A15马氏体转变

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1.5 马氏体转变
2、片状马氏体
存在于淬火的高碳钢及Fe-Ni(WNi＞29%)合 金钢中。淬火中碳钢中含部分片状马氏体。 组织形态：呈凸透镜片状（在空间形同铁 饼）。显微镜下呈针状或竹叶状，故又称为 针状马氏体。
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第一章 钢在加热和冷却时的转变
1.5 马氏体转变
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1.5 马氏体转变
概述
马氏体转变：钢从奥氏体化状态快速冷
却，抑制过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体 等扩散型和半扩散型转变，在较低的温度 下（低于Ms点）发生的无扩散型相变为 马氏体转变。这是过冷奥氏体的低温转 变。这种热处理操作称为“淬火”。
②板条组成板条束组成板条马 氏体
板条是构成束或块的最基本 单元，每一板条均为一单晶。
板条之间的界面为小角度晶界，其间往往存在 厚度约为10-20nm的薄壳状的残余奥氏体。
块界与束界则为大角度晶界。
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1.5 马氏体转变
板条马氏体的亚结构
：板条内存在高密度 的位错，位错密度高 达 （ 0.3-0.9 ） ×10 12cm-2故又称为位错马 氏体。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
在含碳量＞1.4%的钢中可以看到马氏体的中脊 面，马氏体片呈“Z”字形分布。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
隐晶（针）马氏体：马氏体转变 时，当最大尺寸的马氏体片小到光 学显微镜无法分辨其形态时，这种 马氏体称为隐晶马氏体。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
含碳量低于0.25%的板条马氏体的正方度
很小，c/a≈1，为体心立方晶格。
合金元素对马氏体的正方度影响不大，因
为合金元素在钢中形成置换式固溶体。
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1.5 马氏体转变
二、马氏体的性能
1、马氏体的硬度和强度
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三、马氏体转变的特点
马氏体转变的阻力（所需消耗的能量）： ①马氏体转变形成新的相界面而增加的界面能
ΔGs； ②马氏体形成时比容增大以及新旧相之间为了
维持共格关系而产生的弹性应变能ΔGe； ③产生宏观均匀切变而作功； ④产生宏观不均匀切变而在马氏体中形成高密
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1.5 马氏体转变
三、马氏体转变（相变）的特点
1、马氏体转变的热力学特点
奥氏体转变为马氏体的条件： 第一，快速冷却υ冷＞υc； 第二，深度过冷T＜Ms。 快速冷却是为了抑制过冷奥氏体发生珠光体和
贝氏体转变；深度过冷是为了获得足够的马氏 体转变的驱动力。
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（1）固溶强化—过饱和碳引起强烈的固溶强化 （2）相变强化—马氏体中亚结构引起的强化。 （3）时效强化—碳含量越高，时效强化效果愈 显著。 （4）晶界强化： 由于相界面阻碍位错运动而造 成的马氏体强化。原始奥氏体晶粒越细小，马氏
体束或马氏体片尺寸越小，则马氏体强度越高。
碳及合金元素在钢中形成碳化物有细化奥氏体晶 粒以及马氏体束或片的作用。
钢中马氏体力学性能的显著特点是具有高硬度 和高强度。 马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，随 含碳量的增加而升高，当含碳量达到0.6%时， 淬火钢的硬度接近最大值，含碳量进一步增加， 虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥 氏体量增加，反而使钢的硬度有所下降。
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C%↑Ms、Mf↓板条M↓→片状M↑ Fe-C合金中，当
＜0.2%C， 几乎全部生成板条M 0.2-1.0%C，板条M+片状M混合组织，且C%↑
则M片↑M板↓ 1.0-1.4%C，全部生成片状M
＞1.4%C，生成有中脊、Z型片状M
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
则：-ΔGv＞ΔGs + ΔGe + ΔGp
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1.5 马氏体转变
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
片状马氏体之间互不平行， 呈 一 定 角 度 分 布 （ 60° 或 120° ） 。 在 原 奥 氏 体 晶 粒 内 首先形成的马氏体片贯穿整个 晶粒，随后形成的马氏体不能 穿过前者，因而使后来形成的 马氏体片愈来愈小。片状马氏 体的最大尺寸取决于原始奥氏 体晶粒大小，奥氏体晶粒越粗 大，则马氏体片越大。
板条马氏体大多在200℃以上形成，片状马氏 体主要200℃以下形成。含碳量为0.2%-1.0%的 奥氏体在马氏体转变区较高温度先形成板条马 氏体，然后在较低温度形成片状马氏体。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚 结构。孪晶型（片状）马氏体具有高强度、高 硬度，但韧性很差，其特点是硬而脆；位错型 （板条）马氏体在具有较高强度、硬度的同时， 还 具 有 相 当 高 的 塑 性 和 韧 性 。 …… 原 因 P201-
202
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二、马氏体的性能
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二、马氏体的性能
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二、马氏体的性能
研究表明：钢的屈服强度也随碳含量的增加而 升高。 合金元素对马氏体的硬度影响不大（∵Me形 成置换固溶体），但可提高强度（∵细化晶粒 ）。
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二、马氏体的性能
马氏体的强化机理-P201
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1.5 马氏体转变
因此马氏体的确切定义为：马氏体是 母相在过冷状态或是应变过程中按无 扩散的、以惯习面为不变平面共格切 变的固态相变的产物。
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1.5 马氏体转变
马氏体转变的复杂性
对马氏体转变的研究已进行了大半个世
纪，并取得很大的进展，如人们通过电子 显微镜技术，对马氏体的精细结构，马氏 体的成分，组织结构和性能之间的关系有 了比较清晰的概念，对马氏体的形成规律 也有了进一步的了解，但仍有许多问题， 许多细节至今尚不完全清楚。
合金元素的影响：实质上也是通过对马氏体形成
温度的影响来影响马氏体的形态和内部亚结构的
。
Me↑（除Co、Al外）则Ms、Mf↓ ∴M板
↓M片↑
（注意：此处指的是溶入奥氏体中的合金元素）
塑性变形的影响：在Ms-Md之间塑性变形，使 Ms、 Mf ↑，M板↑M片↓。
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二、马氏体的性能
从以上论述可知，钢的成分（主要是含 碳量）是影响马氏体强度和硬度的决定性 因素。其次是亚结构、原始奥氏体晶粒大 小和马氏体束的尺寸，但总的来说，影响 没有碳含量明显。
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二、马氏体的性能
2、马氏体的塑性和韧性
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
由于马氏体的正方度（c/a）取决于其碳含量的 高低（图7.42示），故马氏体的正方度可用来表示 马氏体中碳的过饱和程度。（c/a=1+ 0.046Wc ）
碳原子远不足以填满八面体间隙，那么碳原子在 马氏体点阵中的分布是不均匀的，并由此引起点 阵的局部畸变，因此通常所指的马氏体的正方度 实际上是指整个马氏体平均而言。
度位错和细微孪晶（以能量的形式储存在马氏体 中）；
⑤使邻近的奥氏体发生协作形变而作功等等。
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三、马氏体转变的特点
以ΔGp表示第③④⑤项塑性应变能消耗的 总和，则马氏体转变时，系统总的自由能变 化可表示为：
ΔG = ΔGv + ΔGs + ΔGe + ΔGp 要满足马氏体形成的热力学条件：ΔG ＜0
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
片状马氏体的亚结构：主要是孪晶。因此片状马 氏体又称为孪晶马氏体。
C%<1.4%
C%>1.4%
（高密
度细微 孪晶）
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
高碳型片状马氏体的另一个重要特点，就是存 在大量显微裂纹。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
3、影响马氏体形态的因素
马氏体的形态及其内部亚结构主要取决于马 氏体的形成温度,而马氏体的形成温度又主要取 决于奥氏体的化学成分，即碳和合金元素的含 量。
马氏体形成温度越高，越容易得到板条马氏 体，马氏体形成温度越低，越容易得到片状马 氏体，随着马氏体形成温度降低，得到的板条 马氏体越少，片状马氏体越多。
一、马氏体的组织形态和晶体结构
4、马氏体的晶体结构
X射线衍射分析证实马氏体是碳在α -Fe中的 过饱和间隙固溶体。
马氏体具有体心正方结构。 碳原子呈部分有序（80%）排列在原α －Fe
体心立方点阵的八面体间隙C轴上。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
碳原子溶入后必然会引 起点阵畸变，使短轴C轴 方向上的铁原子间距拉长， 而在另外两个方向a轴方 向稍有缩短，结果使体心 立方点阵变成了体心正方 点阵（图7.41）。轴比c/a 称为马氏体的正方度。
1、板条马氏体 板条马氏体存在于淬火的低碳钢、 部分不
锈钢、马氏体时效钢中。淬火中碳钢中含部 分板条马氏体。
组织形态：呈板条状。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
两种情况：
①板条组成块组成板条束组成 板条马氏体
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
对于Fe－C合金，马氏体的形成温度： ＞200℃ 主要生成板条M ＜200℃ 主要生成片状M ＜100℃ 生成有中脊的，具有“Z”型的片状M
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
含碳量的影响：实质上是通过影响马氏体的形成 温度来影响马氏体形态和内部亚结构。
通过热处理手段，在保证足够强度、硬度 的前提下，尽可能减少孪晶（片状）马氏体 的数量，增加位错（板条）马氏体的相对数 量，从而可显著提高钢的强韧性，这是充分 发挥材料潜力的有效途径。
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二、马氏体的性能
3、马氏体的物理性能………P202
①比容 ②磁性 ③电阻
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三、马氏体转变的特点
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三、马氏体转变的特点
马氏体转变的驱动力： 根据相变的一般规律，要
使相变得以进行，必须满足 一定的热力学条件，即系统 总的自由能变化ΔG＜0。马 氏体转变自然也不例外。
ΔGv即为γ→α′的驱动力，它与（T0－Ms）值 有关， Ms越低，过冷度就愈大，则驱动力ΔGv 越大。
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1.5 马氏体转变
共析钢奥氏体（A）向马氏体（M）的转变可表 示为：
A Ms以下低温转变 M ……..非扩散型相变
面心立方
体心正方 …….晶体结构变化 （通过切变完成）
0.77%C
0.77%C ……化学成分没变化
显然，M相变只发生点阵重构，而无化学成分变 化。Fe的晶格重组是通过切变方式完成的。
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1.5 马氏体转变
一、马氏体的组织形态和晶体结构
钢中马氏体的组织形态有板条状马氏体、片状 马氏体、蝴蝶状马氏体、薄板状马氏体、薄片状 马氏体等五种，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。
蝴蝶状马氏体
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薄板状马氏体
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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1.5 马氏体转变
马氏体的定义：
对钢而言，马氏体是碳在α －Fe中的过饱 和间隙固溶体，是一种单相的亚稳组织。
目前马氏体一词的含义比早先更为广泛， 它已成为具备马氏体相变基本特征的转变产 物的统称，不仅限于钢中存在，在其它合金 系（如铜、钛、铟等合金）中也存在。