第五章馬氏體轉(zhuǎn)變ppt課件

1、第五章 馬氏體轉(zhuǎn)變研究目的：淬火研究目的：淬火高的強(qiáng)韌性、硬脆不是高的強(qiáng)韌性、硬脆不是M的唯一特性的唯一特性-低碳馬氏體低碳馬氏體高強(qiáng)度、高硬度，較低的塑韌性高強(qiáng)度、高硬度，較低的塑韌性-中碳馬氏體中碳馬氏體很高的強(qiáng)度、高脆性、低塑韌性很高的強(qiáng)度、高脆性、低塑韌性-高碳馬氏體高碳馬氏體研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：1.組織形態(tài)與性能關(guān)系；組織形態(tài)與性能關(guān)系；2.影響組織形態(tài)的因素及控制形態(tài)的方法；影響組織形態(tài)的因素及控制形態(tài)的方法；3.影響殘余影響殘余A量的因素及控制方法量的因素及控制方法重點(diǎn)：1.馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)； 2.馬氏體的組織形態(tài)；3.馬氏體的熱力學(xué)分析； 4.馬氏體的力學(xué)性能難點(diǎn)：1.馬氏

2、體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)； 2.影響馬氏體轉(zhuǎn)變的因素。5-15-1馬氏體相變的主要特征馬氏體相變的主要特征一、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)AM 無擴(kuò)散型相變 只有點(diǎn)陣重構(gòu)而無成分變化 C在-Fe中的過飽和固溶體 M或1.晶體結(jié)構(gòu)-體心正方點(diǎn)陣短軸方向空隙：0.038nm 碳原子有效直徑：0.154nm 水平：0.707a 垂直：0.5ac c軸伸長、軸伸長、a a軸縮短軸縮短體心正方體心正方a=ba=bc c）c/a-正方度或軸比 取決于含碳量：cc/ac0.2%-體心正方c0.2%-體心立方無序分布、完全有序分布、部分有序分布2.馬氏體的反常正方度-M正方度與碳含量的關(guān)系不符合上式1無序分布，c/a 反常低正方度

3、碳原子在M中有序化轉(zhuǎn)變2c原子幾乎都處于同一組空隙位置完全有序化）：T回升至室溫?zé)o序轉(zhuǎn)變c/ac=a0+a=a0-c/a=1+二、馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)1.切變共格和表面浮凸現(xiàn)象與M相交的表面，一邊凹陷，一邊突起，牽動相鄰A也呈傾突現(xiàn)象；刻劃一條直線，馬氏體形成后變成一條折線說明： 馬氏體轉(zhuǎn)變以切變的方式實(shí)現(xiàn)； M和A的界面為共格界面 切變共格M形成伴隨彈性應(yīng)變產(chǎn)生、蓄積彈性應(yīng)變能共格彈性能）M尺寸當(dāng)M長大到一定尺寸，使界面上A中彈性應(yīng)力超過其彈性極限兩相間的共格關(guān)系遭破壞M停止生長2.無擴(kuò)散性無擴(kuò)散性實(shí)驗(yàn)依據(jù)：馬氏體轉(zhuǎn)變前后，碳濃度無變化；實(shí)驗(yàn)依據(jù)：馬氏體轉(zhuǎn)變前后，碳濃度無變化；Fe-Ni合金在極

4、低溫度（合金在極低溫度（-190）下，）下，M長大速度仍可達(dá)到長大速度仍可達(dá)到105/s。在低碳鋼中存在在低碳鋼中存在C的擴(kuò)散現(xiàn)象的擴(kuò)散現(xiàn)象3.具有特定的位向關(guān)系和慣習(xí)面具有特定的位向關(guān)系和慣習(xí)面1取向關(guān)系取向關(guān)系K-S關(guān)系：關(guān)系：011/111；/ 24種取向種取向西山關(guān)系：西山關(guān)系：011/111；/ 差差516 12種取向種取向G-T關(guān)系：關(guān)系： 011/111差差1；/ 差差2 對對K-S關(guān)關(guān)系的修正系的修正僅適合僅適合259馬氏體，有局限性馬氏體，有局限性2慣習(xí)面位錯密度較大，畸變能高，而所需形核功小，易于形核。特征：不應(yīng)變、不轉(zhuǎn)動的平面c0.6%-慣習(xí)面為1110.6% c1.4%

5、-225c1.4%-慣習(xí)面為259T 0 -111或225T 0 -259板條狀M-低碳111、中碳225片狀M-中高碳225、高碳259慣習(xí)面與c的關(guān)系慣習(xí)面與T的關(guān)系慣習(xí)面與M形狀的關(guān)系4.轉(zhuǎn)變的非恒溫性和不完全性轉(zhuǎn)變的非恒溫性和不完全性Ms點(diǎn)以下形成點(diǎn)以下形成M-在連續(xù)冷卻條件下在連續(xù)冷卻條件下未獲未獲100%M，有殘余奧氏體存在，有殘余奧氏體存在AR冷處理冷處理針對高碳鋼、高碳合金鋼和針對高碳鋼、高碳合金鋼和某些中碳合金鋼的某些中碳合金鋼的Mf點(diǎn)低于室溫，將點(diǎn)低于室溫，將此類鋼繼續(xù)深冷至零下溫度的操作。此類鋼繼續(xù)深冷至零下溫度的操作。5.轉(zhuǎn)變的可逆性轉(zhuǎn)變的可逆性Fe-Ni、Ag-Cd、

6、Ni-Ti冷卻時冷卻時AM；重新加熱時；重新加熱時MAAs-逆轉(zhuǎn)變開始溫度；逆轉(zhuǎn)變開始溫度；Af-逆轉(zhuǎn)變終止溫度逆轉(zhuǎn)變終止溫度 快速加熱快速加熱一般觀察不到一般觀察不到M加熱時在溫度尚未到達(dá)加熱時在溫度尚未到達(dá)As點(diǎn)的過程中發(fā)生分解回火）點(diǎn)的過程中發(fā)生分解回火）6.相變產(chǎn)物內(nèi)部具有亞結(jié)構(gòu)相變產(chǎn)物內(nèi)部具有亞結(jié)構(gòu)低碳馬氏體：密度較高的位錯低碳馬氏體：密度較高的位錯高碳馬氏體：細(xì)的孿晶高碳馬氏體：細(xì)的孿晶有色金屬有色金屬M(fèi)的亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e的亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e相變時不均勻切變的產(chǎn)物相變時不均勻切變的產(chǎn)物5-2 馬氏體相變熱力學(xué)一、馬氏體相變熱力學(xué)條件馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁葱枰疃冗^冷？熱力學(xué)條件：G0轉(zhuǎn)

7、變時的能量消耗相變阻力）：形成新的界面而消耗界面能；因新相的比容增大和維持切變共格而引起的彈性應(yīng)變能；產(chǎn)生宏觀均勻切變而作功；產(chǎn)生宏觀不均勻切變而在馬氏體中形成高密度位錯和細(xì)微孿晶以能量的形式儲存于M中）；使鄰近的奧氏體發(fā)生協(xié)作變形而作功。相變熱力學(xué)表達(dá)式： G= G+ GS+GE+ GPGs GE- （彈性應(yīng)變能消耗） GP- （塑性應(yīng)變能消耗）M形成條件： G0 那么 G GS+GE+ GPM轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力主要是為了克服相變時的切變和形變塑性+彈性的阻力母相中缺陷的作用兩個相反效果）：形成一定的組態(tài)而提高母相的強(qiáng)度，使相變阻力增大；為相變提供能量，使相變驅(qū)動力增大。二、Ms點(diǎn)的物理意義 奧氏

8、體和馬氏體兩相自由能差達(dá)到相變所需的最小化學(xué)驅(qū)動力值時的溫度，或反映了使馬氏體轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行所需要的最小過冷度 。馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁葱枰粩嘟禍?三、影響Ms點(diǎn)的因素Ms點(diǎn)在生產(chǎn)中的重要意義:1.化學(xué)成分的影響c0.2% c Ms點(diǎn)線性降低c0.6% c Mf點(diǎn)急劇降低c0.6% c Mf點(diǎn)下降緩慢且降至0以下合金元素：除Al、Co提高M(jìn)s點(diǎn)外，其余大多不同 程度降低Ms。強(qiáng)碳化物形成元素V、Ti、W）：大部分以碳化物的形式析出，很少溶入A中，對Ms點(diǎn)影響不大。2.形變與應(yīng)力的影響 拉應(yīng)力、單向壓應(yīng)力-Ms點(diǎn) 多向壓應(yīng)力-Ms點(diǎn)塑性變形Ms點(diǎn)-應(yīng)變誘發(fā)馬氏體 轉(zhuǎn)變的溫度最高限：MdMd則不會產(chǎn)生應(yīng)

9、變誘發(fā)M 原因：形變能為馬氏體轉(zhuǎn)變提供附加的驅(qū)動力機(jī)械驅(qū)動力），補(bǔ)償了所需要的部分化學(xué)驅(qū)動力，因而使轉(zhuǎn)變可以在較高的溫度下發(fā)生，即相當(dāng)于Ms點(diǎn)。適當(dāng)?shù)乃苄宰冃慰梢蕴峁┯欣贛的形核的晶體缺陷層錯、位錯），從而促進(jìn)M的形成。應(yīng)變誘發(fā)M與形變度的關(guān)系：在MsMd溫度范圍內(nèi)塑性形變度越大，則形變誘發(fā)M的形成量越多，但形變對隨后冷卻時繼續(xù)發(fā)生的M轉(zhuǎn)變起抑制作用。原因：大量塑性變形在A中引起的晶體缺陷組態(tài)強(qiáng)化了母相，阻礙M的形成。在 Md進(jìn)行塑變 少量塑變-促進(jìn)M轉(zhuǎn)變 大量塑變-抑制M轉(zhuǎn)變3.奧氏體化條件T t 利于C及合金元素溶入A，成分均勻- Ms A晶粒長大，C原子活動能力在A中位錯線上偏聚 -

10、MsA晶粒的大小不是影響Ms點(diǎn)的主要因素4.存在先馬氏體的組織轉(zhuǎn)變 應(yīng)用：高速鋼的等溫淬火工藝1部分轉(zhuǎn)變?yōu)镻剩余A為貧碳區(qū)相對）-Ms2部分轉(zhuǎn)變?yōu)锽剩余A為富碳區(qū)相對）-Ms5-3馬氏體轉(zhuǎn)變的切變模型一、Bain模型將面心立方點(diǎn)陣看作體心正方點(diǎn)陣-軸比c/a=1.41Z軸收縮X、Y伸長M：c/a=1.001.08優(yōu)點(diǎn)：解釋了AM時，原子作最小距離的簡單移動；取向關(guān)系確定。缺點(diǎn)：不能解釋表面浮凸效應(yīng)和慣習(xí)面的存在二、K-S模型過程：在111）面上沿112方向第一次切變，切變角1144在211）面上沿011方向第二次切變，12010928線性調(diào)整-膨脹或收縮使晶面間距和測得的相符合優(yōu)點(diǎn)： 清晰展示

11、了切變過程； 很好反映了晶體學(xué)取向關(guān)系缺點(diǎn)： 慣習(xí)面的問題；表面浮凸與實(shí)測結(jié)果相差較大三、G-T模型在接近259晶面上發(fā)生第一次切變，產(chǎn)生整體宏觀變形，表面出現(xiàn)浮凸均勻切變，確定慣習(xí)面；在112）晶面的11-1 方向上發(fā)生1213的第二次切變體心正方點(diǎn)陣宏觀不均勻切變；微小調(diào)整，使晶面間距符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)點(diǎn)：可解釋浮凸效應(yīng)、慣習(xí)面、取向關(guān)系和亞結(jié)構(gòu)變化缺點(diǎn)：不能解釋c1.4%的取向關(guān)系四、K-N-V模型全位錯分解形成滑移型不全位錯+堆垛層錯鉻鎳不銹鋼、高錳鋼和Fe-Ni-Mn合金：Afcc)中間相 M體心正方）層錯作為M二維核胚，即 取向關(guān)系111）/（0001）/（011）； 10-1 /11

12、-20 /1-115-4 馬氏體的組織形態(tài)一、馬氏體的形態(tài)1.板條狀馬氏體：低中碳鋼、M時效鋼、不銹鋼、Fe-Ni合金1光鏡分析：群集狀M、位錯M束、塊、板條-板條M的組織單元束：指慣習(xí)面晶面指數(shù)相同而在形態(tài)上呈現(xiàn)平行排列的板條集團(tuán)。大角度晶界塊：指慣習(xí)面晶面指數(shù)相同與母相取向相同的板條集團(tuán)。大角度晶界 60 并非所有M束中都有“塊存在板條長：25m 寬：0.10.2m2晶體學(xué)關(guān)系：K-S關(guān)系 慣習(xí)面111束只可能有四種取向3亞結(jié)構(gòu)：高密度位錯 0.30.91012-2切變以滑移方式進(jìn)行4殘余奧氏體：薄膜狀 厚：100200埃斷裂韌性形成原因:機(jī)械穩(wěn)定化；碳原子擴(kuò)散使得奧氏體中碳濃度升高2.片

13、狀馬氏體：中高碳合金鋼、Fe-Ni（29%）光鏡下：針竹葉狀立體形態(tài)：雙凸透鏡片狀特征：1首先形成的M晶粒貫穿整個A晶粒，尺寸較大較厚，后形成的M多取向分布尺寸，大小不均勻-取決于A晶粒的大小（結(jié)構(gòu)鋼） 第二相質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量和大小工具鋼）；母相的晶體缺陷密度 隱晶馬氏體2慣習(xí)面與取向關(guān)系 形成溫度高 225 K-S關(guān)系 形成溫度低 259 西山關(guān)系3中脊片狀M中間一條明顯的筋厚度：0.51 m c1.4% 明顯 相當(dāng)于慣習(xí)面？4M的片之間總有殘余奧氏體的存在相變的不完全性5亞結(jié)構(gòu): 孿晶+少量位錯 孿晶M孿晶面：112 孿晶方向：111 孿晶中脊面附近的中央地帶孿晶區(qū)間距：50100埃Ms點(diǎn)高,則

14、孿晶區(qū)范圍縮小位錯片的邊沿地帶非孿晶區(qū)） 高密度位錯小結(jié)：比較片狀M和板條M的區(qū)別3.其它形態(tài)的馬氏體1混合馬氏體2蝶狀馬氏體Fe-Ni合金或Fe-Ni-C立體形態(tài)：細(xì)長桿狀斷面：蝴蝶形兩翼結(jié)合部分像片M的中脊，向兩側(cè)長成取向不同孿晶的兩片M亞結(jié)構(gòu)：高密度位錯，未發(fā)現(xiàn)孿晶 符合K-S關(guān)系c0.3% 板條M0.3%c1% 板條M+片Mc1% 片M 3薄片狀馬氏體：Ms點(diǎn)極低的Ni鋼立體形狀：薄片狀金相：細(xì)帶狀，相互交叉、分枝、曲折亞結(jié)構(gòu)：由112孿晶組成，但無中脊慣習(xí)面：259 符合K-S關(guān)系4）馬氏體:Cr-NiMn不銹鋼、高錳鋼密排六方結(jié)構(gòu)立體形態(tài)：極薄片狀 厚10003000埃亞結(jié)構(gòu)：大量

15、層錯 層錯能低易形成取向關(guān)系：111/1000；110/1120 慣習(xí)面：111二、影響M形態(tài)和內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的因素1.馬氏體形成溫度碳鋼：cMs、殘余奧氏體量 c0.3% 板條MMs下較高溫區(qū)0.3 % c 1 % 板條M+片M c1% 片狀MMs下較低溫區(qū) 縮小相區(qū)板條M 擴(kuò)大相區(qū)隨Me，板條M片M改變A化溫度不同Ms點(diǎn)結(jié)果：隨Ms ，M形態(tài)由蝶狀片狀薄片狀片狀M：隨形成溫度相變孿晶區(qū)變大2.奧氏體的層錯能層錯能低利滑移產(chǎn)生位錯板條M層錯能高不利滑移產(chǎn)生孿晶片M合金元素證明：18-8型鋼不銹鋼，其A層錯能較低，在液氮中淬火板條MFe-33Ni合金，層錯能高，淬火后其孿晶區(qū)擴(kuò)大3.A和M的強(qiáng)度M

16、s點(diǎn)處 s206MPa 低111 板條M 高225 片M s206MPa 259 片M4.M滑移和孿生變形的臨界分切應(yīng)力大小Ms以下 較高溫度：滑移的臨界分切應(yīng)力較低位錯M 較低溫度：孿生的臨界分切應(yīng)力較低孿晶M1低碳鋼： c0.3% 形成溫度在MsMf范圍偏高 那么滑 孿只能滑移板條M2高碳鋼： c1% 形成溫度在MsMf范圍偏低 那么滑孿只能孿生片M3中碳鋼：形成溫度在MsMf范圍適中 兩種傾向混合M5-5馬氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)一、馬氏體轉(zhuǎn)變的形核1.熱形核說出發(fā)點(diǎn)：把M轉(zhuǎn)變看作單元素的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，形核功（W和核胚長大激活能U決定形核率形核功來源于熱起伏，核胚的長大靠原子一個個地從母相轉(zhuǎn)入新

17、相實(shí)現(xiàn)。2.缺陷形核說形核位置結(jié)構(gòu)不均勻區(qū)域晶體缺陷、內(nèi)表面、形變區(qū)）缺點(diǎn)：只能說明形核的不均勻性，不能解釋變溫瞬時形核。3. 核胚凍結(jié)理論基本觀點(diǎn)：在A中已經(jīng)預(yù)先存在具有M結(jié)構(gòu)的微區(qū)-存在于與各種晶體缺陷有關(guān)的位置。微區(qū)隨T而被凍結(jié)到低溫，在沒有成為可以長大成M的晶核以前稱為核胚。T，則rk。冷卻時：核胚尺寸該溫度下臨界晶核尺寸，則成為晶核并長大當(dāng)大于臨界尺寸的核胚消耗光時，轉(zhuǎn)變停止，進(jìn)一步降低T才能使更小的核胚成為晶核-解釋了變溫瞬時形核等溫過程中，小于臨界尺寸的核胚有可能通過熱激活而使尺寸長大到臨界晶核尺寸-等溫形核的解釋4.自促發(fā)形核先生成的M使其周圍A協(xié)作變形而產(chǎn)生位錯促成M核胚形成

18、二、馬氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)的類型1.變溫降溫轉(zhuǎn)變M轉(zhuǎn)變在連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行M轉(zhuǎn)變量決定于Ms點(diǎn)以下的過冷度，與等溫停留時間無關(guān)。非熱學(xué)性轉(zhuǎn)變長大速度極快相變驅(qū)動力較大，加之相變的共格性和原子的近程遷移長大激活能較小M轉(zhuǎn)變量的增加是依靠降溫過程中新的M片的不斷形成，而不是依靠已有M片的繼續(xù)長大 10-410-7S動力學(xué)特點(diǎn)：變溫形成、瞬間形核無孕育期和高速長大長到極限尺寸）動力學(xué)曲線：體積分?jǐn)?shù)f f 0.075 ，f上升慢0.075 f0.5 T，f上升快f0.5： T，f增加減慢2.等溫轉(zhuǎn)變Fe-Ni-Mn、Fe-Ni-Cr、1.1C-5.2Mn動力學(xué)曲線：具有孕育期；等溫時間增加M轉(zhuǎn)變量；隨轉(zhuǎn)變溫

19、度轉(zhuǎn)變速率、孕育期但達(dá)到某一轉(zhuǎn)變溫度，v 、孕育期特點(diǎn)：等溫形核、瞬時轉(zhuǎn)變熱學(xué)性轉(zhuǎn)變通過熱激活過程形核）；M的等溫轉(zhuǎn)變具有不完全性；原因：熱穩(wěn)定-G=0；機(jī)械穩(wěn)定M轉(zhuǎn)變的體積變化引起未轉(zhuǎn)變A的變形，從而使未轉(zhuǎn)變AM轉(zhuǎn)變時切變阻力具有等溫+變溫轉(zhuǎn)變的合金：GCr15、W18Cr4V-以變溫為主，一定條件下出現(xiàn)等溫轉(zhuǎn)變3.爆發(fā)式轉(zhuǎn)變：Fe-Ni、Fe-Ni-C Ms0現(xiàn)象：爆發(fā)相變點(diǎn)MB（ Ms）瞬時形成，伴有響聲并釋放大量相變潛熱慣習(xí)面：259 有中脊 呈“Z字形排列尖端具有高應(yīng)力場特點(diǎn)：自促發(fā)形核、爆發(fā)式轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線:直線表示爆發(fā)式轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變后隨溫度降低，又呈現(xiàn)正常的變溫轉(zhuǎn)變；隨鎳含量增加，

20、M的爆發(fā)轉(zhuǎn)變量先增后減。影響因素： M的爆發(fā)量與MB的高低有關(guān)；M的爆發(fā)量與A晶粒大小有關(guān)。4.表面轉(zhuǎn)變：Fe-30Ni、Fe-Ni-C只產(chǎn)生于表層的馬氏體-表面馬氏體特點(diǎn)：等溫條件下形成，形核需孕育期；長大速度慢110-2/s），深度0.3ms2030m;條狀，慣習(xí)面112或111 符合西山關(guān)系；形成原因：自由表面不受壓力Ms），內(nèi)部三向壓力Ms）5-6 5-6 馬氏體的性能馬氏體的性能一、馬氏體的強(qiáng)度和硬度1.硬度：主要決定于含碳量，合金元素的影響較小cHRC c0.4% 顯著提高 c0.4% 提高不顯著 AC1 淬火 c0.6% HRC不再增加出現(xiàn)ARAC3 淬火 c0.6% HRC降低

21、 AR大量增加2.強(qiáng)度:cs c0.4% s不再增加 強(qiáng)硬化機(jī)制:1.過飽和碳引起的強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化過飽和碳-間隙固溶體-點(diǎn)陣畸變應(yīng)力場與位錯交互作用）-碳釘扎位錯M強(qiáng)化 c0.4%-碳原子靠近應(yīng)力場相互抵消強(qiáng)化效果合金元素：置換固溶體強(qiáng)化效果小2.馬氏體中亞結(jié)構(gòu)引起的強(qiáng)化c0.3%-板條M位錯碳釘扎位錯引起固溶強(qiáng)化c0.3%-片狀M孿晶阻礙位錯運(yùn)動附加強(qiáng)化3.馬氏體的時效強(qiáng)化淬火、淬火后室溫停留、外力作用自回火碳原子發(fā)生偏聚或碳化物彌散析出M晶體內(nèi)顯微結(jié)構(gòu)不均勻時效強(qiáng)化 c時效強(qiáng)化顯著小結(jié)：低碳M：固溶強(qiáng)化+時效強(qiáng)化； c，除固溶強(qiáng)化，亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化作用原A晶粒和M束尺寸越細(xì)，sM的硬、強(qiáng)度主要受

22、c和亞結(jié)構(gòu)控制問題：A和M含碳量相同，為什么固溶于A的碳原子強(qiáng)化效果不大，而固溶于M的碳原子強(qiáng)化效果顯著？二、馬氏體的塑性和韌性1.c0.3% M的塑韌性高位錯型亞結(jié)構(gòu) 滑移系多；板條M平行生長，互不撞擊，不產(chǎn)生裂紋； AR薄膜包圍板條M周圍2. c0.3% cM的塑韌性 孿晶滑移系少只有孿晶面及孿晶方向一致的滑移系才能在塑變中起作用，滑移系減少塑變難以進(jìn)行）；片M成長時，相互撞擊顯微裂紋；C原子偏聚在孿晶界上脆性3.顯微裂紋1)產(chǎn)生原因撞擊機(jī)理 只在片M中產(chǎn)生M的長大速度極快引起片M相互撞擊M的脆性大，且片M不能作相應(yīng)的塑變來消除應(yīng)力應(yīng)力-產(chǎn)生裂紋 類型：穿針型、邊界型2影響顯微裂紋的因素裂

23、紋敏感度：單位體積中的裂紋面積 SV碳含量的影響： c1.4% 225 cSVc1.4% 259 cM形態(tài)改變厚而短）M尺寸-撞擊幾率- SV奧氏體晶粒大小的影響:A晶粒 SV；奧氏體化溫度 SV淬火冷卻溫度：T越低 AR減少M(fèi)量 SVM轉(zhuǎn)變量的影響：f SV，當(dāng)f27%，SV不再隨f增大3控制措施使奧氏體化溫度降低-晶粒小，M中含碳量少；等溫淬火-下貝氏體；淬火后立即回火，以利于裂紋的焊合。4M的斷裂機(jī)制高碳片狀M:裂紋源是M內(nèi)的顯微裂紋低碳板條M:小應(yīng)力變形自我吸收；大應(yīng)力沿M束的橫截面擴(kuò)展 100小結(jié)：塑韌性主要決定于亞結(jié)構(gòu)的類型孿晶塑韌性Ms孿晶塑韌性；AR的存在提高斷裂韌性和疲勞壽命

24、。三、馬氏體的相變誘發(fā)塑性合金在M轉(zhuǎn)變過程中塑性有所增加產(chǎn)生原因：應(yīng)變誘發(fā)M加工硬化率形變困難，阻礙頸縮-提高均勻形變的塑性；應(yīng)力集中處產(chǎn)生應(yīng)變誘發(fā)M，比容比母相大應(yīng)力松弛防止裂紋產(chǎn)生應(yīng)用：變塑鋼 Md20Ms四、馬氏體彈性模量E金屬間原子結(jié)合力的大小M中固溶碳量晶格畸變Fe原子間結(jié)合力 E 回火后，過飽和碳脫溶析出E恢復(fù) 五、馬氏體的其它性能1.比容：單位質(zhì)量物質(zhì)的體積密度的倒數(shù)MPA c比容差淬火前后體積變化組織應(yīng)力變形開裂傾向2.磁性： c磁飽和強(qiáng)度 M內(nèi)應(yīng)力高磁矯頑力高3.電阻：c電阻一、奧氏體的穩(wěn)定化現(xiàn)象1.定義：由于外界條件的變化而引起AM呈遲滯現(xiàn)象。2.分類：熱穩(wěn)定化等溫停留或冷

25、卻緩慢 機(jī)械穩(wěn)定化形變3.現(xiàn)象：AR%、M%4.特點(diǎn)：HRC、耐磨性-對高碳鋼、滲碳鋼危害大；易變形開裂：體積變化、 AR不穩(wěn)定; 可降低低溫鋼的脆性；可降低回火脆性； 可提高軸承鋼的接觸疲勞強(qiáng)度；斷裂韌性二、奧氏體的熱穩(wěn)定化1.定義：鋼在淬火冷卻過程中由于冷卻緩慢或中途停留而引起A向M轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。5-7 奧氏體的穩(wěn)定化奧氏體的穩(wěn)定化Ms點(diǎn)上下等溫停留、塑性變形、M使相鄰A協(xié)作變形Ms、繼續(xù)轉(zhuǎn)變溫度、AR量2.影響因素1等溫停留時間：t滯后溫度值、M總量奧氏體穩(wěn)定化的度量指標(biāo)：滯后溫度值；AR%增值 、穩(wěn)定化程度2停留溫度：T穩(wěn)定化程度到達(dá)某一溫度，穩(wěn)定化-反穩(wěn)定化3化學(xué)成分： cA穩(wěn)定

26、化程度4冷卻速度：V AR%-穩(wěn)定化水平3.形成原因原子熱運(yùn)動規(guī)律）C、N原子與位錯相互作用釘扎位錯柯氏氣團(tuán)）-A得到強(qiáng)化切變阻力T高：原子熱運(yùn)動 柯氏氣團(tuán)量 熱穩(wěn)定化；T低：原子熱運(yùn)動 柯氏氣團(tuán)量 熱穩(wěn)定化；T過高：原子擴(kuò)散能力 原子脫離位錯逸去破壞柯氏氣團(tuán)穩(wěn)定化三、奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化1.定義：Md 塑變 抑制隨后冷卻時的M轉(zhuǎn)變Ms2.特點(diǎn)：少量塑變-促進(jìn)M轉(zhuǎn)變；大量塑變-抑制M轉(zhuǎn)變 形變溫度-對A穩(wěn)定性影響3.形成原因形變在母相中造成了不同的缺陷組態(tài)少量塑變A中層錯、在晶界和孿晶界處因形成位錯網(wǎng)絡(luò)和胞狀結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)更多的應(yīng)力集中部位M形核率；大量塑變 出現(xiàn)大量高密度位錯、亞晶界母相強(qiáng)化切變阻

27、力 M形成周圍A協(xié)作變形、體積膨脹A受壓4.熱穩(wěn)定+機(jī)械穩(wěn)定化Ms點(diǎn)以下）：停留溫度熱穩(wěn)定、機(jī)械穩(wěn)定四、應(yīng)用1.為減少淬火變形而有意保持一定的AR分級淬火；等溫淬火；A化溫度溶入較多碳化物Ms2.為了保證工件有較高的硬度和耐磨性，而盡量減少AR冷卻較快的普通淬火形狀簡單工件；Ms點(diǎn)附近短時停留分級淬火；淬火后立即冷處理；淬火+回火AR發(fā)生反穩(wěn)定化3.為了保證工件尺寸的穩(wěn)定性和鋼的強(qiáng)韌性而提高AR的穩(wěn)定性淬火+冷處理+回火+時效5-85-8熱彈性馬氏體與形狀記憶效應(yīng)熱彈性馬氏體與形狀記憶效應(yīng)一、熱彈性馬氏體1.定義:具有隨溫度升降引起M片的消長這種特性的馬氏體。2.形成條件：維持共格界面M與A的

28、比容差小使界面上的應(yīng)變減小處于彈性范圍；母相具有有序點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)規(guī)律性強(qiáng)、對稱性低）-利于正、逆轉(zhuǎn)變母相與馬氏體維持原有不變的晶體學(xué)取向關(guān)系轉(zhuǎn)變的完全可逆性二、熱彈性馬氏體的偽彈性行為由應(yīng)力變化引起的非線性彈性行為偽彈性、超彈性致變因素：應(yīng)力 應(yīng)力馬氏體片長大 應(yīng)力馬氏體片減小三、形狀記憶效應(yīng)三、形狀記憶效應(yīng) 1. 阿波羅飛船登月所用天線奧秘所在阿波羅飛船登月所用天線奧秘所在? 2. 什么是形狀記憶效應(yīng)？什么是形狀記憶效應(yīng)？ 3. 形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì) 4. 形狀記憶合金材料的發(fā)展形狀記憶合金材料的發(fā)展 5. 形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例1. 阿波羅飛船登月所用天線

29、奧秘所在阿波羅飛船登月所用天線奧秘所在那是1969年7月2 0日，乘坐“阿波羅11號登月宇宙飛船的美國宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下的第一個人類的腳印，這位勇士從月球傳回的富有哲理的聲音：“對一個人來說，這僅僅是一小步；但對整個人類來說，這是跨了一大步.。”宇航員的形象和聲音是如何從月球返回來的呢？細(xì)心的觀眾也許會發(fā)現(xiàn)，宇航員登月后，安裝在飛船上的一小團(tuán)天線，在陽光照射下迅速展開，伸展成半球狀，開始了自己的工作。月、地之間的信息就是通過它傳輸過來的。不過，人們?nèi)栽诩{悶：這種天線是宇航員發(fā)出指令，還是什么自動化儀器使它展開的呢？其實(shí)，都不是。原來，奧秘就在于：這個半球形天線是用當(dāng)時剛剛發(fā)明不久的形

30、狀記憶合金制成的。用極薄的形狀記億合金Ni-Ti合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求作成半球狀天線直徑大達(dá)數(shù)米），然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月宇宙飛船帶上天去。當(dāng)?shù)竭_(dá)月球后，在陽光照射下溫度升高至一定溫度時，天線又“記憶起了自己的本來面貌，故而恢復(fù)成一個半球狀天線如圖2.1所示）。圖1 用Ni-Ti形狀記憶合金制成的通訊衛(wèi)星天線略圖 Mf馬氏體轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)；As馬氏體向原始相轉(zhuǎn)變的開始溫度；Af馬氏體向原始相逆轉(zhuǎn)變的終了溫度； 2. 什么是形狀記憶效應(yīng)？什么是形狀記憶效應(yīng)？多少年來，人們一直認(rèn)為，只有人和某些動物才有“記憶功能，非生物是不能有這種功能的?？墒牵绹茖W(xué)家在20世紀(jì)50年代偶然發(fā)

31、現(xiàn)，某些金屬合金也具有一種所謂“形狀記憶的功能。它們能在某一溫度下成型為一種形狀，而在另一溫度下則又變回到原始的形狀。這種奇特的“形狀記憶功能可以保持相當(dāng)長的時間，并且重復(fù)千萬次都準(zhǔn)確無誤。那么，什么是形狀記憶效應(yīng)呢？它是指具有一定形狀的固體材料，在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后，加熱到一定溫度時，材料又完全恢復(fù)到變形前原來形狀的現(xiàn)象。即它能記憶母相的形狀。具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料即稱為形狀記憶合金。為什么形狀記憶合金不“忘記自己的“原形呢？原來，這些合金都有一個特殊的轉(zhuǎn)變溫度。在轉(zhuǎn)變溫度之上，它具有一種組織結(jié)構(gòu)；而在轉(zhuǎn)變溫度之下，它又具有另一種組織結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)不同、性能各異，不同溫度下的組織

32、結(jié)構(gòu)促使大批原子協(xié)調(diào)運(yùn)動，使合金具有記憶待性。上面提到的美國登月宇宙飛船上的自展天線，就是用鎳鈦形狀記憶合金做成的。這種合金在轉(zhuǎn)變溫度以上時，堅(jiān)硬結(jié)實(shí)，強(qiáng)度很高，敲起來鏗鏘作響；而低于轉(zhuǎn)變溫度時，它卻十分柔軟，易于冷加工?？茖W(xué)家先把這種合金做成所需要的大半球形展開天線，然后冷卻到一定溫度下，使它變軟，再施加外力，把它彎曲折疊成一個小球，使之在登月飛船上只占很小的空間。登上月球后，利用陽光照射的溫度，使天線重新張開，恢復(fù)成原來大半球的形狀。 (a) 原始形狀 (b) 拉 直 (c) 加熱后恢復(fù)形狀記憶效應(yīng)簡易演示實(shí)驗(yàn) （a記憶合金 （b馬 達(dá) （c螞 蟻 （d） 人 形狀記憶合金形狀是名副其實(shí)的

33、大力士 （a智能水溫調(diào)節(jié)器b移動電話天線c牙 刷形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例形狀記憶合金眼鏡架 形狀記憶鉚釘?shù)墓ぷ鬟^程形狀記憶鉚釘?shù)墓ぷ鬟^程現(xiàn)以圖2.2中的一個鉚釘為實(shí)例，進(jìn)一步說明形狀記憶效應(yīng)。這個鉚釘是用形狀記憶合金制作的，首先在較高的溫度下TMs把鉚釘做成鉚接以后的形狀，然后把它降溫至Mf以下的溫度，并在此溫度下把鉚釘?shù)膬赡_扳直產(chǎn)生形變），然后順利地插入鉚釘孔，最后把溫度回升至工作溫度TAf），這時，鉚釘會自動地恢復(fù)到第一種形狀，即完成鉚接的程序。顯然這個鉚釘可以用于手和工具無法直接去操作的場合。（a成型成型TMs）；）； （b扳直兩腳扳直兩腳TMf）；）； （c插入插入TAs）；）； （d加

34、熱加熱TAf）圖圖2 形狀記憶鉚釘?shù)墓ぷ鬟^程形狀記憶鉚釘?shù)墓ぷ鬟^程形狀記憶效應(yīng)的類型形狀記憶效應(yīng)的類型形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：單程形狀記憶效應(yīng)、雙程形狀記憶效應(yīng)和全程形狀記憶效應(yīng)。圖2.3表示3種不同類型形狀記憶效應(yīng)的對照。所謂單程形狀記憶效應(yīng)就是材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復(fù)低溫相時的形狀。若加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象稱為雙程形狀記憶效應(yīng)。當(dāng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象稱為全程形狀記憶效應(yīng)。它是一種特殊的雙程形狀記

35、憶效應(yīng)，只能在富Ni 的Ti-Ni合金中出現(xiàn)。 3. 形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)形狀記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì)：變形所引起的組織上的變化因可逆轉(zhuǎn)變而完全消除。實(shí)質(zhì)：變形所引起的組織上的變化因可逆轉(zhuǎn)變而完全消除。條件條件: :必須具有熱彈性必須具有熱彈性M M轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變MM轉(zhuǎn)變的熱彈性行為；轉(zhuǎn)變的熱彈性行為；亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e亞結(jié)構(gòu)是孿晶或?qū)渝e形成擇優(yōu)取向的偽單晶；形成擇優(yōu)取向的偽單晶；母相具有有序化結(jié)構(gòu)母相具有有序化結(jié)構(gòu)逆轉(zhuǎn)變時逆轉(zhuǎn)變時M M與與A A保持特定取向關(guān)系保持特定取向關(guān)系圖圖4 形狀形狀記憶記憶過程過程中晶中晶體結(jié)體結(jié)構(gòu)變構(gòu)變化的化的示意示意圖圖 某些具有熱彈性馬氏某些具有熱彈性馬氏體相變的材料，當(dāng)

36、溫體相變的材料，當(dāng)溫度低于馬氏體相變的度低于馬氏體相變的Mf 點(diǎn)時，變成在低點(diǎn)時，變成在低溫下穩(wěn)定的馬氏體相溫下穩(wěn)定的馬氏體相；這些馬氏體相由晶；這些馬氏體相由晶體結(jié)構(gòu)相同、結(jié)晶方體結(jié)構(gòu)相同、結(jié)晶方向不同的孿晶體構(gòu)成向不同的孿晶體構(gòu)成，這些孿晶界面受很，這些孿晶界面受很小的力即可移動。小的力即可移動。 在外力作用下進(jìn)行在外力作用下進(jìn)行一定程度的變形后一定程度的變形后，孿晶結(jié)構(gòu)生長成，孿晶結(jié)構(gòu)生長成處于外力擇優(yōu)位向處于外力擇優(yōu)位向的同系晶體，而產(chǎn)的同系晶體，而產(chǎn)生了高達(dá)百分之幾生了高達(dá)百分之幾、甚至、甚至20%的剪切的剪切變形量。變形量。 若隨后將這種變形馬氏若隨后將這種變形馬氏體加熱至超過馬氏

37、體逆體加熱至超過馬氏體逆轉(zhuǎn)變成奧氏體時的相變轉(zhuǎn)變成奧氏體時的相變終了溫度終了溫度Af 時，馬氏體時，馬氏體相反過來又變?yōu)槟赶?。相反過來又變?yōu)槟赶唷＿@種形狀變化，也可發(fā)這種形狀變化，也可發(fā)生在馬氏體相變溫度以生在馬氏體相變溫度以上。經(jīng)過變形誘發(fā)的擇上。經(jīng)過變形誘發(fā)的擇優(yōu)位向馬氏體晶體相能優(yōu)位向馬氏體晶體相能量不穩(wěn)定，當(dāng)外力除去，量不穩(wěn)定，當(dāng)外力除去，便可反過來變成馬氏體，便可反過來變成馬氏體，而恢復(fù)原來形狀。而恢復(fù)原來形狀。 4. 形狀記憶合金材料的發(fā)展形狀記憶合金材料的發(fā)展形狀記憶合金材料目前已有20余種。大致可分為兩類：一類是以過渡族金屬為基的合金，另一類是貴金屬的相合金。但最引人注目的是N

38、i-Ti基合金、Cu-Zn-Al合金、Fe-Mn-Si合金和Cu-Al-Ni合金等。表2.1 具有形狀記憶的合金系 Ni-Ti基合金 其原子比為1 1，具有高的耐熱性、耐蝕性，高的強(qiáng)度，以及其它材料無可比擬的耐熱疲勞性與良好的生物相容性。但存在原材料價格昂貴，制造工藝?yán)щy，切削加工性不良等不足。近年來發(fā)展了一系列性能得到提高的材料，在Ni-Ti合金中加入其它元素，開發(fā)了Ni-Ti-Cu、Ni-Ti-Nb、Ni-Ti-Cr、Ni-Ti-Fe等系列合金。需特別指出的是研究人員在Ni-Ti合金中添加微量的Fe或Cr，可使記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度降到-100，適合在低溫下工作。 Cu基合金 價格便宜，原料來

39、源充足，生產(chǎn)過程簡單，良好的形狀記憶效應(yīng)，電阻率小，導(dǎo)熱性好，加工成形性能好。但長期或反復(fù)使用時，形狀恢復(fù)率會減小，是尚需探索解決的問題。開發(fā)的Cu-Zn-Al和Cu-Ni-Al合金可在很寬的-100300范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 鐵基合金 具有強(qiáng)度高，塑性好，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸受到人們的重視并獲得開發(fā)。如Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Ni-Ti、Fe-Mn-Si、Fe-Mn-Si-Cr等。從價格上看，鐵系形狀記憶合金比Ni-Ti系和Cu系低得多，易于加工，強(qiáng)度高，剛性好，所以是很有競爭力的新合金系。5. 形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例形狀記憶合金的應(yīng)用實(shí)例從外觀上看，形狀記憶合金不但能受熱膨脹、伸長，

40、也可以受熱收縮和彎曲，這主要取決于它的原始形狀。利用這一特性，形狀記憶合金在航天、機(jī)械、電子儀器和醫(yī)療器械上有著廣泛的用途。 (1) 形狀記憶熱發(fā)動機(jī) (2) 用于機(jī)械、電子方面 (3) 用于醫(yī)療器械方面 (1) 形狀記憶熱發(fā)動機(jī)記憶合金在受熱恢復(fù)原來形狀時，還會產(chǎn)生很大的力量，可以利用這個力量來做功。用它制造的發(fā)動機(jī)不要汽缸和活塞，而是使記憶合金在反復(fù)受熱、冷卻過程中，一會兒變形一會兒又恢復(fù)原狀，利用所產(chǎn)生的這股力量便可作功。因而，用形狀記憶合金制造新型熱發(fā)動機(jī)則是有著誘人的前景。這種熱機(jī)是利用黃銅的形狀記憶特性，它在形變時能夠產(chǎn)生足夠的力來做功。這種作功的本領(lǐng)就意味著形狀記憶合金有可能把溫

41、差轉(zhuǎn)變成一種新型能源，第一臺形狀記憶熱發(fā)動機(jī)，在美國于1968年取得了專利權(quán)，目前，這種熱發(fā)動機(jī)又有了新的發(fā)展。這種發(fā)動機(jī)可以利用太陽能或其他熱源改變其葉片形狀而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使曲軸轉(zhuǎn)動而做功。英國已有廠家制造出了黃銅熱發(fā)電機(jī)。盡管這種裝置的熱能利用率在理論上來說比較低，只有4%5%，但是對人們?nèi)杂泻艽笪Γ驗(yàn)樗恍鑾锥鹊臏夭罹涂梢怨ぷ?。有人建議利用這種裝置來回收和利用發(fā)電廠及其他工業(yè)煙囪排出的廢熱。如圖5所示，系1973年美國試制成第一臺利用海水溫差發(fā)電熱機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。它是利用高溫、低溫時發(fā)生相變產(chǎn)生形狀的改變，并伴隨極大的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能熱能之間的相互轉(zhuǎn)換。其裝置是一個水平放置的輪子

42、，輪輻是偏心結(jié)構(gòu)，每個輪輻上掛有用Ti-Ni合金制成的U形環(huán)，輪子下的水槽制成兩個半圓，分別裝入冷熱水。當(dāng)U型環(huán)進(jìn)入熱水槽時，就突然伸直，產(chǎn)生彈力。這種彈力有一部分沿輪子的切線作用，推動輪子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)輪輻轉(zhuǎn)入冷水槽內(nèi)時，伸直的合金絲又恢復(fù)彎曲形狀。盡管這種熱機(jī)只產(chǎn)生了0.5W的功率至1983年功率已達(dá)20W），但發(fā)展前景十分誘人，可利用這種裝置實(shí)現(xiàn)利用海水溫差發(fā)電的夢想。(2) 用于機(jī)械、電子方面用于機(jī)械、電子方面記憶合金可用于熱敏裝置如火災(zāi)警報器、安全裝置，固緊銷、管件的接頭、密封墊等機(jī)械器具，還可用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。例如，圖6所示系用記憶合金管接頭連接兩根管子

43、的示意圖。首次于60年代被用于海軍飛機(jī)液壓系統(tǒng)的接頭，并取得成功。當(dāng)時由于使用普通的管接頭熱脹冷縮，容易引起泄漏，造成飛行事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全部飛行事故中有1/3是由于液壓系統(tǒng)接頭泄漏而引起的。首先在Af溫度以上使記憶合金管接頭的內(nèi)徑比它所要連接的管子的外徑略小一點(diǎn)，進(jìn)行管路連接時先將記憶合金管接頭冷卻到Mf以下的低溫，使之轉(zhuǎn)變成馬氏體。此時管接頭在較低的應(yīng)力下即能變形，可以用專用的工具對管接頭進(jìn)行擴(kuò)徑，使其內(nèi)徑略大于將要被連接的管子。然后即可將要連接的管子插入被擴(kuò)徑的接頭中，隨即將之加熱到Af以上。由于形狀記憶效應(yīng)，在加熱到Af以上的過程中管接頭的內(nèi)徑恢復(fù)原來的尺寸，從而將管子緊緊地箍住，完成了管子的連接。由于在Af以上形狀記憶合金變形所對應(yīng)的應(yīng)力很大，所以形狀記憶合金管接頭的連接很嚴(yán)密、牢靠。這