马氏体转变的主要特征

马氏体转变的主要特征

马氏体转变是在低温下进行的一种转变。对于钢来说，此时不仅铁原子已不能扩散，就是碳原子也难以扩散。故马氏体转变具有一系列不同于加热转变以及珠光体转变的特征。这里只提出几个最重要的转变特征，其它特征将在以后各有关的章节内讨论。

（一）马氏体转变的非恒温性

必须将奥氏体以大于临界冷却速度的冷却速度过冷到某一温度才能发生马氏体转变。也就是说马氏体转变有一上限温度。这一温度称为马氏体转变的开始温度，也称为马氏

体点，用M S 表示。不同材料的M S 是不同的。当奥氏体被过冷到M S 点以下任一温度，不需经过孕育，转变立即开始，且以极大的速度进行，但转变很快停止，不能进行到终了如下图1所示。为了使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是温度的函数，如图2所示，而与等温时间与无关，或者说，马氏体量只取决于冷却所达到的温度。当温度降到某一温度以下时，虽然马氏体转变未达到100%，但转变已图1 马氏体等温转变曲线

图2 马氏体转变与温度的关系

不能进行。该温度称为马氏体转变终了点，用M f 表示（图

2）。如某钢的M S 高于室温而M f 低于室温，则冷却至室温时还将保留一定数量的奥氏体，称为残余奥氏体。如果继续冷至室温以下，未转变的奥氏体将继续转变为马氏体直到M f 点。深冷至室温以下在生产上称为冷处理。马氏体的这一特征称为非恒温性。

对于某些M S 点低于0℃

的Fe-Ni-C 等合金来说，当

过冷至M S 点以下时，马氏体

可能爆发形成，即最初形成

的马氏体有可能促发一定数

量的奥氏体转变为马氏体，

未转变的奥氏体样必须在继续冷却的情况下才能转变，且有可能再次爆发形成。在此情况下，马氏体转变量与温度的关系如图3所示。

也还有少数M S 点低于0℃的合金，如Fe-Ni-Mn ，Fe-Ni-Cr 以及高碳高锰钢等可以发生马氏体等温度转变。其动力学特征与珠光体等温转变很相似，也有“C ”型曲线（图4），不同点是等温转变量不多，转变不能进行到底。

（二）马氏体转变的切变共格与表

面浮凸现象 图3 爆发式转变时的马氏体转变量与温度的关系

图4 Fe-23%Ni-3.7%Mn 合金

马氏体等温转变动力学

马氏体转变时能在预先磨光的试样表面上形成有规则的表面浮凸，这表明马氏体转变是通过奥氏体的均匀切变进行的。奥氏体中已转变为马氏体的部分发生了宏观切变而使点阵发生改组，且带动靠近界面的还未转变的奥氏体也随之而发生了弹塑性切应变（图5a ），故在磨光表面出现部分突起部分凹陷的浮凸现

象。如转变前在试样磨

光表面刻一直线划痕

STS ˊ，则转变后在表

面产生浮凸时该直线

既不弯曲，也不折断，

而是形成了折线ST ˊ

TS ˊ如图5b ）。这也表

明马氏体转变是通过

切变进行的，直线划痕

在界面不折断、在晶内不弯曲表明转变时，界面两侧的马氏体和奥氏体既未发生相对转动，该界面也未发生畸变，故该界面被称为不变平面。在新形成的马氏体片内的线段TT ˊ仍保持直线，只是长度有所改变。这表明，原奥氏体中的任一平面在转变成马氏体后仍为一平面。在转变时所发生的具有这一特点的应变只能是均匀应变，意即任何一点的位移与该点距不变平面的距离成正比的应变。这种在不变平面上所图5 马氏体转变引起的表面浮凸的示意图

图6 三种不变平面应变，虚线为变形前形状，实线为变形 后形状，箭头表示变形方向，底为不变平面 a)膨胀（或压缩） b)切变 c)切变加膨胀

产生的均匀应变被称为不变平面应变。图6是三种不变平面应变，底面均为不变平面，第一种为简单的膨胀或压缩；第二种为切变；第三种既有膨胀又有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。

显然，界面上的原子的排列规律既同于马氏体，也同于奥氏体，这种界面称为共格界面。但不变平面可以是相界面，如孪晶面，也可以不是相界面。如图5的中脊面为不变平面，但不是相界面，界面是ABML及DCNO。为维持这种界面关系，界面两侧的奥氏体与马氏体必定要产生弹性切变。这种依靠弹性切变维持的共格称为第二类共格。

共格界面的界面能较非共格界面小，但由于靠切变维持的第二类共格在界面两侧都有弹性切应变，故又增加了一部分应变能。

（三）马氏体转变的无扩散性

马氏体转变只有点阵改组而无成分的改变。如钢中的奥氏体转变为马氏体时，只是点阵由面心立方通过切变改组成体心立方（或体心正方），而马氏体的成分与奥氏体的成分完全一样，且碳原子在马氏体与奥氏体中相对于铁原子保持不变的间隙位置。这一特征称为马氏体转变的无扩散性。

无扩散并不是说转变时原子不发生移动，马氏体转变时出现浮凸说明原子不仅有移动，而且产生了肉眼能观察到的移动。所谓无扩散，指的是母相以均匀切变方式转变为新相。

相界向母相推移时，原子以协作方式通过界面由母相转变为新相，类似于排成方阵的士兵以协作方阵变换成棱形。因此这样的转变被形象地称为军队式转变（military transformation）。此时每一个原子均相对于相邻原子以相同的矢量移动，且移动距离不超过原子间距，移动后仍保持原有的近邻关系。但如图5及图6所示，相隔距离较远的原子之间的相对位移可以为肉眼所观察到。扩散性相变则与此不同，相界面向母相推移时，原子以散乱方式由母相转移到新相，每一个原子移动的方向都是任意的，相邻原子的相对位移超过原子间距，原子的相邻关系遭到破坏。加热转变及珠光体转变时新相通过大角晶界的迁移长入与其无位向关系的母相即属于这种转变。这样的转变被形象地称为平民式转变（civilian transformation）。

以下三个试验证实了，马氏体转变的无扩散性。

1、一引起具有有序结构的合金，发生马氏体转变时后，有序结构不发生变化。

2、碳钢中马氏体转变前后C的浓度没有变化，奥氏体和马氏体的成分一致，仅发生晶格改组。而且，碳原子在铁原子中的间隙位置保持不变。

3、马氏体可以在相当低的温度范围内进行，并且转变速度极快。例如，Fe-C和Fe-Ni合金中，在-20~-196℃之间，每片马氏体的形成时间约为5×10-5~5×10-7S。甚至在4K时，