材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》课件第五章马氏体转变

1、第五章马氏体转变，5.1，马氏体晶体结构和转变特征5.2，马氏体微观结构5.3，马氏体性质5.4，马氏体转变剪切模型5.5，马氏体转变热力学5.6，马氏体转变动力学5.7，奥氏体稳定化5.8，热弹性马氏体和形状记忆效应，稳定奥氏体区，过冷奥氏体区，产品转变开始线，高温转变区；扩散转化；p过渡区。550230；中温过渡带；半扩散变换；贝氏体(b)转变区；230-50；低温过渡带；非扩散转化；马氏体(m)转变区。共析碳钢马氏体相变的M、AR、C曲线分析：钢在经过奥氏体化温度后迅速冷却以抑制其扩散和分解，非扩散相变发生在较低温度(Ms)。A1，温度()，Ms，P，炉冷，S，风冷，油冷，MAR，水冷，

2、Vk，P，S，T，临界冷却速率，时间()，A(M)(FCC中心正方形，5.1，马氏体由于碳的过饱和，铁的晶格由体心立方转变为体心方晶格。结果，马氏体具有体心四方晶格(a=b=C)，组成不变并且结构改变，并且在马氏体的单元中，C原子可以存在于一组平坦的八面体间隙位置中，并且碳优先分布在C轴方向上的八面体间隙位置中。这使得C轴拉长，A轴缩短，晶体结构变成立方体。轴的垂直度比c/a马氏体。轴比c/a称为马氏体的垂直度。C%越高，垂直度越大，垂直度失真越严重。当0.25%C，c/a=1时，马氏体为体心立方晶格。c=a0 a=a0 c/a=1 a=b=c立方结构a=bc方形结构a0Fe的晶格常数为M，碳

3、含量与M晶格常数之间的关系通过X射线结构分析测定。2.马氏体相变特征1。表面起伏效应和相干剪切，使马氏体表面同时凹凸，并驱使附近的奥氏体产生弹性。马氏体相变以剪切模式发生，界面上的原子由马氏体和奥氏体共享。马氏体相变剪切示意图，马氏体相变引起的表面起伏，原子剪切变化位置，界面位移，m，相干剪切，a，母相晶格上的原子从一种排列变化到另一种排列，并且两个相邻的原子在转变后仍然相邻。也就是说，碳原子可以在没有扩散的情况下经历马氏体转变。2.马氏体相变特征2。没有扩散转变，只有晶格重组，没有成分变化，马氏体没有扩散剪切转变的迹象：a .碳钢中的碳浓度在马氏体转变前后没有变化，只有晶格剪切发生；超低碳合

4、金中会发生马氏体相变，相变速度极快，表明没有碳扩散。转化可以在极低的温度(4K)下进行，此时不可能通过扩散进行转化。因此，马氏体是碳在铁中的过饱和固溶体，马氏体直接由奥氏体转变而来，所以马氏体和奥氏体的碳含量完全相同。二。马氏体相变的特征3。M转变的取向关系和习惯面，马氏体转变过程中马氏体和奥氏体之间有严格的晶体学关系，习惯面(1)取向关系改变时，整体移动一定距离，相邻原子的相对位置不变。位移小于一个原子距离，所以奥氏体和马氏体保持一定严格的晶体尺寸关系。取向关系包括：(1)知识共享关系；(2)西山(北)关系；(3)成组关系；(1)定向关系：一种因果关系；晶面：011M111A晶体方向：111

5、M011A2.马氏体相变的特征：3.m变换的方向关系和习惯面：111a、锡山关系铁-30%镍合金在冷却至-70以下时具有以下取向关系，奥氏体转变为马氏体(马氏体在室温以上形成时仍遵循钾-硫关系)。晶面：011M111A晶向：110M112A，12个晶向，将K-S关系与西山关系相比较，A晶面平行关系相同，晶向差为516。(2)习惯表面：马氏体开始在母相的某一晶面上形成，即习惯表面。111A、225A、259A .通常，当碳含量为0.6%时，通常的表面积为111埃；碳含量为0.61.4%，习惯表面积为225埃；碳含量为1.51.8%，习惯表面积为259A2.马氏体相变特征。方向关系和M变换的习惯面

6、；2.马氏体相变特征。不完全马氏体转变(非恒温)，马氏体转变开始的温度称为马氏体点，用Ms表示。马氏体转变的结束温度称为较低的马氏体点，用Mf表示。只要温度达到100毫秒以下，就会发生马氏体相变.低于100毫秒，随着温度的降低，转变量增加，冷却中断，转变停止。马氏体相变的量通过在MsMf温度范围内降低温度而增加，也就是说，马氏体相变的量是温度的函数，与等温时间无关。马氏体相变与温度的关系，在MsMf温度范围内，马氏体相变通过降低温度而增加，即马氏体相变是温度的函数，与等温时间无关。因为大多数钢的Mf低于室温，所以当钢冷却到室温时，一些未转变的奥氏体仍然存在，这被称为残余奥氏体，并被记录为氩或氩

7、。残余奥氏体现象被称为不完全马氏体相变。冷处理可用于将残余奥氏体转变为马氏体。当冷却时，奥氏体转变成马氏体，当再加热时，马氏体可以转变成奥氏体而不扩散。这一特征被称为马氏体相变的可逆性。在一定的温度范围内也可以进行逆相变。形状记忆合金的热弹性马氏体利用了这一特性。2.马氏体相变的特征1。表面起伏效应和相干剪切2。非扩散转化。m变换与习惯面有一定的定向关系。不完全马氏体相变(非恒温)5。马氏体相变的可逆性。综上所述，马氏体相变有许多不同于珠光体的特征，其中最重要和最基本的只有两个：剪切相干和非扩散。其他特征可以从这两个特征中导出。1.马氏体形态板条、薄片、蝴蝶、薄板和薄片1。板条马氏体，马氏体组

8、：板条组马氏体束，具有相同的习惯面，在形态上平行排列：板条组马氏体板条，具有相同的习惯面和相同的取向(晶面的平行关系):马氏体的最基本单位，窄而细长。板条宽度为0.10.2微米，长度小于10微米。薄膜残余奥氏体通常存在于板条之间。在光学显微镜下，组织单元：群梁板条取向关系：K-S，习惯面：111，马氏体梁，马氏体群，一个奥氏体晶粒含有几个群，当取向存在差异时，也会形成一个群。组和捆由板条组成。团簇和束之间有大角度晶界，板条之间有小角度晶界。板条马氏体的亚结构主要是高密度位错，形成位错网(缠结)，位错密度随着碳含量的增加而增加，通常为(0.30.9) 1012/cm3。因此，它被称为位错马氏体。

9、亚结构：位错；2.片状马氏体形态：第一片透镜状中脊贯穿整个晶粒，彼此不平行，变得越来越小。亚结构：含碳化钨1.0%的高碳钢中出现孪晶，残余奥氏体分布在马氏体板之间。3.蝶形马氏体特征：横截面上两翼的连接部分非常类似于板的中间脊亚结构：孪晶，但没有中间脊(不同于片状马氏体)(P95页图4.23)，5。马氏体晶格结构：密排六方(其它马氏体为体心立方或体心方晶格结构)特征：片状亚结构：高密度堆垛层错原因：奥氏体堆垛层错可在较低水平形成(P96页图4.24)。2.影响马氏体形态和亚结构的因素(1)马氏体形成温度一般：在马氏体转变温度Ms Mf范围内，随着马氏体形成温度的降低，马氏体形态将呈、板条、蝶形

10、、片状，亚结构将由位错逐渐转变为孪晶。高熔点奥氏体冷却后形成板条马氏体，亚结构为位错；低熔点奥氏体冷却后形成片状马氏体，其亚结构为孪晶；MS点高或低的奥氏体冷却后形成混合组织(板条马氏体)，其亚结构为位错孪晶。2.影响马氏体形态和亚结构的因素(2)化学成分碳含量：0.3%，板条马氏体；0.31.0%，板条马氏体和片状马氏体的混合结构，1.0%，片状马氏体。合金元素：减少相面积，促进板条m的形成；相面积的扩大促进了片状m的形成；显著降低堆垛层错能，促进M的形成。不同类型的M，(3)奥氏体堆垛层错能随奥氏体堆垛层错能降低：马氏体相变遵循双位错马氏体；(只有当堆垛层错能足够低时才能形成马氏体)，(4

11、)奥氏体和马氏体强度马氏体的形态与奥氏体屈服强度和马氏体在Ms点的强度有关。当奥氏体屈服强度为200兆帕时，如果马氏体强度高和低，则形成片状马氏体和板条马氏体，当奥氏体屈服强度为200兆帕时，形成片状马氏体。理论解释：当强度较低时，滑移变形会在111A处形成板条马氏体；当强度高时，孪晶变形并在225A和259A处形成片状马氏体。滑移和孪晶变形的临界剪切应力、孪晶类型、位错类型、孪晶、滑移、MS、T、Mf、温度、碳钢的马氏体形态和结晶特征与钢的碳含量和Ms点的关系，两个最重要的因素是奥氏体中的碳含量和马氏体形成温度。1.马氏体的强度和硬度钢中马氏体的主要特征是高硬度和高强度。(1)硬度和强度，曲

12、线3马氏体硬度曲线2高于Ac1淬火钢硬度曲线1高于Ac3或Accm淬火钢硬度曲线3马氏体硬度采用完全淬火(完全奥氏体化)和冷处理，使所有奥氏体转化为马氏体，得到马氏体硬度与碳含量的关系。曲线2表明，亚共析钢的淬火钢的硬度高于Ac1，高于AC3，过共析钢的硬度高于AC1，低于ACCm。对于过共析钢，采用高于AC1的不完全淬火，马氏体中的碳含量是该温度下奥氏体的饱和碳浓度，当温度不变时也是如此，所以硬度随着碳含量的增加基本不变。曲线1高于Ac3或Accm的淬火钢的硬度是完全奥氏体化后淬火得到的硬度曲线。当碳含量较低时，淬火马氏体的硬度随着碳含量的增加而增加。当碳含量高时，Mf低于0，淬火后获得马氏

13、体和奥氏体双相组织。随着碳含量的增加，奥氏体含量增加，但由于奥氏体硬度较低，硬度降低。结果表明，马氏体硬度随着碳含量的增加而显著增加，但当碳含量超过0.6%时，硬度增长趋势下降。(2)高强度和高硬度马氏体的内在相变强化了马氏体相变的剪切特性，导致大量微观缺陷(位错、孪晶、堆垛层错等)。)在马氏体晶体中，这强化了马氏体，称为相变强化。请考虑如何强化位错、孪晶和堆垛层错。相变强化是指马氏体相变过程中晶体中晶格缺陷密度高的亚结构。例如板条马氏体中的高密度位错过饱和碳原子在固溶强化马氏体中的固溶会引起强烈的晶格畸变，形成以碳原子为中心的应力场，并与位错相互作用，使碳原子钉扎位错，强化马氏体。当碳含量大

14、于0.4%时，这种效应不明显。马氏体时效强化马氏体产生碳原子偏析和沉淀，导致时效强化。当马氏体在淬火后停留在室温时，或在外力作用下，碳原子扩散，导致碳原子偏析和析出，甚至以碳化物的形式分散析出，导致马氏体晶体超微观不均匀性和时效强化。马氏体形态和亚结构、孪晶对M的强度和硬度有额外的贡献。当C%相同时，孪晶M硬度越小，位错M和A越小，M越小，强度越高。当碳含量小于0.3%时，位错得到强化，强度与碳含量呈线性关系；当碳含量大于0.3%时，出现孪晶，孪晶具有附加强化机制，使硬度增加偏离直线。马氏体的变形强化特征马氏体发生塑性变形时，其强度随着碳含量的增加而增加。马氏体的塑性和韧性(1)韧性马氏体的韧

15、性主要由亚结构决定。C33600.4%，低韧性，硬脆。仅考虑韧性，碳含量不应超过0.4%，5.3%。马氏体性质。马氏体塑性和韧性(1)韧性亚结构：位错马氏体(低碳)韧性好，孪晶马氏体(高碳)韧性低。5.3。马氏体性质、高碳钢的淬火：采用低温加热和短时间保温，以降低马氏体的含碳量，获得隐针状马氏体。(2)马氏体相变过程中，马氏体相变诱发塑性增加。原因：1)M的形成可以缓解塑性变形引起的局部应力集中，防止裂纹的形成或扩展。2)在塑性变形区，M是由变形引起的，这提高了加工硬化率，使得塑性变形区难以继续变形，并抑制了颈缩的形成。提高可塑性和韧性。马氏体的强度和硬度主要取决于它的碳含量。塑性和韧性主要取决于其亚结构。位错马氏体具有高强度、高硬度和良好的塑性韧性(强韧性)。孪晶马氏体具有较高的强度和硬度，但塑性韧性较低。因此，在保证足够强度和硬度的前提下，应尽可能减少孪晶m的数量。马氏体的物理性质(1)马氏体的比容大于奥氏体，膨胀系数比