氏体或竹叶状马氏体，亚结构为孪晶，也称孪晶马氏体。形成过程：•先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒。•后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一步分割奥氏体晶粒，所以后形成的马氏体片越来越短小。与奥氏体晶粒的关系：奥氏体晶粒越大，马氏体片越大。显微裂纹•现象：高碳钢淬火时，片状马氏体内部形成显微裂纹。•原因：片状马氏体形成极快，先形成的第一片马氏体贯穿整个原奥氏体晶粒，后形成的马氏体片不断撞击先形成的马氏体，或与原A晶界相撞，冲击力大，且高碳马氏体本身脆，撞出裂纹。•值得提出的是：板条马氏体板条之间夹角很小，基本相互平行，相互撞击的几率很小，即使偶有撞击，由于残余奥氏体的存在可以缓解应力，因此，板条马氏体没有出现显微裂纹。片状马氏体及其亚结构•片状马氏体的亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附近，片的边缘为位错。随形成温度下降，孪晶区扩大。带有中脊的片状马氏体钢的两种马氏体的特征对比•C%↑，Ms↓，条状→片状，位错→孪晶•且随着C%增加，残余奥氏体的含量逐渐增加。合金元素Cr、Mo、Mn、Ni增加形成孪晶马氏体倾向。特征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}M′（110）γ‖（111）M′K-S关系{111}γ‖{110}M′（110）γ‖（111）M′西山关系（111）γ‖{110}M′（211）γ‖（110）M′MsMs350℃Ms≈200～100℃Ms100℃C%0.30.3～1时为混合型1～1.41.4～2表两种马氏体特征的比较组织形态呈板条状，在一个奥氏体晶粒内可形成3～4个马氏体群，而在一个马氏体群内含有3～6个马氏体块，块间为大角度晶界呈凸透镜片状，中间稍厚，初生片横贯奥氏体晶粒，次生片较小，互成交角，相互撞击，接合处有微裂纹，片的中央有中脊，常将之看成惯习面同左，在两个初生片之间见到“Z”字形分布的细薄片亚结构高密度位错网络，形成位错胞，常见到少量细小孪晶厚度5nm的细小孪晶，以中脊为中心，随MS下降，相变孪晶区增大，片的边缘为复杂的直线式螺位错列AR呈薄片膜状存在于片的周围，随C含量增加而增加形成过程长大速率10-4s/片，MS高，无爆发转变长大速率高10-7s/片，MS低，有爆发转变12.1.6奥氏体的热稳定化定义：淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留，引起过冷奥氏体稳定性提高，使马氏体转变迟滞的现象称为过冷奥氏体的热稳定化。奥氏体热稳定化现象（在Ms点以下等温停留）示意图在TA温度停留时间ԏ在TA温度停留ԏ后再继续冷却，马氏体转变并不立即恢复，而要冷至Ms'才重新形成马氏体。即要滞后θ（θ=TA-Ms'）度，转变才能继续进行。与正常情况下的连续冷却转变相比，同样温度TR下的转变量少了δ（δ=M1-M2）。热稳定化程度可用滞后温度间隔θ和残余奥氏体增量δ来表示产生机理：C、N原子在适当温度下(热稳定化温度)向点阵位错处偏聚，钉扎位错，不仅强化奥氏体，使马氏体相变切变阻力增大，同时钉扎马氏体核坯，阻碍其长大。因此发生γ→α′必须附加化学驱动力以克服溶质原子的钉扎力。过冷度θ提供了这个附加化学驱动力。这就是过冷度θ产生的原因。影响热稳定化的因素：(1)化学成分：①C、N原子影响最重要，无C的Fe-Ni合金无热稳定化现象，C、N原子总量大于0.01%就产生稳定化现象。C%增加，稳定化作用增加。②强碳化物形成元素Cr、Mo、V促进热稳定化作用；Ni、Si等非碳化物形成元素对热稳定化无影响。(2)等温温度：奥氏体的热稳定化有个温度上限Mc，在Mc以下等温或缓冷才会引起热稳定化。(3)等温时间：等温时间越长，C、N原子偏聚量增加，奥氏体稳定化程度增加。(4)已生成的马氏体量f：f越大，奥氏体热稳定性越大。马氏体逆转变：把马氏体以足够快的速度加热时，马氏体可以不分解而直接转化成奥氏体。形变诱发马氏体转变：在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形而促生的马氏体转变。形变诱发奥氏体转变：在As点以下对马氏体进行塑性变形而促生的奥氏体。As：马氏体逆转变开始温度Af：马氏体逆转变终了温度Md：形变诱发马氏体转变开始温度Ad：形变诱发奥氏体转变开始温度T0：为相同成分的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度；也为Md上限温度(理论温度)，Ad下限温度(理论温度)MdAd12.1.7形变诱发马氏体转变对形变诱发马氏体的解释：如图所示，马氏体相变所需的驱动力为ΔG，对应相变点为Ms。在T1温度(T1＞Ms)，马氏体相变的驱动力为ΔG2，达不到ΔG，经形变补充的机械驱动力ΔG1与化学驱动力ΔG2叠加，满足ΔG=ΔG1+ΔG2，因此在T1温度下形变，马氏体相变能够进行，即在T1温度下可获得形变诱发马氏体。形变诱发马氏体转变热力学条件示意图12.1.8过冷奥氏体的机械稳定化现象：Md点是形变诱发马氏体的最高温度，高于此温度的塑性变形将不会产生形变诱发马氏体。原因：在Md点以上温度对过冷奥氏体进行塑性变形，会产生过冷奥氏体机械稳定化。产生机理：由于塑性变形引入缺陷(或使缺陷增加)，破坏了母相与新相(或其核坯)之间的共格关系，使马氏体转变时原子运动发生困难。Md12.1.9形状记忆效应热弹性：温度的升降可以引起热弹性马氏体的消长。即，当温度下降，马氏体片长大；反之，当温度上升，马氏体逆转变为奥氏体，造成马氏体片收缩。只要马氏体界面上的共格性未被破坏，马氏体片可随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。伪弹性：具有热弹性的马氏体，在Md点以下Ms点以上施加应力会诱发马氏体相变，代替温度对马氏体转变的作用。即应力的升降可以引起热弹性马氏体的消长,称为伪弹性。形状记忆效应是由马氏体转变的热弹性及伪弹性行为引起的。具有形状记忆效应的合金应具备的3个条件：•(1)必须是热弹性马氏体。即随着温度的变化，母相与马氏体界面的移动是可逆的；•(2)合金中的异类原子，无论处于母态还是马氏体状态都必须具有有序结构；•(3)母相↔马氏体相变，在晶体学上是可逆的。形状记忆效应可分为三类:单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为与高