10.1-马氏体相变

1第三篇：材料固态相变原理董杰，博士，副教授材料B楼209，[e-mail]材料加工原理(2010-04-16)2目录第八章、固态相变基础第十章、切变共格型相变第九章、共析与逆共析相变第十一章、脱溶沉淀型转变310.1马氏体相变10.2钢及铁合金中的马氏体相变10.3陶瓷中的马氏体相变10.4贝氏体相变第十章切变共格型转变4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马氏体相变就是最典型的切变共格型相变。切变共格型相变举火为号，里应外合5马氏体名称来源•对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫•马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。•马氏体Martensite，如前所述命名自AdolfMartens(1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜（！）观察铁的金相组织，并在1878年发表了《铁的显微镜研究》，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（StaatlicheMaterialprüfungsamt）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。6最初将钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下发生的无扩散型相变称为马氏体相变。如今，马氏体相变的含义已很广泛，不仅金属材料，在陶瓷材料中也发现马氏体相变。因此，凡是相变的基本特征属于切变共格型的相变都称为马氏体相变，其相变产物都称为马氏体。7钢的淬火(Quenching)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)目的:为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。8工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢910热处理后的组织:M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种11淬火加热时间(τ)的选择:τ=αKD工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关12淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf13常用的淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油5001201005014常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA11510.1马氏体相变10.1.1马氏体相变的主要特征10.1.2马氏体相变热力学10.1.3马氏体相变晶体学的经典模型10.1.4马氏体相变动力学1610.1.1马氏体相变的主要特征马氏体（Martensite）相变是在低温下进行的一种相变。对于钢来说，此时铁原子以及置换型原子不能扩散间隙型碳原子也较难以扩散（但尚有一定程度的扩散）。故马氏体相变具有一系列不同于扩散型相变的特征。171．切变共格和表面浮突现象2．无扩散性3．具有特定的位向关系和惯习面4．在一个温度范围内完成相变5．可逆性181．切变共格和表面浮突现象奥氏体中已转变为马氏体的部分发生了宏观切变而使点阵发生改组，且一边凹陷，一边凸起，带动界面附近未转变的奥氏体也随之发生弹塑性切变应变，如图10.1(a)所示。19图10.1马氏体形成时引起的表面倾动20马氏体切变浮凸马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸21可见，马氏体的形成是以切变方式进行的。马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，而且整个相界面是互相牵制的。切变共格界面这种界面以母相的切变来维持共格关系的，故称为第二类共格界面。(以切应变来维持)在具有共格界面的新旧两相中，原子位置有对应关系，新相长大时，原子只作有规则的迁动而不改变界面的共格状态。222．无扩散性在马氏体相变过程中原子是集体运动的，原来相邻的原子相变后仍然相邻，它们之间的相对位移不超过一个原子间距，即马氏体相变是在原子基本上不发生扩散的情况下发生的。23其主要实验证据为：钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵通过切变改组为体心立方（或体心正方）点阵，而无成分变化；在相当低的温度（甚至在4K）下，原子扩散速度极小，相变已不可能以扩散方式进行，而马氏体相变仍然可以以极快的速度进行。243．具有特定的位向关系和惯习面1）位向关系通过均匀切变形成的马氏体与母相奥氏体之间存在严格的位向关系。在钢中已经发现的位向关系有K-S关系、西山关系和G-T关系。25(1)K-S（Kurdjumov-Sachs）关系'110//111'111//1101.4％C钢26按照K-S关系，马氏体在奥氏体中可能有4*6=24种不同的取向：fcc中有4种111面，即(111)，(111)，(111)及(111)。在每个111面上有3个不同的110方向，例如[110]，[011]，[101]，在每个110方向上，马氏体可以有两个不同的取向。图10.2马氏体在(111)面形成时的可能取向(110)27（2）西山（Nishiyama）关系'110//111'110//112Fe-30％Ni合金单晶28按照西山关系，在每个{111}γ面上只可能有3种不同取向，所以4种{111}γ面上总共只有12种可能的马氏体取向。29图10.3K-S关系和西山关系的比较(110)西山关系和K-S关系：晶面的平行关系相同晶向却有516′之差30（3）G-T（Greninger-Troiaon）关系'110//111差1o'111//110差2oFe-0.8％C-22％Ni合金单晶312）惯习面马氏体相变不仅新相和母相之间有严格的位向关系，而且马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面即称为惯习面，通常以母相的晶面指数表示。32钢中马氏体的惯习面常见的有三种：{111}γ、{225}γ、{259}γ惯习面随碳含量及形成温度不同而异：0.6％时，为{111}γ0.6~1.4％之间，为{225}γ1.4％时，为{259}γ随马氏体形成温度的降低，惯习面有向高指数变化的趋势。同一成分的钢可能出现不同惯习面的马氏体，如先形成的马氏体为{225}γ，后形成的马氏体为{259}γ。334．在一个温度范围内完成相变必须将奥氏体快速冷却（大于临界冷却速度）至某一温度以下才能发生马氏体相变，这一温度称为马氏体相变开始点，以Ms表示。34当奥氏体过冷到Ms点以下某一温度时马氏体相变即刻开始，不需要孕育期，并且以极大的速度进行。但在此温度下马氏体相变很快停止，即马氏体转变量不再增加。为使马氏体相变得以继续进行，必须不断地降低温度。如停止继续降温，马氏体相变则立即停止。马氏体相变是在不断降温条件下进行的，马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关。温度之于马氏体=奖赏之于马戏表演的动物35当冷却至某一温度以下时，相变便不再继续进行，这个温度称为马氏体相变终了点，用Mf表示。冷却到Mf点以下仍不能得到l00％马氏体，而保留一部分未转变的奥氏体，称为残余奥氏体。36冷处理若Ms点低于室温，则淬火到室温时将得到全部奥氏体。若Ms点在室温以上，Mf点在室温以下，则淬火到室温时将保留相当数量的残余奥氏体。若继续冷却至室温以下，则残余奥氏体将继续转变为马氏体，这种工艺称为冷处理。375．可逆性重新加热时，马氏体也可以通过逆向马氏体相变机制转变为奥氏体，即马氏体相变具有可逆性。一般将加热时马氏体向奥氏体的相变称为逆相变。与冷却时的Ms及Mf相对应，逆相变时也有相变开始点As及相变终了点Af。通常，As比Ms高，两者之差视合金成分而异。38综上所述，马氏体相变区别于其他相变最基本的特点只有两个：一是相变以切变共格方式进行二是相变的无扩散性其他特点均可由这两个基本特点派生出来。3910.1.2马氏体相变热力学1．马氏体相变热力学条件马氏体相变驱动力是马氏体（α′）与奥氏体（γ）的化学自由能差△Gγ→α′＝Gα′－Gγ。相同成分的马氏体与奥氏体的化学自由能和温度的关系如下图所示，图中T0为两相热力学平衡温度，此时△Gγ→α′＝0显然，马氏体相变开始点Ms必定在T0以下，即△Gγ→α′＜0，由过冷提供相变所需的化学驱动力40过冷度41马氏体相变的阻力VSGVGv主要是新相形成时的界面能Sσ及应变能Vε。需要克服切变阻力而使母相点阵发生改组的能量；在马氏体晶体中造成大量位错或孪晶等晶体缺陷，导致能量升高；周围奥氏体中还将产生塑性变形，也需要消耗能量。这些都将使马氏体相变阻力增大。42因此，Ms点的物理意义是：奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度显然，若T0点一定，Ms点越低，则相变所需的驱动力就越大。反之，Ms点高时，相变所需的驱动力则减小。所以，马氏体相变驱动力△Gγ→α′与（T0-Ms）成比例，即（10.1）式中，△S为γ→α′相变时的熵变。)(0'sMTSG43As点的定义与Ms点类似，为马氏体和奥氏体两相自由能差达到逆相变所需最小驱动力值时的温度，并且逆相变驱动力△Gα′→γ的大小与（As-T0）成比例。44T0、Ms、As等与合金成分的关系如图所示，它们均为浓度的函数。γ→α′相变在Ms～Mf之间进行，α′→γ相变在As～Af之间进行。45塑性变形可减小Ms和As之间的温度差，即在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形会诱发马氏体相变而使Ms点上升至Md点。同样，塑性变形也可使As点下降至Ad点。Md称为形变诱发马氏体相变开始点，是可获得形变诱发马氏体的最高温度；Ad称为形变诱发奥氏体相变开始点，是可获得形变诱发奥氏体的最低温度。显然，按照马氏体相变的热力学条件，Md的上限温度为T0，而Ad的下限温度亦为T0。46在Ms点以上、Md点以下对奥氏体进行塑性变形将会诱发马氏体相变。“外援”47由图可见，在T0点至Ms点之间，随着温度下降马氏体相变的化学驱动力增大，当温度为Ms点时，相变的化学驱动力正好等于△Gγ→α′，可以发生马氏体相变。而形变所提供的能量为机械驱动力，图中ab线代表在化学驱动力上迭加的机械驱动力。48设在T1温度下，化学驱动力为mn线段，若此时能提供pm线段的机械驱动力，则pm+mn刚好等于△Gγ→α′。而且T1＜T0，即在马氏体热力学稳定区内，所以能够发生马氏体相变。若机械驱动力全部代替化学驱动力，则Md点应上升到T0点。但在大多数材料中，因塑性变形引起应力松驰，Md点通常都低于T0点。492．影响钢中Ms点的主要因素1）化学成分的影响一般说来，Ms点主要取决于钢的化学成分，其中以碳含量的影响最为显著，随钢中的碳含量增加，马氏体相变的温度范围下降，如图10.7所示。50图10.7碳含量对Ms和Mf的影响51随碳含量增加，Ms点和Mf点的变化并不完全一致，Ms点呈较为均匀的连续下降；而Mf点在碳含量小于0.6％时比Ms点下降得更显著，因而扩大