第5章馬氏體相變.ppt

1、第5章 馬氏體相變,主要內(nèi)容：馬氏體相變的主要特征； 馬氏體的組織結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能； 馬氏體相變的熱力學(xué)、動力學(xué)； 影響Ms點(diǎn)的因素.,前 言,馬氏體（M, Martensite）相變特點(diǎn)： 相變過程中，晶體點(diǎn)陣的重組是通過基體原子的集體有規(guī)律近程遷移切變，由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)，而沒有原子長距離的遷移，且新相與母相保持共格關(guān)系。 鋼中M相變：鋼經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，抑制其擴(kuò)散型分解，在較低溫度下發(fā)生的無擴(kuò)散型相變。 在純金屬（Zr,Li,Co），合金（Fe-Ni,Ni-Ti,Cu-Zn）,陶瓷（ZrO2）中也有M轉(zhuǎn)變。,鋼中馬氏體：C原子在-Fe中形成的過飽和固溶體。 馬氏體：凡

2、相變的基本特性屬于馬氏體型的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物都稱為馬氏體。 形成條件：淬火。 淬火：將鋼加熱到Ac3 或Ac1以上，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體的熱處理工藝。 馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速度：抑制所有非馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度。 馬氏體的力學(xué)性能：高硬度、高強(qiáng)度。,C0.3%時(shí)為板條狀馬氏體； C在0.3%1.0%時(shí)為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。,20鋼淬火,C1.0%時(shí)為片狀馬氏體；,T12鋼淬火,45鋼淬火,5.1 馬氏體相變的主要特征,一、切變共格和表面浮突現(xiàn)象 M相變過程中，在被拋光的試樣表面上出現(xiàn)傾動或表面浮凸，說明M相變是通過奧氏體均勻切變方式進(jìn)行的，M和A

3、之間的界面稱為切變共格界面。,結(jié) 論： M相變是通過原子的協(xié)調(diào)運(yùn)動使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的相變。 馬氏體形成是以切變方式實(shí)現(xiàn)的，馬氏體和奧氏體之間界面上的原子是共有的，整個(gè)界面是互相牽制的，且是以母相切變來維持共格的。 表面浮凸：由相變過程中均勻應(yīng)變而導(dǎo)致的形狀改變，是切變位移的特征。 相界面：在相變中未發(fā)生轉(zhuǎn)動，將此不應(yīng)變平面稱之為M相變的慣習(xí)面(habit plan)，說明M相的產(chǎn)生是通過母相的切變而獲得的。 亞結(jié)構(gòu)：位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等，是M相變時(shí)局部切變的產(chǎn)物。,二、馬氏體相變的無擴(kuò)散性,在較低溫度下，碳原子和合金元素的原子擴(kuò)散已很困難，馬氏體相變是在原子基本不發(fā)生擴(kuò)散的情況下發(fā)生的，原子之

4、間的相對位移不超過一個(gè)原子間距。無擴(kuò)散型相變 所有參與轉(zhuǎn)變的原子的運(yùn)動是協(xié)調(diào)一致的，原有原子的鄰居關(guān)系不被破壞。 結(jié)構(gòu)：晶體點(diǎn)陣發(fā)生改組。 條件：低溫下，原子已不能擴(kuò)散。 特點(diǎn)：新相和母相的化學(xué)成分相同；新相和母相間有一定的晶體學(xué)位相關(guān)系。,馬氏體相變無擴(kuò)散的原因：,C原子在-Fe中形成的過飽和固溶體，體心正方結(jié)構(gòu)，正方度隨碳含量增加而線性增大。 Fe-C合金中，A和M中碳原子相對鐵原子的間隙位置沒變。 Fe-C合金中，在-20 -195C之間，每片M的形成時(shí)間約為：0.5510-7s。 轉(zhuǎn)變結(jié)果：降低了系統(tǒng)能量，形成低溫亞穩(wěn)定相。 形成條件：冷卻速度大到能避免擴(kuò)散型相變，所有金屬及合金的高溫

5、相均可發(fā)生M相變。,馬氏體相變時(shí)，新相和母相界面始終保持著切變共格，相變后兩相之間的位向關(guān)系仍然保持； KS關(guān)系：1.4%C鋼中馬氏體和奧氏體之間的位向關(guān)系，111/110， 110/111 可見：M在A中可能有24種不同的取向。 西山關(guān)系： 111/110， 112/110,三、有一定的位向關(guān)系和慣習(xí)面,(110),鋼中馬氏體的慣習(xí)面隨碳含量和形成溫度的不同而異，有 111、 225、 259。 慣習(xí)面是無畸變不轉(zhuǎn)動的平面。,四、在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成相變,當(dāng)奧氏體過冷到馬氏體相變開始點(diǎn)Ms點(diǎn)以下時(shí)，馬氏體即刻開始轉(zhuǎn)變，且轉(zhuǎn)變速度極快，但需繼續(xù)降溫，否則轉(zhuǎn)變停止。 馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，而

6、與等溫時(shí)間無關(guān)。,當(dāng)A過冷到馬氏體相變終了點(diǎn) Mf 以下時(shí)，馬氏體停止轉(zhuǎn)變，此時(shí)未轉(zhuǎn)變的奧氏體稱為殘余奧氏體。 馬氏體轉(zhuǎn)變的不徹底性。 Ms點(diǎn)低于室溫時(shí)淬火得A 冷處理：若Ms點(diǎn)高于室溫，Mf點(diǎn)低于室溫，須冷卻到室溫以下， AM,五、馬氏體轉(zhuǎn)變有可逆性,逆相變：加熱時(shí)馬氏體向奧氏體的相變。 As：馬氏體逆轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)，馬氏體和奧氏體兩相自由能差達(dá)到相變所需最小驅(qū)動力值時(shí)的溫度。,六、亞結(jié)構(gòu),相變伴生極高密度的晶體缺陷：孿晶（高碳M ）、位錯(cuò)（低碳M ）、層錯(cuò)。,馬氏體相變的判據(jù)： 1、相變以切變共格方式進(jìn)行 2、相變的無擴(kuò)散性 3、相變伴生極高密度的晶體缺陷：孿晶、位錯(cuò)、層錯(cuò) 馬氏體定義： 馬氏

7、體是原子經(jīng)無擴(kuò)散切變位移的晶格改組過程、得到具有嚴(yán)格晶體學(xué)位向關(guān)系和慣習(xí)面的、形成相中伴生極高密度晶體缺陷的組織。,5.2 鋼中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu),馬氏體點(diǎn)陣常數(shù)和碳含量的關(guān)系如圖 鋼中的馬氏體是碳在 Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方點(diǎn)陣。 隨碳含量增大，正方度增大。 低碳鋼淬火馬氏體具有體心立方結(jié)構(gòu),馬氏體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及其畸變 碳原子在馬氏體點(diǎn)陣中的可能位置如圖： 碳在 Fe中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其溶解度，所以引起點(diǎn)陣畸變，使體心立方點(diǎn)陣變成體心正方點(diǎn)陣。,5.4 馬氏體相變熱力學(xué),一、馬氏體相變熱力學(xué)條件 相變驅(qū)動力：新相與母相的自由能之差，由過冷提供。 To ：兩相熱力學(xué)平衡溫度。 相變的阻力

8、：新相形成時(shí)的界面能和應(yīng)變能。切變和晶體缺陷等均使馬氏體相變阻力增大。,Ms點(diǎn)：奧氏體和馬氏體兩相自由能差達(dá)到相變所需最小驅(qū)動力值時(shí)的溫度。 To一定時(shí)， Ms點(diǎn)越低， 相變所需的驅(qū)動力越大。 G= S(T0-MS),As點(diǎn)：馬氏體和奧氏體兩相自由能差達(dá)到逆相變所需最小驅(qū)動力值時(shí)的溫度。,G = S(AS-T0),To、 Ms、 As與合金成分的關(guān)系如圖。 Ms 、As之間的溫度差因引入塑性變形而減小，使Ms 點(diǎn)上升到Md 、使As點(diǎn)下降到Ad Md和Ad分別稱為形變誘發(fā)馬氏體相變開始點(diǎn)和形變誘發(fā)奧氏體相變開始點(diǎn)。 Md和Ad的上下限為T0,當(dāng)溫度為Ms時(shí)，相變的化學(xué)驅(qū)動力剛好使馬氏體發(fā)生相變

9、； 形變所提供的能量為機(jī)械驅(qū)動力； 引入形變使Ms提高到T1但小于T0 結(jié)論：對奧氏體進(jìn)行塑性變性可誘發(fā)馬氏體相變。,塑性變形誘發(fā)馬氏體相變的原因,二、影響鋼中Ms點(diǎn)的主要因素,1、化學(xué)成分的影響 Ms點(diǎn)主要取決于鋼的化學(xué)成分。 碳含量的影響最顯著，隨鋼中碳含量的增加，Ms點(diǎn)和Mf點(diǎn)的變化并不完全一致。,N和C一樣在鋼中形成間隙固溶體，對相均有固溶強(qiáng)化作用，所以使馬氏體相變阻力增大，且C、N還是穩(wěn)定相的元素，所以強(qiáng)烈地降低Ms點(diǎn)。,鋼中常見的合金元素只有Al、Co使Ms點(diǎn)升高，其余均使Ms點(diǎn)降低。 合金元素對Ms點(diǎn)的影響主要取決于它們對平衡溫度的影響以及對奧氏體的強(qiáng)化作用。 凡是劇烈降低To溫

10、度及強(qiáng)化奧氏體的元素均劇烈地降低Ms點(diǎn)。,在MdMs之間進(jìn)行塑性變形時(shí)會誘發(fā)馬氏體相變，在Ms Mf之間進(jìn)行塑性變形時(shí)會促進(jìn)馬氏體相變。 馬氏體相變時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，故多向壓應(yīng)力阻止馬氏體的形成，降低Ms點(diǎn)； 拉應(yīng)力或單向壓應(yīng)力有利于馬氏體形成，使Ms點(diǎn)升高。,2、形變與應(yīng)力的影響,3、奧氏體化條件的影響,完全奧氏體化時(shí)，提高加熱溫度和延長保溫時(shí)間，一方面有利于碳及合金元素溶入奧氏體使Ms點(diǎn)下降，另一方面又引起奧氏體晶粒長大，相變阻力減小使Ms點(diǎn)升高，綜合作用結(jié)果將使Ms點(diǎn)有所升高； 不完全奧氏體化時(shí)，提高加熱溫度和延長保溫時(shí)間使Ms下降； 晶粒細(xì)化，則切變阻力增大，也使Ms下降。,如圖：在淬火速度較低或較高時(shí)， 出