马氏体相变的结构和性质1
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13
② 西山关系： {111}γ∥{110}M ; <112>γ∥<110>M
按西山关系，在每个{111}γ面上，马氏 体可能有3种取向，故马氏体共有12种 取 向（变体）。
14
③ G-T关系：
④
⑤ 和 K-S关系略有偏差 ⑥ {111}γ∥{110}M 差10 ⑦ <110>γ∥<111>M 差20
5
马氏体的正方度
c/a = 1 + 0.046 P
（4-2）
碳原子在马氏体点阵中的分布：
碳原子发生有序分布，80%优先占据c轴方向 的八面体间隙位置，20%占据其它两个方向 的八面体间隙位置，此时出现（4-2）式的正 方度。
6
§4.2 马氏体相变的主要特征 （1）马氏体相变的无扩散性
钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点 阵改组。 可以在很低的温度范围内进行，并且相变 速度极快。 原子以切变方式移动，相邻原子的相对位 移不超过原子间距，近邻关系不变。
24
➢ 惯习面：随形成温度的下降，由{225}γ变为 {259}γ，位向关系由K-S关系变为西山关系。
➢ 亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附 近，片的边缘为位错。随形成温度下降，孪 晶区扩大。
➢ 马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对 先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生 显微裂纹。
25
§4.3.3 影响马氏体形态及其亚结构的因素
Fe-0.8%C钢以5000℃/S快速加热，抑制回 火转变，则在590～600℃发生逆转变。
18
§4.3 马氏体的形态及其亚结构
§4.3.1 板条马氏体
在低、中碳钢，马 氏体时效钢中出现， 形成温度较高。
基本单元板条为一 个个单晶体。
图4-12 板条马氏体示意图
19
➢ 许多相互平行的板条组成一个板条束，它们 具有相同的惯习面。
16
在 Mf 点 以 下 ， 虽 然转变量未达到
100%，但转变已不
能进行。
如Mf点低于室温 ， 则淬火到室温将保
留相当数量的未转
变奥氏体，称为残 余奥氏体。
图4-11 转变量-温度关系
17
（5）马氏体相变的可逆性
A↔M
Ms , Mf ; As , Af ; As > Ms
钢中马氏体加热时，容易发生回火分解， 从马氏体中析出碳化物。
④ K-S关系和西山关系的比较： ⑤ 晶面关系相同，只是晶面内的方向相差 5016’。
15
（4）马氏体相变的变温性
MS----马氏体相变开始点。 Mf ----马氏体相变终了点。
MS 点以下，无需孕育， 转变立即开始，且以极大
速度进行，但很快停止，
不能进行到终了，需进一 步降温。
图4-10 转变量-时间关系
➢ 不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏 体薄膜，这种微量的残余奥氏体对板条马氏体 的韧性贡献很大。
➢ 呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥 氏体薄膜。
21
图4-13 （a）板条马氏体 （b）片状马氏体
22
§4.3.2 片状马氏体
{225}γ或 {259}γ
在中、高碳钢， 高 镍 的 Fe-Ni 合 金 中出现，形成温 度较低。
10
③ 不变平面应变
➢ 倾动面一直保持为平面。 ➢ 发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原 来母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍 为平面，这种变形即为均匀切变。 ➢ 造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变 即为不变平面应变。
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不变平面
图4-5 三种不变平面应变 a）膨胀 b）孪生时的切变 c）马氏体相变时----切变 + 膨胀
7
（2）表面浮凸现象和不变平面应变
① 表面浮凸现象
倾动面
图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动
8
图4-4 直线划痕的变形情况 （a）实验结果 （b）在界面处失去共格 （c）划痕扭曲
9
② 惯习面和不变平面
➢ 马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这 一定的晶面即称为惯习面。马氏体和母相的相界 面，中脊面都可能成为惯习面。 ➢ 钢中：<0.5%C，惯习面为{111}γ，0.5～ 1.4%C，为{225}γ，1.5～1.8%C，为{259}γ。 ➢ 直线划痕在倾动面处改变方向，但仍保持连续， 且不发生扭曲。说明马氏体与母相保持切变共格， 惯习面未经宏观可测的应变和转动，即惯习面为 不变平面。
➢ 板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为KS关系。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥 氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。
➢ 每个惯习面上可能有六种不同的取向，板条 束内具有相同取向的小块称为板条块，常常呈现 为黑白相间的块。
20
➢ 板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以 板条马氏体也称为位错马氏体 。
马氏体相变的结构和性质
1
§4.1 马氏体的晶体结构
----碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。 成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。 碳原子位于α-Fe的bcc扁八面体间隙中心， 即点阵各棱边中央和面心位置。 体心正方点阵 bct ---- α’
2
图4-1 a) 奥氏体的正八面体间隙 b)马氏体的扁八面体间隙
12
（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系
相变以共格切变方式进行所至。 ① K-S 关系： ② {111}γ∥{110}M ; <110>γ∥<111>M 由于3个奥氏体<110>γ方向上(每个方向上有2
种马氏体Leabharlann Baidu向)可能有6种不同的马氏体取向, 而奥氏体的 {111}γ 晶面族中又有4种晶面， 从而马氏体共有24种取向（变体）。
图4-14 片状马氏体示意图
片状马氏体形成
23
➢ 先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶 粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。 后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一 步分割奥氏体晶粒，所以后形成的马氏体片 越来越短小。
➢ 片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多 数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏 体片互不平行，大小不一，片的周围有一定 量的残余奥氏体。
3
马氏体点阵常数和碳含量的关系
c、a、及 正方度 c/a 与钢中碳含量成线性关系：
c = a0 + αP a = a0 - βP c/a = 1 + γP
（4-1）
其中： a0 = 2.861Å （α-Fe点阵常数） α、β、γ 为常数
P ---- 马氏体的含碳量（wt%）
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图4-2 点阵常数与碳含量的关系
② 西山关系： {111}γ∥{110}M ; <112>γ∥<110>M
按西山关系，在每个{111}γ面上，马氏 体可能有3种取向，故马氏体共有12种 取 向（变体）。
14
③ G-T关系：
④
⑤ 和 K-S关系略有偏差 ⑥ {111}γ∥{110}M 差10 ⑦ <110>γ∥<111>M 差20
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马氏体的正方度
c/a = 1 + 0.046 P
（4-2）
碳原子在马氏体点阵中的分布：
碳原子发生有序分布，80%优先占据c轴方向 的八面体间隙位置，20%占据其它两个方向 的八面体间隙位置，此时出现（4-2）式的正 方度。
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§4.2 马氏体相变的主要特征 （1）马氏体相变的无扩散性
钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点 阵改组。 可以在很低的温度范围内进行，并且相变 速度极快。 原子以切变方式移动，相邻原子的相对位 移不超过原子间距，近邻关系不变。
24
➢ 惯习面：随形成温度的下降，由{225}γ变为 {259}γ，位向关系由K-S关系变为西山关系。
➢ 亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附 近，片的边缘为位错。随形成温度下降，孪 晶区扩大。
➢ 马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对 先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生 显微裂纹。
25
§4.3.3 影响马氏体形态及其亚结构的因素
Fe-0.8%C钢以5000℃/S快速加热，抑制回 火转变，则在590～600℃发生逆转变。
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§4.3 马氏体的形态及其亚结构
§4.3.1 板条马氏体
在低、中碳钢，马 氏体时效钢中出现， 形成温度较高。
基本单元板条为一 个个单晶体。
图4-12 板条马氏体示意图
19
➢ 许多相互平行的板条组成一个板条束，它们 具有相同的惯习面。
16
在 Mf 点 以 下 ， 虽 然转变量未达到
100%，但转变已不
能进行。
如Mf点低于室温 ， 则淬火到室温将保
留相当数量的未转
变奥氏体，称为残 余奥氏体。
图4-11 转变量-温度关系
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（5）马氏体相变的可逆性
A↔M
Ms , Mf ; As , Af ; As > Ms
钢中马氏体加热时，容易发生回火分解， 从马氏体中析出碳化物。
④ K-S关系和西山关系的比较： ⑤ 晶面关系相同，只是晶面内的方向相差 5016’。
15
（4）马氏体相变的变温性
MS----马氏体相变开始点。 Mf ----马氏体相变终了点。
MS 点以下，无需孕育， 转变立即开始，且以极大
速度进行，但很快停止，
不能进行到终了，需进一 步降温。
图4-10 转变量-时间关系
➢ 不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏 体薄膜，这种微量的残余奥氏体对板条马氏体 的韧性贡献很大。
➢ 呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥 氏体薄膜。
21
图4-13 （a）板条马氏体 （b）片状马氏体
22
§4.3.2 片状马氏体
{225}γ或 {259}γ
在中、高碳钢， 高 镍 的 Fe-Ni 合 金 中出现，形成温 度较低。
10
③ 不变平面应变
➢ 倾动面一直保持为平面。 ➢ 发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原 来母相中的任一直线仍为直线，任一平面仍 为平面，这种变形即为均匀切变。 ➢ 造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变 即为不变平面应变。
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不变平面
图4-5 三种不变平面应变 a）膨胀 b）孪生时的切变 c）马氏体相变时----切变 + 膨胀
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（2）表面浮凸现象和不变平面应变
① 表面浮凸现象
倾动面
图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动
8
图4-4 直线划痕的变形情况 （a）实验结果 （b）在界面处失去共格 （c）划痕扭曲
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② 惯习面和不变平面
➢ 马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这 一定的晶面即称为惯习面。马氏体和母相的相界 面，中脊面都可能成为惯习面。 ➢ 钢中：<0.5%C，惯习面为{111}γ，0.5～ 1.4%C，为{225}γ，1.5～1.8%C，为{259}γ。 ➢ 直线划痕在倾动面处改变方向，但仍保持连续， 且不发生扭曲。说明马氏体与母相保持切变共格， 惯习面未经宏观可测的应变和转动，即惯习面为 不变平面。
➢ 板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为KS关系。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥 氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。
➢ 每个惯习面上可能有六种不同的取向，板条 束内具有相同取向的小块称为板条块，常常呈现 为黑白相间的块。
20
➢ 板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以 板条马氏体也称为位错马氏体 。
马氏体相变的结构和性质
1
§4.1 马氏体的晶体结构
----碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。 成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。 碳原子位于α-Fe的bcc扁八面体间隙中心， 即点阵各棱边中央和面心位置。 体心正方点阵 bct ---- α’
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图4-1 a) 奥氏体的正八面体间隙 b)马氏体的扁八面体间隙
12
（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系
相变以共格切变方式进行所至。 ① K-S 关系： ② {111}γ∥{110}M ; <110>γ∥<111>M 由于3个奥氏体<110>γ方向上(每个方向上有2
种马氏体Leabharlann Baidu向)可能有6种不同的马氏体取向, 而奥氏体的 {111}γ 晶面族中又有4种晶面， 从而马氏体共有24种取向（变体）。
图4-14 片状马氏体示意图
片状马氏体形成
23
➢ 先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶 粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。 后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一 步分割奥氏体晶粒，所以后形成的马氏体片 越来越短小。
➢ 片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多 数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏 体片互不平行，大小不一，片的周围有一定 量的残余奥氏体。
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马氏体点阵常数和碳含量的关系
c、a、及 正方度 c/a 与钢中碳含量成线性关系：
c = a0 + αP a = a0 - βP c/a = 1 + γP
（4-1）
其中： a0 = 2.861Å （α-Fe点阵常数） α、β、γ 为常数
P ---- 马氏体的含碳量（wt%）
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图4-2 点阵常数与碳含量的关系