热处理设备1-4马氏体相变

1、马氏体：碳在-Fe 中的过饱和间隙固溶体，具有体心正方点阵结构。 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。,第四章 马氏体相变,4.1 马氏体的晶体结构,定义,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),扁八面体： 长轴为 ，短轴为c -Fe点阵中的这个扁八面体间隙在短轴方向上的半径仅为0.19埃，而碳原子有效半径为0.77埃，因此，在平衡状态下，碳在-Fe中的溶解度极小（0.006%）。 一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值，所以会引起点阵发生严重畸变。 短轴方向的

2、铁原子间距伸长36%，而在另外两个方向则收缩4%，使体心立方变成体心正方点阵。,图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动, 表面浮凸现象,（1）切变共格和表面浮凸现象,4.2 马氏体相变的主要特征,（2）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。,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： 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500

3、0/S快速加热，抑制回火转变，则在590600发生逆转变。,（5）马氏体相变的可逆性,（6）马氏体的亚结构 定义：马氏体组织内出现的组织结构称为 马氏体的亚结构。 低碳马氏体：位错 高碳马氏体：孪晶 有色金属：孪晶或层错,马氏体转变区别于其他转变的最基本的特点： 转变以切变共格方式进行； 转变的无扩散性。,4.3.1 板条马氏体 在低中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金中出现，形成温度较高。 特征：每个单元的形状为窄而细长的板条，并且许多板条总是成群地相互平行地聚集一起。,图4-12 板条马氏体示意图,4.3 马氏体的组织形态及其亚结构,图4-14 片状马氏体示意图,在中、高碳钢，高镍

4、的Fe-Ni合金中出现，形成温度较低。,4.3.2 片状马氏体,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。,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。,4.3.3其他形状的马氏体 蝶状马氏体 薄片状马氏体 马氏体,（1）化

5、学成分和形成温度的影响 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,随碳含量增加及温度降低，马氏体形态由板条状向片状转化。,合金元素： 缩小相区的元素均促使得到板条马氏体 扩大相区的元素均促使得到片状马氏体,（2）奥氏体屈服强度的影响,在Ms点时，奥氏体的屈服强度小于206MPa； 就形成惯习面为（111）的板条马氏体或 （225）的片状马氏体 屈服强度大于206MPa时，则形成惯习面 为（259）的片状马氏体,（3）奥氏体的层错能 层错能越低，越易于形成位错马氏体。 层

6、错能越高，越易于形成孪晶马氏体。,C%0.3%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,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,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

7、的马氏体,图4-16 自由能-温度关系,4.4 马氏体相变,4.4.1 相变驱动力,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。,一、定义 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。 二、 Ms点在生产实践中的重要意义 Ms点决定淬火马氏体的亚结构和性能 Ms点是分级淬火的分级温度和水油淬火的转油温度选择依据,4.4.2 Ms 点及其影响因素,Ms点还决定着淬火后得到的残余奥氏体量多少，而控制一定量的残余奥氏体则可以达到减小变形开裂，稳定尺寸及提高产品质量等目的。,碳含量 C% Ms ，M

8、f 0.4% 0.6%,图4-18 Ms 与碳含量关系,（1）奥氏体的化学成分,三、影响Ms点的因素,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 。,奥氏体晶粒细化 Ms 晶粒细化 s 切变阻力 Ms ,（2）奥氏体的晶粒大小和强度,（3）冷却速度,当冷却速度达到一定数值时，提高Ms点。,一般工业用淬火介质的冷却速度对Ms点 基本没有影响。,（4）应力和塑性形变 单向拉伸提高Ms点 单向压

9、缩提高Ms点 三向压缩降低Ms点,在Ms点以上一定温度范围内，因塑性变形而诱发马氏体转变称为形变诱发马氏体。 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 形变诱发马氏体,在MsMd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MsMd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）。,在奥氏体冷却过程中，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

10、降低，残余奥氏体量增多，这种现象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,当变形量小时，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：,区分以下几个点的含义： Ms：马氏体转变开始点 Mf：马氏体转变终了点 Md：可获得形变马氏体的最高温度 Ad：可获得形变奥氏体的最低温度 As：马氏体转变为奥氏体的开始点 Af：马氏体转变为奥氏体的终了点,4.4.5 Fe-C合

11、金片状马氏体显微裂纹的形成,1. 形成原因,过去认为：由于马氏体相变时比容增大而引起 的显微应力增大而形成的。,近年来金相分析表面：片状马氏体形成时的 互相碰撞所致。,2. 形成显微裂纹的敏感度Sv 定义：单位马氏体体积中出现的显微裂 纹的面积作为马氏体内形成显微裂纹的敏感度。 影响因素：碳含量；奥氏体晶粒大小；淬火冷却温度和马氏体转变量。其中奥氏体晶粒大小具有非常重要的影响。,晶粒尺寸：奥氏体晶粒越大，初期形成的马氏体片越大，产生的内应力越高，被其他马氏体撞击的机会也越多，显微裂纹就越多。 奥氏体晶粒相同时，碳含量越高，奥氏体与马氏体的比体积差越大，Sv就越大。 淬火冷却温度越低，马氏体形成

12、量越多，Sv越大，但在马氏体转变分数超过27%后，Sv不再增加。原因后期形成的马氏体片小，不易形成显微裂纹。,回火：,在实际生产中，可通过改变钢的成分、采用 较低的淬火加热温度或缩短加热保温时间、 等温淬火或淬火后及时回火等，来降低或避免 高碳马氏体中显微裂纹的产生。,200,600,如果在淬火过程中已经产生了显微裂纹，则可 采取及时回火使部分显微裂纹通过弥合而消失。,高碳钢过热淬火容易开裂，是因为奥氏体晶粒粗大和马氏体碳含量过高而引起显微裂纹敏感度增大的缘故。 生产中趋于采用较低的加热温度和较短的保温时间，以减少马氏体的碳含量，并获得细小的晶粒。 通常过共析钢采用不完全淬火获得隐晶马氏体，不

13、易产生显微裂纹，使其具有良好的综合力学性能。,结论,隐晶马氏体： 片状马氏体的最大尺寸取决于原奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越大，则马氏体片越大，当最大尺寸的马氏体小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。,4.5.1 马氏体的形成,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，转变速度极快。 马氏体量随温度下降而增加。,4.5 马氏体相变动力学,1. 变温转变,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。,2. 等温转变 （1）AR40%时在原马氏体上长大， AR50%时则重新形核长大 （2）等温转变不能进行到底 （3）有

14、孕育期 （4）通过热激活形核,3. 爆发式转变 （1）转变速度极快 （2）转变过程中伴有响声，并释放大量相变潜热。 （3）具有较多的惯习面,4. 表面马氏体转变 表面马氏体：在大尺寸块钢表面，往往在Ms点以上就能形成马氏体，其形态、长大速率和晶体学特征等都和整块试样在Ms以下形成的马氏体不同，这种马氏体称为表面马氏体。 （1）等温条件下形成 （2）需要孕育期，但长大速度极慢,原因？,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 - retained austenite 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

15、奥氏体,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； 可提高某些钢的韧性和塑性。,残余奥氏体的作用：,4.5.3 奥氏体的热稳定化,定义：奥氏体由于内部结构在外界条件下发生了某种变化，使其转变为马氏体能力减低的现象，称为奥氏体的稳定化。表现为点降低、AR 量增多。 有两大类： 热稳定化 机械稳定化-塑性变形引起,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垂尔气团，

16、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：,影响热稳定化的因素 （1）已转变马氏体量的多少。已转变马氏体量越多，等温停留时所产生的热稳定化程度越大。 （2）等温停留时间。在一定的等温温度下，停留的时间越长，则达到的奥氏体稳定化程度越高。,（3）化学成分。以C、N最为重要。钢中碳含量增高可使热稳定化程度增大。 （4）原子的热运动。C、N原子在适当的温度下向点阵缺陷偏聚（C、N原子钉扎位错），因而强化了奥氏体，使马氏体相变的切变阻力增大所致。,1. 定义：若将已经热稳定化的奥氏体加热到一定温度以上，由于热运动加剧，柯垂尔气团中的原子将会脱离位错使柯垂尔气团消失，从而使热

17、稳定化作用降低或消失，这种现象叫反稳定化现象。 2. 出现反稳定化的温度因钢种和热处理工艺不同而异。 3. 高速钢中出现反稳定化的温度约为500550，利用高速钢的反稳定化，通过多次550 回火可以降低残余奥氏体含量，提高回火后硬度。,4.5.4 奥氏体的反稳定化,4. 在热处理实践中，利用奥氏体的热稳定化可以协调淬火后工件变形和硬度之间的矛盾，具有重要意义。,560,1h,560,1h,560,1h,冷校直,260,3h,600,12min.,1280,10min.,温度,时间,高速钢W18Cr4V热处理工艺曲线,反稳定化的应用,C% 硬度 C 0.6%以后，淬火钢硬度下降的原因主要是由于残

18、余奥氏体量的增加。,4.6 马氏体的性能,4.6.1 马氏体的强度和硬度,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 碳原子在马氏体晶体缺陷处（位错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。,马氏体的强化机制：,相变（亚结构）强化 亚结构强化，高密度位错以及微细孪 晶，阻碍位错运动。 马氏体晶体（原奥氏体晶粒）尺寸越 细小，强度越高。,低碳位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳孪晶型马氏体具有高的强度但韧性极差。 高碳孪晶型马氏体高脆性的原因： 亚结构为细小孪晶，滑移系少，位错不易开动，容易引起应力集中。 容易产生显微裂纹。,4.6.2 马氏体的塑性与韧性,1. 定义：金属及合金在相变过程中屈服强度显著下降，塑性显著增加，这种现象称为相变塑性。 2. 马氏体的相变塑性可增加伸长率和显著提高钢的韧性。 3. 相变塑性在生产上的应用。如高速钢拉刀淬火时的热校直。,4.6.3 马氏体的相变塑性,马氏体的比容远大于奥氏体 钢在淬火时要发生体积膨胀，产生内应力、 变形、开裂。 马氏体具有铁