材料热处理 固态相变 第三章马氏体转变

T0、Ms、As均为浓度的函数。 Md为获得形变马氏体的最高温度。Ad为获得形变奥 氏体的最低温度。 T0≈1/2（ Md + Ad ）
Md的物理意义
在T0下的T1温度，形 变的机械驱动力能补 偿化学驱动力（自由 能差），该T1温度即 为Md。
马氏体相变需很大的过冷度
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• Fe-C合金Ms比T0低200℃，需要很大的相变驱动 力
马氏体形成热力学
T0为马氏体和奥氏体自由 能相等的温度。 Ms必须低于T0，AS必须高 于T0。 AS为马氏体转变为奥氏体 的开始温度。
Ms的物理意义 T0为马氏体和奥氏体自由能相等 的温度。C含量越高， T0越低。 Ms为两相自由能差达到相变所需 最小驱动力时的温度。
相变驱动力与（T0－Ms）成正比
如ZrO2基陶瓷的同素异型转变：正方结构（t相）与单斜 结构（m相）的转变。
板条状马氏体
片状马氏体
马氏体晶体结构
过饱和α-固溶体。体 心正方结构，奥氏体 中C全部保留在马氏 体点阵中（无扩散）。 随C含量增加，马氏 体点阵常数c增加，a 减小，正方度c/a增 加。
C原子在马氏体点阵中的位置及分布
切变共格界面，既属于奥氏体，又属 于马氏体，且相互牵制
2、无扩散性
• 通过点阵的均匀切变，相邻原子的位移小 于一个原子间距，实现晶格由面心立方转 变为体心正方。
• C原子无扩散，相变可在很低的温度下以极 快的速度进行。
具有一定的位相关系和惯习面
• 马氏体和奥氏体的晶面和晶向间存在一定 的位相关系
0.12399cm3 / g 0.12708cm3 / g
M 0.12915cm3 / g
Mf
F
Ms
E
钢(0.8%C) 比容：
0.12399cm3 / g 0.12708cm3 / g
M 0.12915cm3 / g
转变量＝ FE DC
影响Ms点的主要因素
取决于对T0和奥氏体 的强化作用。 增加C含量降低T0、强 化奥氏体（增加切变 阻力），故降低Ms。 合金元素的影响也要 考虑对T0的影响和对 奥氏体的强化作用
• 相变需克服界面能，比容增大和维持共格需要的
弹性能，切变能（改变晶体结构和形状），基体
的形变能（包括位错的应变能），马氏体储存的
能量（形成位错的应变能和形成孪晶的界面能）
等。
0.12399cm3 / g
0.12708cm3 / g
M 0.12915cm3 / g
转变量与膨胀量成正比
钢组织的比容：
板条状马氏体
板条的亚结构为位错，又称为位错马氏体。每个板条的尺寸 约为0.5×5.0×20μm。由大致平行的板条马氏体束组成的较 大区域称为板条群。其中相同位相的板条称为同位向束。一 个奥氏体晶粒内可以包含几个板条群。
片状马氏体
透镜马氏体。金相磨面上呈针状，又称针状马氏体。 亚结构为孪晶，又称为孪晶马氏体。 第一片马氏体贯穿晶粒，越后形成的马氏体越小。 马氏体片中间部分为孪晶，边缘部分为位错。Ms越低，孪晶 比例越大。
• 马氏体的降温形成
• 相变驱动力大，激活能很小，长大速度极 快。
• 转变量取决于到达Ms点以下的程度，等温 时转变一般不再进行。转变量的增加依赖 于继续降温，形成新的马氏体。
随温度降低，马氏体量增加
降低Ms和Mf的因素，使残余奥氏体 量增加（通常只冷却到室温）
马氏体形成动力学
马氏体的等温转变
• 高碳钢和高合金钢主要是 降温形成，但一定条件下 既可以是原有马氏体片的 继续生长，也有可能是重 新生核长大。
C处于α-Fe体心单胞的八面体间隙， 即各棱边中央和面心位置即 rFe=1.241Å，rb/rFe=0.15 rb=0.186Å(八面体间隙的球半径)， 而rC=0.77Å，故C原子会引起点阵 发生严重畸变，这就是形成正方 度的原因。
马氏体转变的主要特点 1、共格切变和表面浮凸现象
相变前金相磨面上的直线在相变后变成折线，表明马 氏体以切变方式进行。
• 马氏体在母相的一定晶面上开始形成的， 这个晶面即称为惯习面，通常以母相的晶 面指数表示。又近似的是“不畸变面”。
在一个转变温度范围内完成
马氏体必须不断降温才能 继续转变。冷却中断，转 变也即停止。 Ms－转变开始温度 Mf－转变结束温度 残余奥氏体 冷处理
马氏体转变最基本特点
• 共格切变转变 • 相变无扩散性
其他影响因素
在Ms和Md之间变形，转变温度越低，形变量 越大，马氏体转变量越大。
其他影响因素
• 马氏体转变时体积膨胀 • 多向压缩时阻止马氏体形成，降低Ms。 • 拉应力和单向压应力有利于马氏体的形成，
使Ms点升高。 • 奥氏体晶粒细化，增加切变强度，降低Ms。
马氏体形成动力学
马氏体的降温形成
马氏体形态与C含量的关系
残余奥氏体
Fe-C合金片状马氏体的显微裂纹
片状马氏体很脆，形成时 的高速碰撞造成显微裂纹 单位体积马氏体中显微裂 纹的面积SV作为形成裂纹 的敏感度。 奥氏体晶粒粗大、马氏体 含碳量高易形成裂纹。 措施
马氏体的性能
硬度和强度
含碳量高，硬度高。但高于0.6％时，由 于存在残余奥氏体，钢的硬度反而下降。 曲线3：马氏体的硬度随碳含量的变化。 曲线1：Ac3或Accm以上加热淬火，碳化物 溶入，Ms下降，残余奥氏体增加，钢的硬 度降低。 曲线2：略高于Ac1加热淬火，残余奥氏体 量减少，钢的硬度随碳含量的变化不大。
• 等温转变通常不能进行到 底，因为马氏体的体积膨 胀增加未转变奥氏体的变 形，使其切变阻力增加。
奥氏体－马氏体转变理论
经典理论：考虑自由能 差，界面能和畸变能
形成的可能性较小
位错理论：结构不均匀区，如缺陷、夹杂、 形变区，作为马氏体的核胚。
马氏体转变的切变模型
贝茵模型：面心结构可看作为体心正方结构。 通过c轴的压缩和a轴的伸长，可以得到c/a接 近马氏体的正方度。模型不完善。
第三章 马氏体转变
概述
• 钢奥氏体化后快冷，抑制其扩散型分解（珠光体分解等）， 通过原位切变方式，得到马氏体组织。
• 低碳钢淬火得到板条状马氏体，强度、韧性均佳 • 高碳钢、高Ni的Fe-Ni合金淬火得到片状马氏体，硬度高、
韧性极差 • 中碳钢淬火后得到混合马氏体，硬度较高，塑性、韧性较
低碳钢下降。 • 凡是基本特征属于切变共格型的相变均称为马氏体相变，