马氏体

马氏体概述（1）1895年Osmond,M.F.提出，为纪念德国冶金学家Martens,A.把这种组织命名为马氏体（Martensite).（2）马氏体是碳溶解在α-Fe中的过饱和固溶体。常用符号M表示。马氏体具有高的强度、硬度和一定的韧性。高碳钢淬火后得到的马氏体，硬度高、脆性也大；中低碳钢淬火的马氏体具有良好的强度和韧性（3）上个世纪初把高碳钢淬火后得到的脆而硬,具有铁磁性的针状组织称为马氏体,六十年代以来现代测试技术发展,对马氏体成分-组织-结构-性能之间有了较深刻的认识;（4）在除了钢以外的铁合金,非铁合金,陶瓷材料等发现了马氏体相变;一、马氏体的组织形态二、马氏体转变的晶体结构三、马氏体的性能四、影响马氏体形态及其内部亚结构的因素五、马氏体的转变特点六、马氏体的转变热力学分析一、马氏体的组织形态马氏体板条状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（一）板条状马氏体1.板条状马氏体组织形态a.金相形态b.立体形态c.亚结构板条状马氏体组织形态板条状马氏体组织形态500×（20号钢990℃盐水淬火）板条状马氏体（浅蓝色）显微组织（20钢，水淬火）×5802.板条状马氏体特征（1）低、中碳钢及不锈钢中形成的一种马氏体。（2）由许多马氏体板条集合而成，组成互相平行的板条组成一个板条束。一个A晶粒可以转变成几个板条束，板或条是马氏体的基本单元。（3）板条宽度范围在0.025～2.25um之间，多数为0.1～0.2um之间。（4）亚结构主要是位错（二）片状马氏体1.片状马氏体组织形态a.金相形态b.立体形态c.亚结构片状马氏体组织形态片状马氏体400×片状马氏体600×球墨铸铁淬火马氏体420×2.组织特征（1）常见于中、高碳钢及高Ni的（Fe-Ni）合金。（2）由互成一定角度的马氏体片组成，单片呈针状或竹叶状形状,三维象双凸透镜状；一般最先形成的马氏体片可贯穿整个A晶粒（有时贯穿几个A晶粒）。（3）片与片之间常以60度或120度相交。（4）片状马氏体的惯习面及位向关系与形成温度有关。高温时惯习面为{225}r,低温为{229}r。（5）片状马氏体内的亚结构为孪晶，孪晶距50～100A°，其边缘有复杂的位错。（三）蝶状马氏体1.形状特征：立体外形为V形柱状，横截面呈蝶状2.晶内亚结构为位错，无孪晶。3.蝶状马氏体最早在Fe-Ni-C及Fe-Ni被发现。（四）薄板状马氏体1.厚约为3～10um，立体形态呈薄板状，可以曲折、分枝和交叉2.内部亚结构为孪晶，孪晶宽度随C↗而降低。3.在马氏体开始转变温度Ms＜-100℃的Fe-Ni-C合金中可以观察到。（五）薄片状马氏体（ε′马氏体）1.具有密排六方点阵的薄片状马氏体，称为ε′马氏体。2.极薄，仅1000～3000A°(100～300nm)3.惯习面{111}r4.亚结构：层错能。5.材料：Fe-Mn-C、Fe-Cr-Ni合金易出现薄片状马氏体。碳原子铁原子马氏体的真实点阵二、马氏体转变的晶体结构三、马氏体的性能1.马氏体的硬度与强度（1）马氏体性能的主要特点是具有高的硬度（硬度可达HRC68～70）和高的强度，其硬度主要取决于马氏体的含C量，与合金元素含量关系不大，但当C含量过高，由于A′增多，则硬度↓。（2）马氏体的高硬度、高强度源于相变强化、固溶强化、时效强化及晶界强化。前两种起主要作用。2.马氏体的塑性和韧性当C＜0.4％时，马氏体具有高的韧性，随着C↘，其韧性↗；当C＞0.4%时，马氏体韧性变低，随着C↗，变得硬而脆。马氏体形态对铬钢断裂韧响位错型马氏体比孪晶型马氏体具有高得多的塑性和韧性。四、影响马氏体形态及其内部亚结构的因素影响因素1.碳影响2.形成温度的影响3.奥氏体与马氏体的强度影响4.合金元素的影响1.碳对钢中马氏体形态的影响A的化学成分是主要因素，其中以C为最主要C%＜0.6%：板条状马氏体C%：0.6%～1.0%：板条＋片状的混合马氏体C%1.0%：片状马氏体2.形成温度Ms点高的A，冷却后形成板条马氏体，亚结构为位错;Ms点低的A，冷却后形成片状马氏体，亚结构为孪晶;Ms点不高不低的A，冷却后形成混合型组织(片状+板条M)，亚结构为位错+孪晶。3.奥氏体与马氏体的强度（１）当A的屈服极限σs＜196Mpa时，形成板条状马氏体；σs＞196Mpa时形成片状马氏体。（２）所形成的马氏体强度较低时得条状马氏体；强度较高时得到片状马氏体。4.合金元素的影响1.凡能缩小γ相区的合金元素均促使得到板条状马氏体。如：V、Cr、Ti、W、Mo、Al、Si、P、Sn、Sb（锑）、B、Zr（锆）、Nb（铌）2.凡能扩大γ相区的合金元素均促使马氏体形态从条状转化为片状。如:Ni、Mn、Co、C、N、Cu。马氏体形成时，其内部原子运动的主要特点是：1.表面浮凸效应和切变共格性2.无扩散性3.新相与母相晶体学关系4.转变的不完全性5.转变的可逆性五、马氏体的转变特点马氏体形成时试样表面浮凸现象1.表面浮凸效应和切变共格性●切变：马氏体转变时，由母相（A）变为新相（M）的晶格改组过程是以切变方式来进行的，即：新相与母相界面上的原子以协同的、集体的、定向的、有次序的方式从母相向新相中的移动来实现的。相邻原子间的相对移动距离不超过原子间距。这一过程就为切变。●保持位相关系：在切变过程中，新相和母相晶格间始终保持着严格的位向关系，其晶面和晶向相互平行。位错型马氏体共格界面产生孪晶马氏体时共格界面●共格：相界面上的原子即属于新相，又属于母相，这种相界面上原子的紧密联系就称为共格，其界面称共格界面。（1）钢中马氏体转变无成分变化,仅有晶格改组:γ-Fe(C)→α-Fe(C)。（2）马氏体转变在相当低的温度内进行（共析钢230～-50℃，Fe-Ni合金20～-196℃），转变速度极快（5×10-6秒完成），原子已无可能扩散。2.无扩散性●马氏体总是沿母相的某一晶面开始产生的，为保持两相晶格的紧密联系，这个晶面在相变过程中不发生转动和畸变，否则转变就会停止。这个晶面称为马氏体形成的惯习面。随着马氏体转变的完成，原惯习面的位置相应成为凸透镜状马氏体（高C马氏体）的中脊面。马氏体转变时，原子移动不超过原子间距，更不能交换位置，所以相变过程新相和母相的晶格必须始终保持紧密联系。3.新相与母相晶体学关系马氏体转变量与温度关系4.转变的不完全性马氏体转变的可逆性：奥氏体在冷却时可转变为马氏体，而重新加热时又可使马氏体直接转变为奥氏体。在某些铁或非铁合金(如Fe-Ni、Ag-Cd、Ni-Ti等)中，马氏体转变的可逆性。这种逆转变的开始温度称为As点，终止湿度称为义Af点，通常As点温度比Ms高。5.转变的可逆性●对钢来说，在一般情况下观察不到马氏体的逆转变，这是因为马氏体被加热时在温度尚未到达As的过程中即已发生分解(回火)，因而不存在直接转变为奥氏体的可能性。只有在采取极快速的加热，使之来不及分解的情况下才会发生逆转变。据报道：含0.8％C钢以5000℃／s的速度加热时，可以在590～600℃发生逆转变。六、马氏体的转变热力学分析马氏体转变与液态金属的凝固以及钢的加热转变一样，也是热学性的，其转变驱动力也来自新旧相的化学自由焓差。奥氏体和马氏体的自由焓与温度的关系根据相变的一般规律，相变进行的条件是相变前后系统总的自由焓差小于零。为A、M自由焓相等的温度：当温度T＜T0时，GM＜GA，马氏体为稳定相，故A→M；当T＞T0时，GA＜GM，奥氏体为稳定相，故M→A。但马氏体转变与钢的加热转变或冷却转变不同，当母相被过冷到略低于T0时，马氏体不能发生转变，即过冷度太小；只有过冷度达到△T＝T0－Ms才能发生马氏体转变。（主要是为了克服马氏体转变所产生的应变能△GE）T0－Ms差值称为热滞，这是马氏体转变的特点之一。综上分析：马氏体转变热力学条件是T≤Ms时的驱动力△G，即：△T＝T0－Ms参考文献[1]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理（第2版）[M].哈尔滨：机械工业出版社，2008.[2]百度文库谢谢观赏