马氏体转变特征

马氏体及其转变倪俊杰聊城大学材料科学与工程学院MartensiteandItsTransformation6-1主要内容6.1、马氏体概况6.2、马氏体转变特征6.3、马氏体转变机制6.4、马氏体转变热/动力学6.5、热弹性马氏体与形状记忆效应6.6、小结Chapter6MartensiteandItsTransformation晶体结构马氏体形态力学/物理性能6.1、马氏体概况Chapter6MartensiteandItsTransformation6-2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+转变区产物区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)300102103104101800100200500600700温度(℃)0400A1MsMf-1000Chapter6MartensiteandItsTransformation6-3马氏体的结构？？？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。AM（α’）fcc体心正方成分不变结构变化•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)—C原子—Fe原子Chapter6MartensiteandItsTransformation6-4碳原子可能分布的位置：6-5Chapter6MartensiteandItsTransformationc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。6-6Chapter6MartensiteandItsTransformationC%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.20%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格Chapter6MartensiteandItsTransformation6-7碳含量对正方度的影响c=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6-8Chapter6MartensiteandItsTransformationPSTA1温度(℃)MsV1P炉冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水冷VkPST实际生产连续冷却Mf板条状蝶状片状薄片状位错孪晶马氏体形态Chapter6MartensiteandItsTransformation6-9板条马氏体奥氏体晶粒内包含几个群，群内存在位向差时，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。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-10Large-&low-angleboundariesChapter6MartensiteandItsTransformation6-11组织单元：群—束—板条取向关系：K-S,惯习面：{111}r光镜下马氏体束马氏体群马氏体群：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(单晶体)，窄而细长。多数板条宽度0.1-0.2微米，长度小于10微米，板条间往往存在薄膜状(200nm)的残余奥氏体Chapter6MartensiteandItsTransformation6-12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。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-13蝶状马氏体6-14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。亚结构：高密度位错。Chapter6MartensiteandItsTransformation片状马氏体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。残余奥氏体分布在马氏体片间Chapter6MartensiteandItsTransformation6-15Chapter6MartensiteandItsTransformation6-16高碳钢WC1.0%中出现亚结构孪晶Chapter6MartensiteandItsTransformation6-17acoherenttwinboundaryanincoherenttwinboundaryfChapter6MartensiteandItsTransformation6-18薄片状马氏体-ε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)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Chapter6MartensiteandItsTransformation6-19显微裂纹高碳钢Chapter6MartensiteandItsTransformation6-20混合马氏体Chapter6MartensiteandItsTransformation6-21最主要的两个因素是：奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。马氏体形态和亚结构的因素Chapter6MartensiteandItsTransformation6-22HRCC%Ar硬度/HRCAr(%)00.20.40.60.81.01.21.47060504030201070605040302010321曲线3—马氏体的硬度曲线2—高于Ac1淬火后钢的硬度曲线1—高于Ac3或Accm淬火后钢的硬度马氏体强度和硬度碳含量分数对马氏体和淬火钢硬度及残余奥氏体的影响Chapter6MartensiteandItsTransformation6-231234马氏体高硬高强的本质固溶强化相变强化时效强化细晶强化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-24过饱和碳原子溶入马氏体间隙引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位。。固溶强化马氏体的碳浓度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-25相变强化：马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构(位错/孪晶)，这些缺陷阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。孪晶对M的强度硬度有附加贡献。C%相同时，孪晶M硬度位错MChapter6MartensiteandItsTransformation6-26马氏体在淬火后室温停留期间、或在外力作用下，使碳原子通过扩散，发生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物弥散析出，使马氏体晶体内产生超显微不均匀，引起时效强化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-27时效强化bslipplaneprecipitatebbDtrr1tDChapter6MartensiteandItsTransformation6-281)M形成能松弛塑变所造的局部应力集中，防止裂纹形成或裂纹扩展。2)发生塑性变形区，有形变诱发M产生，使已塑变区继续变形困难，抑制缩颈的形成。使塑性和韧性提高在马氏体转变过程中塑性有所增加--相变诱发塑性。马氏体相变塑性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-29Chapter6MartensiteandItsTransformation6-30马氏体韧性C%:0.4%，高韧性0.4%，韧性低，硬而脆Chapter6MartensiteandItsTransformation6-310.20.2马氏体韧性主要决定于亚结构Chapter6MartensiteandItsTransformation6-32Chapter6MartensiteandItsTransformation6-33马氏体强度和硬度主要取决于其含C量。马氏体塑性和韧性主要取决于其亚结构。位错型马氏体具有较高强度，硬度和良好的塑韧性（强韧性）孪晶型马氏体强度，硬度很高，但塑韧性较低。故在保证足够强度，硬度前提下，应尽量减少孪晶M的数量。小结Chapter6MartensiteandItsTransformation6-34(1)比容马氏体比容比奥氏体大;(2)磁性铁磁性(可用磁性法测量马氏体转变量)、高矫顽力；(3)电阻电阻比珠光体大。马氏体的物理性能Chapter6MartensiteandItsTransformation6-356.2、马氏体转变特征Chapter6MartensiteandItsTransformation6-36(1)马氏体转变的非恒温性(2)马氏体转变的无扩散性(3)马氏体转变的可逆性(4)马氏体转变的位向关系和关系面(5)马氏体转变的表面浮凸效应和共格性(1)转变的非恒温性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37马氏体的转变是在一个温度范围内进行的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。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37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。(2)转变的无扩散性只有点阵改组，没有成分变化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-39马氏体无扩散性证据：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Chapter6MartensiteandItsTransformation6-40(3)转变的可逆性马氏体加热变为奥氏体(一般碳钢不可以)As/Af(Fe-Ni:As比Ms高410℃;Au-Cd:As比Ms高16℃)热弹马氏体是创作形状记忆合金的基础6-41(4)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Chapter6MartensiteandItsTransformation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＜0.5%时，惯习面为{111}A；碳含量0.5—1.4%，惯习面为{225}A；碳含量1.5—1.8%，惯习面为{259}A6-42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。(1）K—S关系晶向：〈111〉M∥〈011〉A（2）西山关系晶向：〈110〉M∥〈112〉A（3）G—T关系晶向：〈111〉M∥〈101〉AChapter6MartensiteandItsTransformation6-43(5)表面浮凸效应和共格性马氏体转变产生的表面浮凸Chapter6MartensiteandItsTransformation6-44马氏体转变时在预先磨光