CH6.1概述、钢中马氏体晶体结构(10级)剖析
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马氏体转变
第六章 马氏体相变与 钢在冷却过程中的低温转变
2019/8/4
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授课 朱世杰
马氏体转变
本章内容提要 1.马氏体的定义、马氏体转变的含义 2.马氏体(M)相变的主要特征 3.马氏体的晶体结构 4.马氏体的组织形态 5.马氏体转变的热力学 6.马氏体转变动力学 7.马氏体转变机制 8.马氏体的性能 9.马氏体转变的应用
体心立方结构(WC<0.2%) （a=b=c） 体心正方结构(WC>0.2%) （a=b≠c）
奥氏体具有面心立方点阵，溶入的碳原子位于铁原子所组成 的正八面体中心。
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马氏体转变
6.1.3 马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面
马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系： 位向关系和惯习面
• 当相同成分的钢以很快的速度冷却(比如在水中冷却)到室温或更低温 度时(称这种冷却为淬火)。淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件。
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授课 朱世杰
马氏体转变
6.1 钢中马氏体的晶体结构
6.1.1 马氏体相变和马氏体的定义
1.马氏体转变的含义(链接) • 指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相
1. 马氏体的点阵常数的变化 马氏体具有正方点阵结构，记为
M或α’。马氏体转变时，面心立方的 奥氏体通过切变转变为体心立方的αFe，此时碳原子仍停留在六个铁原子 所组成的八面体中心。碳原子位于面 心或棱边中心，即扁八面体的中心， 碳原子溶入后，会使短轴(c轴)伸长， 长轴(a轴)缩短，晶体结构为体心正方。 其轴比c/a不再等于1，称为马氏体的 正方度 。
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马氏体转变
马氏体的晶胞模型
(a)碳原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置 (b)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况 (c)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置未填满的情况
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马氏体转变
2. 马氏体的正方度与碳含量的关系 马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方
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马氏体转变
概述
• “水与火合为淬”(史记. 天官记)(公元前
91年)
• “巧冶铸干将之朴(窄长有短把的刀)，清水
淬其锋”（汉书. 王褒传）
• 《搜神记》干将、莫邪(吴国一对铁匠夫妇),
也是古代锋利的宝剑的代称。
干将
莫邪
• 《太平御览·蒲元传》载三国时蜀人蒲元对他的“神刀”淬火用水的选择。 “刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之。”
1.4%碳的碳钢中发现，马氏体与奥氏 体有下述关系： {110}M //{111}γ，
<111> M //<110> γ 右图为钢中马氏体在不同的(111)γ晶面 上形成时可能有六种不同K-S关系。
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马氏体转变
(2) 西山关系
1934年，西山在铁镍合金中发现， 在室温以上形成的马氏体与奥氏体之间 存在K-S关系，而在-70℃以下形成的马 氏体与奥氏体呈下列关系：
变的转变产物。母相无扩散地、以惯习面为不变平面的切变 共格的相变产物，统称为马氏体。 • 原子经无扩散切变的不变平面应变的晶格改组，得到的 与母相具有严格晶体学关系和惯习面的含有高密度位错、层 错或孪晶等晶体缺陷的组织称为马氏体。
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马氏体转变
6.1.2 钢中马氏体的晶体结构
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马氏体转变
3. 马氏体的异常正方度 有些钢的马氏体的正方度远偏离式(6-3)的数值，称为异常
正方度。 在高碳铝钢（1.5%C，7%Al）和高镍钢（1.0%C，19%Ni）中
新淬火马氏体，测试其正方度要高于式(6-3)给出的数值，称为 异常高正方度；当温度回升到室温时，正方度下降。Ms点低于 0℃的锰钢（0.6%-0.8%C,6%-7%Mn）制成奥氏体单晶，淬入液 氮，测试其在液氮温度下的正方度要低于式(6-3)给出的数值， 称为异常低正方度。
变，转变产物为马氏体。 • 是替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变)、由此产生
形状改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核长 大型的相变。
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马氏体定义的历史
马氏体转变
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马氏体转变
2.马氏体的定义：
• 马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体； • 马氏体是在冷却过程中所发生的基本特征属于马氏体型转
• 《北齐书·列传》(第四十一)，载东魏、北齐间(534～577)的綦母怀文在 “宿铁刀”淬火时“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”。可见当时已采用含 盐的水和油作为具有不同冷却速度的液冷介质。
• 明代宋应星的《天工开物》中对制蹉的记载：“以已健划成纵斜文理，划 时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。”其中“退微冷”， 就是预冷淬火工艺。
惯习面也可因马氏体形成温度而变化。
马氏体形成温度下降，惯习面有向高指
数变化的趋势。对于碳量较高的钢，先
形成的马氏体的惯习面为{225}γ，后形成 的马氏体的惯习面为{259}γ。
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马氏体转变
本节小结
1、马氏体转变的含义和马氏体的定义。 2、马氏体的晶体结构、正方度。 3、马氏体的位向关系和惯习面。
相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置 无变化。作小于一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏 体保持一定的严格的晶体学位向关系。
位向关系有：(1) K-S关系 (2) 西山(N)关系 (3) G-T关系 (4) K-V-N关系
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马氏体转变
(1) K-S关系 1 9 3 0 年 ， 库 尔 鸠 莫 夫 与 Sachs 在
{110}M //{111}γ差1°， <111>M //<110>γ差2°
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马氏体转变
6.1.4 惯习面 惯习面即马氏体转变的不变平面，马氏体即在此平面上形
成。惯习面总是平行或接近奥氏体的某一晶面，并随奥氏体中
含碳量及马氏体形成温度而变化。
● 当WC< 0.6%时，惯习面为{111}γ； ● 当WC=0.6%1.4%时，惯习面为{225}γ； ● 当WC=1.4%2.0%时，惯习面为{259}γ。
{110}M //{111} γ <110> M //<112> γ 西山关系与K-S关系相比，晶面关系相 同，晶向关系相差5°16’。
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马氏体转变
(3) G-T关系
1994年，Grenigen与Troiano 在FeNi-C合金中发现，马氏体与奥氏体的位向 接近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差1 度，晶向差2°，称为G-T关系。
度愈大，即：c/a = 1＋0.046wc
• 碳含量对c，a的影响 c=α0+αρ a=α0+βρ c/a =1+γρ 式阵中参：数)α；0＝0.2861nm (α-Fe 点
• α=0.116±0.002； γ=0.046±0.001； β=0.013±0.002； ρ—马氏体碳含量(重量%)。
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原因、马氏体的形成条件、影响钢的MS点因素 6. 马氏体转变动力学主要有四种方式，各种方式的特征。 7. 马氏体转变机制：形核理论、三种切变模型(本部分作一般了解) 8. 马氏体的性能：力学性能的显著特点、马氏体高硬度(高强度)的本质、
强度和韧性与含碳量及亚结构的关系；超塑性、高碳马氏体的显微裂 纹 9. 奥氏体稳定化：热稳定化和机械稳定化 10. 马氏体转变的应用(本部分作一般了解)
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马氏体转变
基本要求：
1. 马氏体的定义、马氏体转变的含义、 2. 马氏体(M)相变的五个主要特征的内容 3. 马氏体的晶体结构的类型、正方度 4. 马氏体的两种基本形态是板条马氏体和片状马氏体；影响马氏体形态
及其内部亚结构的因素
5. 马氏体转变的热力学条件、驱动力、T0、MS的物理意义、Ms点很低的
当碳含量小于0.2%时，碳原子偏聚于马氏体的位错线或是 均匀地分布在X、Y和Z三个位置上，即处于完全无序状态。碳 原子的存在虽然引起点阵常数的增加，但不会改变正方度。 合金元素对马氏体的正方度影响不大。
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马氏体转变
4.马氏体的晶体结构类型 马氏体的晶体结构类型有两种：
第六章 马氏体相变与 钢在冷却过程中的低温转变
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马氏体转变
本章内容提要 1.马氏体的定义、马氏体转变的含义 2.马氏体(M)相变的主要特征 3.马氏体的晶体结构 4.马氏体的组织形态 5.马氏体转变的热力学 6.马氏体转变动力学 7.马氏体转变机制 8.马氏体的性能 9.马氏体转变的应用
体心立方结构(WC<0.2%) （a=b=c） 体心正方结构(WC>0.2%) （a=b≠c）
奥氏体具有面心立方点阵，溶入的碳原子位于铁原子所组成 的正八面体中心。
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马氏体转变
6.1.3 马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面
马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系： 位向关系和惯习面
• 当相同成分的钢以很快的速度冷却(比如在水中冷却)到室温或更低温 度时(称这种冷却为淬火)。淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件。
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马氏体转变
6.1 钢中马氏体的晶体结构
6.1.1 马氏体相变和马氏体的定义
1.马氏体转变的含义(链接) • 指钢从奥氏体状态快速冷却(即淬火)而发生的无扩散型相
1. 马氏体的点阵常数的变化 马氏体具有正方点阵结构，记为
M或α’。马氏体转变时，面心立方的 奥氏体通过切变转变为体心立方的αFe，此时碳原子仍停留在六个铁原子 所组成的八面体中心。碳原子位于面 心或棱边中心，即扁八面体的中心， 碳原子溶入后，会使短轴(c轴)伸长， 长轴(a轴)缩短，晶体结构为体心正方。 其轴比c/a不再等于1，称为马氏体的 正方度 。
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马氏体转变
马氏体的晶胞模型
(a)碳原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置 (b)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况 (c)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置未填满的情况
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马氏体转变
2. 马氏体的正方度与碳含量的关系 马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方
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马氏体转变
概述
• “水与火合为淬”(史记. 天官记)(公元前
91年)
• “巧冶铸干将之朴(窄长有短把的刀)，清水
淬其锋”（汉书. 王褒传）
• 《搜神记》干将、莫邪(吴国一对铁匠夫妇),
也是古代锋利的宝剑的代称。
干将
莫邪
• 《太平御览·蒲元传》载三国时蜀人蒲元对他的“神刀”淬火用水的选择。 “刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之。”
1.4%碳的碳钢中发现，马氏体与奥氏 体有下述关系： {110}M //{111}γ，
<111> M //<110> γ 右图为钢中马氏体在不同的(111)γ晶面 上形成时可能有六种不同K-S关系。
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(2) 西山关系
1934年，西山在铁镍合金中发现， 在室温以上形成的马氏体与奥氏体之间 存在K-S关系，而在-70℃以下形成的马 氏体与奥氏体呈下列关系：
变的转变产物。母相无扩散地、以惯习面为不变平面的切变 共格的相变产物，统称为马氏体。 • 原子经无扩散切变的不变平面应变的晶格改组，得到的 与母相具有严格晶体学关系和惯习面的含有高密度位错、层 错或孪晶等晶体缺陷的组织称为马氏体。
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6.1.2 钢中马氏体的晶体结构
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3. 马氏体的异常正方度 有些钢的马氏体的正方度远偏离式(6-3)的数值，称为异常
正方度。 在高碳铝钢（1.5%C，7%Al）和高镍钢（1.0%C，19%Ni）中
新淬火马氏体，测试其正方度要高于式(6-3)给出的数值，称为 异常高正方度；当温度回升到室温时，正方度下降。Ms点低于 0℃的锰钢（0.6%-0.8%C,6%-7%Mn）制成奥氏体单晶，淬入液 氮，测试其在液氮温度下的正方度要低于式(6-3)给出的数值， 称为异常低正方度。
变，转变产物为马氏体。 • 是替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变)、由此产生
形状改变和表面浮突、呈不变平面应变特征的一级、形核长 大型的相变。
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马氏体定义的历史
马氏体转变
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2.马氏体的定义：
• 马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体； • 马氏体是在冷却过程中所发生的基本特征属于马氏体型转
• 《北齐书·列传》(第四十一)，载东魏、北齐间(534～577)的綦母怀文在 “宿铁刀”淬火时“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”。可见当时已采用含 盐的水和油作为具有不同冷却速度的液冷介质。
• 明代宋应星的《天工开物》中对制蹉的记载：“以已健划成纵斜文理，划 时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。”其中“退微冷”， 就是预冷淬火工艺。
惯习面也可因马氏体形成温度而变化。
马氏体形成温度下降，惯习面有向高指
数变化的趋势。对于碳量较高的钢，先
形成的马氏体的惯习面为{225}γ，后形成 的马氏体的惯习面为{259}γ。
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马氏体转变
本节小结
1、马氏体转变的含义和马氏体的定义。 2、马氏体的晶体结构、正方度。 3、马氏体的位向关系和惯习面。
相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置 无变化。作小于一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏 体保持一定的严格的晶体学位向关系。
位向关系有：(1) K-S关系 (2) 西山(N)关系 (3) G-T关系 (4) K-V-N关系
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马氏体转变
(1) K-S关系 1 9 3 0 年 ， 库 尔 鸠 莫 夫 与 Sachs 在
{110}M //{111}γ差1°， <111>M //<110>γ差2°
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马氏体转变
6.1.4 惯习面 惯习面即马氏体转变的不变平面，马氏体即在此平面上形
成。惯习面总是平行或接近奥氏体的某一晶面，并随奥氏体中
含碳量及马氏体形成温度而变化。
● 当WC< 0.6%时，惯习面为{111}γ； ● 当WC=0.6%1.4%时，惯习面为{225}γ； ● 当WC=1.4%2.0%时，惯习面为{259}γ。
{110}M //{111} γ <110> M //<112> γ 西山关系与K-S关系相比，晶面关系相 同，晶向关系相差5°16’。
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马氏体转变
(3) G-T关系
1994年，Grenigen与Troiano 在FeNi-C合金中发现，马氏体与奥氏体的位向 接近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差1 度，晶向差2°，称为G-T关系。
度愈大，即：c/a = 1＋0.046wc
• 碳含量对c，a的影响 c=α0+αρ a=α0+βρ c/a =1+γρ 式阵中参：数)α；0＝0.2861nm (α-Fe 点
• α=0.116±0.002； γ=0.046±0.001； β=0.013±0.002； ρ—马氏体碳含量(重量%)。
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原因、马氏体的形成条件、影响钢的MS点因素 6. 马氏体转变动力学主要有四种方式，各种方式的特征。 7. 马氏体转变机制：形核理论、三种切变模型(本部分作一般了解) 8. 马氏体的性能：力学性能的显著特点、马氏体高硬度(高强度)的本质、
强度和韧性与含碳量及亚结构的关系；超塑性、高碳马氏体的显微裂 纹 9. 奥氏体稳定化：热稳定化和机械稳定化 10. 马氏体转变的应用(本部分作一般了解)
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马氏体转变
基本要求：
1. 马氏体的定义、马氏体转变的含义、 2. 马氏体(M)相变的五个主要特征的内容 3. 马氏体的晶体结构的类型、正方度 4. 马氏体的两种基本形态是板条马氏体和片状马氏体；影响马氏体形态
及其内部亚结构的因素
5. 马氏体转变的热力学条件、驱动力、T0、MS的物理意义、Ms点很低的
当碳含量小于0.2%时，碳原子偏聚于马氏体的位错线或是 均匀地分布在X、Y和Z三个位置上，即处于完全无序状态。碳 原子的存在虽然引起点阵常数的增加，但不会改变正方度。 合金元素对马氏体的正方度影响不大。
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马氏体转变
4.马氏体的晶体结构类型 马氏体的晶体结构类型有两种：