马氏体相变.ppt

1 第四章马氏体相变 2 马氏体 碳在 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 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 马氏体 1 马氏体的晶体结构 3 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 4 图4 2点阵常数与碳含量的关系 马氏体点阵常数和碳含量的关系 5 马氏体的正方度 6 c a 1 005 0 045P 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 新生马氏体的异常正方度 7 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 2 马氏体相变的主要特征 8 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 2 表面浮凸现象和不变平面应变 9 图4 3马氏体形成时引起的表面倾动 表面浮凸现象 10 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 惯习面和不变平面 11 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 0 5 1 4 C 为 225 1 5 1 8 C 为 259 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 不变平面应变 12 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 13 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 3 马氏体和奥氏体具有一定的位向关系 14 相变以共格切变方式进行所至 K S关系 111 110 M M由于3个奥氏体 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 晶面族中又有4种晶面 从而马氏体共有24种取向 变体 15 图4 6奥氏体 111 面上马氏体的六种不同K S取向 西山关系 16 111 110 M M按西山关系 在每个 111 面上 马氏体可能有3种取向 故马氏体共有12种取向 变体 17 图4 7奥氏体 111 面上马氏体的三种不同西山取向 18 G T关系 和K S关系略有偏差 111 110 M差10 M差20K 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 19 图4 8 1K S关系和西山关系的比较 20 图4 8 2K S关系和西山关系的比较 21 图4 9K S关系和西山关系的比较 4 马氏体相变的变温性 22 图4 10转变量 时间关系 23 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 5 马氏体相变的可逆性 24 A MMs Mf As Af As Ms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 3 马氏体的形态及其亚结构 25 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 26 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 位向关系为K S关系 由于有四个不同的 111 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 27 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 28 图4 13 a 板条马氏体 b 片状马氏体 3 2片状马氏体 29 图4 14片状马氏体示意图 在中 高碳钢 高镍的Fe Ni合金中出现 形成温度较低 30 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 31 惯习面 随形成温度的下降 由 225 变为 259 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 3 3影响马氏体形态及其亚结构的因素 32 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 2 奥氏体与马氏体的强度 33 图4 15滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系 34 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 35 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 S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 的片状马氏体 若奥氏体的 S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 的片状马氏体 3 4工业用钢淬火马氏体的金相形态 36 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 1 低碳钢中的马氏体 2 中碳结构钢中的马氏体 37 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 3 高碳工具钢中的马氏体 38 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 4 马氏体相变热力学 39 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 G 0 G 称为马氏体相变驱动力 图4 16自由能 温度关系 4 1相变驱动力 40 图4 17无扩散相变 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 4 2影响钢的Ms点的因素 41 碳含量C Ms Mf 图4 18Ms与碳含量关系 1 奥氏体的化学成分 42 合金元素除Co Al外 其它合金元素均降低Ms点 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 s 使切变所需能量增高 Ms 43 图4 19奥氏体与马氏体的自由能 温度曲线示意图 2 其它因素对Ms点的影响 44 奥氏体的晶粒大小奥氏体晶粒细化 Ms 晶粒细化 s 切变阻力 Ms 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 4 3应变诱发马氏体 45 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 46 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 47 图4 20应变诱发马氏体相变热力学条件 4 4奥氏体的机械稳定化 48 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 原因 49 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 5 马氏体相变动力学 50 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 51 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 5 2残余奥氏体 52 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 53 残余奥氏体的作用 54 因本身较软 会降低淬火钢的硬度 不稳定 易使零件产生变形开裂 降低硬磁钢的磁感应强度 可提高某些钢的韧性和塑性 5 3奥氏体的热稳定化 55 56 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 点降低以及AR量增多 奥氏体热稳定化的本质 57 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 6 马氏体相变晶体学模型 58 6 1K S均匀切变模型 三个步骤 第一次较大量的均匀切变 主切变 59 第二次小量切变 晶格调整 60 图4 22K S切变模型 61 图4 23马氏体与奥氏体的共格关系及其破坏 随马氏体长大 靠近界面的奥氏体弹性切应变也愈来愈大 当应力值超过奥氏体的屈服极限时 将发生塑性变形 界面共格联系被破坏 这时的马氏体要通过扩散才能继续长大 实际上马氏体已停止长大 6 2G T模型 62 G T模型为两次切变模型 第一次切变为宏观均匀切变 发生宏观变形 产生表面浮凸 并发生点阵改组 形成马氏体点阵结构 第二次切变 63 为微观不均匀切变 也称为晶格不变切变 可以是滑移 也可以是孪生 切变的结果 无宏观变形 晶格不变 同时 降低了应变能 应力松弛 在马氏体内产生位错或孪晶亚结构 64 图4 24晶格不变切变示意图 7 马氏体的性能特点 65 C 硬度 C 0 6 以后 淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加 7 1马氏体的强度和硬度 马氏体的强化机制 66 固溶强化间隙式碳原子造成的点阵不对称畸变 产生一个强应力场 该应力场与位错产生强烈的交互作用 时效强化自回火 碳原子在马氏体晶体缺陷处 位错 孪晶界 的偏聚 以及碳