第四章-马氏体相变

1马氏体----碳在α-Fe中的过饱和固溶体。成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。碳原子位于α-Fe的bcc扁八面体间隙中心，即点阵各棱边中央和面心位置。体心正方点阵bct----α’马氏体。第四章马氏体相变§4.1马氏体的晶体结构2图4-1奥氏体的正八面体间隙a)马氏体的扁八面体间隙b)3马氏体点阵常数和碳含量的关系c、a、及正方度c/a与钢中碳含量成线性关系：c=a0+αPa=a0-βP（4-1）c/a=1+γP其中：a0=2.861Å（α-Fe点阵常数）α、β、γ为常数P----马氏体的含碳量（wt%）4图4-2点阵常数与碳含量的关系5c/a=1+0.046P（4-2）碳原子在马氏体点阵中的分布：碳原子发生有序分布，80%优先占据c轴方向的八面体间隙位置，20%占据其它两个方向的八面体间隙位置，此时出现（4-2）式的正方度。马氏体的正方度6定义：c/a值低于或高于（4-2）式的正方度。原因：主要由于碳原子在x，y，z三个方向的分布发生了改变。新生马氏体的异常正方度7（1）马氏体相变的无扩散性钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。原子以切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。§4.2马氏体相变的主要特征8图4-3马氏体形成时引起的表面倾动①表面浮凸现象倾动面（2）表面浮凸现象和不变平面应变9图4-4直线划痕的变形情况（a）实验结果（b）在界面处失去共格（c）划痕扭曲10马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这一定的晶面即称为惯习面。马氏体和母相的相界面，中脊面都可能成为惯习面。钢中：0.5%C，惯习面为{111}γ，0.5～1.4%C，为{225}γ，1.5～1.8%C，为{259}γ。直线划痕在倾动面处改变方向，但仍保持连续，且不发生扭曲。说明马氏体与母相保持切变共格，惯习面未经宏观可测的应变和转动，即惯习面为不变平面。②惯习面和不变平面11倾动面一直保持为平面。发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原来母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍为平面，这种变形即为均匀切变。造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变。③不变平面应变12不变平面图4-5三种不变平面应变a）膨胀b）孪生时的切变c）马氏体相变时----切变+膨胀13相变以共格切变方式进行所至。①K-S关系：{111}γ∥{110}M;110γ∥111M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）。（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系14图4-6奥氏体(111)面上马氏体的六种不同K-S取向5016’15{111}γ∥{110}M;112γ∥110M按西山关系，在每个{111}γ面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取向（变体）。②西山关系：16图4-7奥氏体(111)面上马氏体的三种不同西山取向17③G-T关系：和K-S关系略有偏差{111}γ∥{110}M差10110γ∥111M差20④K-S关系和西山关系的比较：晶面关系相同，只是晶面内的方向相差5016’。18图4-8-1K-S关系和西山关系的比较19图4-8-2K-S关系和西山关系的比较5016’20图4-9K-S关系和西山关系的比较21图4-10转变量-时间关系（4）马氏体相变的变温性MS----马氏体相变开始点。Mf----马氏体相变终了点。MS点以下，无需孕育，转变立即开始，且以极大速度进行，但很快停止，不能进行到终了，需进一步降温。22图4-11转变量-温度关系在Mf点以下，虽然转变量未达到100%，但转变已不能进行。如Mf点低于室温，则淬火到室温将保留相当数量的未转变奥氏体，称为残余奥氏体。23A↔MMs,Mf;As,Af;AsMs钢中马氏体加热时，容易发生回火分解，从马氏体中析出碳化物。Fe-0.8%C钢以5000℃/S快速加热，抑制回火转变，则在590～600℃发生逆转变。（5）马氏体相变的可逆性24§4.3.1板条马氏体在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度较高。基本单元板条为一个个单晶体。图4-12板条马氏体示意图§4.3马氏体的形态及其亚结构25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。板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为K-S关系。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。每个惯习面上可能有六种不同的取向，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。26板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以板条马氏体也称为位错马氏体。不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏体簿膜，这种微量的残余奥氏体对板条马氏体的韧性贡献很大。呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥氏体薄膜。27图4-13（a）板条马氏体（b）片状马氏体28图4-14片状马氏体示意图{225}γ或{259}γ在中、高碳钢，高镍的Fe-Ni合金中出现，形成温度较低。§4.3.2片状马氏体29先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。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。片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏体片互不平行，大小不一，片的周围有一定量的残余奥氏体。30惯习面：随形成温度的下降，由{225}γ变为{259}γ，位向关系由K-S关系变为西山关系。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。马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生显微裂纹。31（1）Ms点Ms点高----形成板条马氏体。Ms点低----形成片状马氏体。C%↑→Ms↓板条M→板条M+片状M→片状M位错M→孪晶M§4.3.3影响马氏体形态及其亚结构的因素32图4-15滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系（2）奥氏体与马氏体的强度33当马氏体在较高温度形成时，滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易于发生，从而在亚结构中留下大量位错，形成亚结构为位错的板条马氏体。由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均较低。相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏体和马氏体中以滑移方式进行，故惯习面为(111)γ。34随着形成温度的下降，孪生的临界分切应力较低，变形方式逐渐过渡为以孪生进行，形成亚结构为孪晶的片状马氏体。若奥氏体的σS低于206MPa，应力在奥氏体中以滑移方式松弛。由于形成的马氏体强度较高，应力在马氏体中只能以孪生方式松弛，则形成惯习面为(225)γ的片状马氏体。若奥氏体的σS超过206MPa，相变应力在两相中均以孪生方式松弛，则形成惯习面为(259)γ的片状马氏体。35C%＜0.2%的低碳钢、低碳低合金钢，如20#、15MnVB钢等，组织为板条马氏体，具有高强度、高韧性、低的冷脆转化温度。§4.3.4工业用钢淬火马氏体的金相形态（1）低碳钢中的马氏体36如45#、40Cr钢等，淬火后为板条马氏体+片状马氏体的混合组织。由于通常选用较低的奥氏体化温度，淬火后获得的组织极细，光学显微镜较难分辨。（2）中碳结构钢中的马氏体37如T8、T12钢，为片状马氏体。通常采用不完全加热淬火（在Ac1稍上加热，保留一定量未溶渗碳体颗粒），获得隐晶马氏体+渗碳体颗粒的混合组织。隐晶马氏体极细，光学显微镜较难分辨。（3）高碳工具钢中的马氏体38T0为相同成分的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度，此时ΔGγ→α’=0ΔGγ→α’称为马氏体相变驱动力。图4-16自由能-温度关系§4.4马氏体相变热力学§4.4.1相变驱动力39图4-17无扩散相变γ→α’的T0温度相变化学驱动力用来提供切变能量、亚结构储存能、膨胀应变能、共格应变能、界面能等，所以要有足够大的相变驱动力。Ms点为奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。40①碳含量C%↑→Ms↓，Mf↓图4-18Ms与碳含量关系A3无扩散转变§4.4.2影响钢的Ms点的因素（1）奥氏体的化学成分41②合金元素除Co、Al外，其它合金元素均降低Ms点。③解释：碳或者合金元素降低A3点，降低奥氏体的自由能并提高马氏体（过饱和铁素体）的自由能，也降低了T0温度，从而降低Ms点。碳或者合金元素固溶强化了奥氏体，σs↑，使切变所需能量增高，Ms↓。42图4-19奥氏体与马氏体的自由能-温度曲线示意图温度GT0MsT0MsAMΔGA→MΔGA→M临界驱动力43①奥氏体的晶粒大小奥氏体晶粒细化→Ms↓晶粒细化→σs↑→切变阻力↑→Ms↓②弹性极限以内的应力多向压应力阻碍马氏体转变，→Ms↓拉应力促进马氏体转变，→Ms↑（2）其它因素对Ms点的影响44在Ms点以上一定温度范围内，因塑性变形而促生的马氏体称为应变诱发马氏体。塑性变形能促生马氏体的最高温度称为Md点，高于此温度的塑性变形将不会产生应变诱发马氏体。§4.4.3应变诱发马氏体45在Ms~Md之间对奥氏体进行塑性变形，为向马氏体转变提供了机械驱动力，从而使相变可以在较高的温度发生，即相当于升高了Ms温度。在Ms~Md温度范围的塑性变形度越大，由形变诱发的马氏体量越大。但对未转变的奥氏体，在随后的冷却过程中，马氏体相变却受到了抑制（发生了机械稳定化）。46图4-20应变诱发马氏体相变热力学条件47在Md点以上，对奥氏体进行塑性变形，当形变量足够大时，将抑制随后冷却时的马氏体转变，Ms点降低，残余奥氏体量增多，称为奥氏体的机械稳定化。少量塑性变形对马氏体转变有促进作用，而超过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作用。§4.4.4奥氏体的机械稳定化48当变形度小时，增加了奥氏体中有利于马氏体形核的晶体缺陷。当变形度较大时，在奥氏体中形成大量亚晶界和高密度位错区，奥氏体产生加工硬化，屈服强度提高，阻碍切变过程，从而使奥氏体稳定化。原因：49§4.5.1马氏体的变温形成马氏体相变也是通过形核与长大进行。变温时，在Ms点以下，无孕育期，瞬时形核，瞬时长大。马氏体量随温度下降而增加。§4.5马氏体相变动力学50降温时，马氏体量的增加是靠新马氏体的不断产生，而不是靠先形成马氏体的长大。淬火冷却温度常数数转变为马氏体的体积分qqSTfTMf)34()](exp[151马氏体转变通常不能进行到底，有一部分未转变的奥氏体残留下来，称为残余奥氏体。AR----retainedaustenite通常淬火只淬到室温为止，高于很多钢的Mf点，冷却不充分，形成AR。§4.5.2残余奥氏体52为了减少淬火至室温后钢中的AR量，可将其继续冷却至零下（Mf点以下）进行处理，称为冷处理。凡是降低Ms点的因素均提高AR量。AR量和Ms点一样，主要取决于奥氏体的化学成分：C%↑→Ms↓→AR↑合金元素↑→Ms↓→AR↑53①因本身较软，会降低淬火钢的硬度；②不稳定，易使零件产生变形开裂；③降低硬磁钢的磁感应强度；④可提高某些钢的韧性和塑性。残余奥氏体的作用：54§4.5.3奥氏体的热稳定化定义：使奥氏体转变为马氏体能力减低的一切现象，称为奥氏体的稳定化。表现为Ｍｓ点降低、AR量增多。有三大类：①化学稳定化----化学成分引起②机械稳定化----塑性变形引起③热稳定化55淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留而引起的奥氏体稳定化，称为热稳定化。图4-21奥氏体热稳定化现象示意图在Ms点以下等温停留将引起Ｍｓ点降低以及AR量增多。等温停留56奥氏体的热稳定化是由于在适当温度停留过程中，奥氏体中的碳、氮原子与位错发生交互作用形成柯氏气团，从而强化了奥氏体，使马氏体相变的阻力增大所致。奥氏体热稳定化的本质：57§4.6.1K-S均匀切