马氏体相变研究的最新进展_一_刘宗昌

人类应用马氏体组织在公元前 900 年， 古埃及 斧头的斧刃具有马氏体组织， 硬度为 45 HＲC 。 战国 时期的钢剑具有马氏体组织（ 河北易县出土 ） 。 辽宁 三道壕出土的西汉钢剑、 满城刘胜墓出土的刀剑等 ［1 ］ 我国是应用马氏 都具有淬火马氏体组织 。 可见， 体组织和淬火技术最早的国家。 1864 年将光学显微镜应用于珠光体组织观察开 创了材料科学研究的新纪元。1878 年观察到高碳针 状马氏体。但是发现低碳板条状马氏体组织却到了 1940 年。马氏体组织的细微结构是 20 世纪下半叶，
NiMn、 FeNiCr 合金或某些高合金钢， 某些 Fe在一定条件下恒温保持， 经过一段孕育期也会产生
［6 ］
-200 10 50 100 500 1000
时间 /s
30
%
5000
图5
FeNiMn 合金等温马氏体转变动力学曲线 Kinetic curve of isothermal martensite transformation in FeNiMn alloy
Fig． 5
。 （ 3 ） 爆发型马氏体 马氏体点低于室温的某些合金， 当冷却到一定 温度 M B （ M B ＜ M s ） 时， 在瞬间形成大量的马氏体， 在 Tf 曲线的开始阶段呈垂直上升的势态， 此称爆发型 马氏体相变。 爆发量与 M s 温度高低有关。 爆发后 继续降低温度， 将呈现变温马氏体的转变动力学特
转变量 /f
1.0
马氏体相变的分类
0.5
C
马氏体相变可按相变驱动力的大小分类， 也可 按马氏体相变动力学特征分类。 马氏体相变驱动力： 在马氏体点 M s 温度以下， ＜0 马氏体 和 母 相 自 由 焓 之 差 小 于 零， 即： △G 时， 母相才可能转变为马氏体。 这个自由焓差值称 为马氏体相变驱动力。 相变驱动力是负值， 一般所 。 说的相变驱动力大小是指其绝对值 1． 1． 1 按相变驱动力大小分类 按着马氏体相变驱动力的大小， 可将其分为三类： （ 1 ） 相变驱动力较大的马氏体相变。 由面心立
方母相转变为体心立方 （ 正方 ） 马氏体的热力学， 主 Ni 合金为代表， FeC 合金进行了 要以钢和 Fe其中， 较多的工作。能直接由热力学计算处理中求得相变 驱动力和马氏体点 （ M s ） ， 并且计算得出相变驱动力 约为 － 1180 ～ － 2000 J / mol。 （ 2 ） 相变驱动力中等的马氏体相变。 如面心立
作者简介： 刘宗昌（ 1940 － ） ， 男， 教授， 从事金属固态相变和热处理技术研究。 mail： lzchang75@ 163． com 联系电话： 0472 － 2122655 ； E-
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热处理技术与装备
第 35 卷
本讲座系统地阐述了马氏体及马氏体相变研究 新理论。 的新成果、 1 1． 1 马氏体相变的分类、 特征及定义
第1 期
刘宗昌等： 马氏体相变研究的最新进展
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残余奥氏体量 γ/%
Ms 500 300 Ms γ
计算值 实验值 实验值
一定量后就停止了。 随着等温转变的进行， 马氏体 转变引起的体积变化导致未相变的奥氏体发生应 变， 致使相变阻力增大。 因此， 必须增大过冷度， 增 加相变驱动力， 才能使相变继续进行。 马氏体的等温形成， 形核需要孕育期， 但是长大 速度仍然极快。
残余奥氏体量 γ/%
CrNi 不锈 方转变为六方 ε 马氏体的热力学， 如 FeFeMn 合金、 FeMnSi 合金等。 相变驱动力约为 钢、
1.00 0.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ0
0.10 0.05
Fe-1.1C 23 Fe-1.1C Fe-0.81C Fe-0.50C 24 Fe-0.37C
0.01 0.005 0 100 200 300 400 500
(Ms-Tq)/℃
图2 Fig． 2 碳素钢变温马氏体动力学指数方程曲线 Exponentequation kinetic curve of athermal martensite in carbon steel
多数钢的过冷奥氏体经变温转变形成马氏体， 因此钢经淬火至室温时的残留奥氏体量由马氏体点 Ms 、 M f 在室温以下时， M f 来决定。当马氏体点低时， 将有较多的残留奥氏体。如图 3 所示。 （ 2 ） 等温马氏体 一般的碳素钢、 合金钢都是降温形成马氏体， 但 W18Cr4V， 是某些高碳合金钢， 如 GCr15 、 虽然它们 主要是降温形成马氏体， 但在一定条件下， 也能等温 形成马氏体。对轴承钢油淬到室温， 再经 100 ℃ 等
·理论研究·
第 35 卷第 1 期 2014 年 2 月
热处理技术与装备 ＲECHULI JISHU YU ZHUANGBEI
Vol． 35 ， No． 1 2014 Feb，
马氏体相变研究的最新进展 （ 一 ）
100 ～ 450 J / mol。 （ 3 ） 相变驱动力小的马氏体相变。 这种相变的 驱动力很小， 只有数 J / mol。如面心立方的母相转变 为六方相马氏体以及 热 弹 性 马 氏 体。 钴、 钴 合 金、 FeNiCr 不锈钢等， 其相变驱动力很小， 如 Co 合金 为 － 4 ～ － 16 J / mol； 钛合金、 锆合金为 － 25 J / mol； Ag 和 Au 合金为 － 8 ～ － 20 J / mol； In 合金约为 － 1． 5 J / mol［5］。 1． 1． 2 按相变动力学特征分类 马氏体相变动力学特征可分为四类： 变温式、 等 温式、 爆发式和热弹性马氏体相变。 （ 1 ） 变温马氏体 大多数合金系具有变温马氏体相变特征。如图 1 所示， 成分为 C 的马氏体点为 M s ， 温 在冷却过程中， 度降低到 M s 以下发生相变， 不断降温， 不断转变， 转 变量取决于冷却到达的温度 T q 。 如图所示， 奥氏体 冷却到马氏体点 M s 时， 其转变量 f 开始形成马氏体， ， 随着温度的降低而不断增加 到达马氏体转变终了 点（ M f ） 温度时， 并没有得到 100% 的马氏体， 而是尚 有残余。
-80
Ms/℃
100 40 20 0
图3
0.4
0.8
含碳量 /%
1.2
1.6
23.2Ni-3.62Mn
碳钢的 M s 和残留奥氏体量与含碳量的关系 Diagram of relation between M s / amount of retained
温度 /℃
% 0. 2% 1
10%
5%
% 20
Fig． 3
1025 收稿日期： 2013-
应用透射电子显微镜、 扫描电镜等设备观察分析的 。 70 ， 结果 年代后 逐渐揭示了马氏体组织结构的实 质或真实面貌。马氏体的组织结构与性能之间的关 系也得到了较为清晰的认识， 促进了马氏体钢的研 究和热处理工艺的更新， 促进了新材料的开发和应 用。 ［2 － 4 ］ ， 马氏体相变的切变学 近年来的研究表明 说存在重重误区， 不仅缺乏试验证据， 而且不能解释 马氏体的组织形貌、 马氏体亚结构和马氏体形核长 “理论” 大机理， 总之， 马氏体相变的切变 并不成熟。
A→ M
0
Mf
Tq
温度 /℃
Ms
图1 Fig． 1
碳素钢变温马氏体相变动力学曲线 Kinetic curve of athermal martensite transformation in carbon steel
若以未转变的体积分数 （ 1 － f ） 表示转变情况， ［6 ］ 则与（ M s － T q ） 值呈指数关系 ： 1 － f = exp［ α（ M S － T q ） ］ （ 1） 式中： α 为常数， 决定于钢的成分。 碳素钢的含碳量 ＜ 1． 1% ， α = － 0． 011 ， 用半对数坐标制图得图 2 。对 其它钢， 尚需具体测定。各种钢的 α 值不等， 马氏体 点也不等， 则转变动力学曲线不同。
Latest Advances in Study on Martensite Phase Transformation（ 1 ）
LIU Zongchang，JI Yunping
（ School of Material and Metallurgy ，Inner Mongolia University of Science and Technology ， Baotou Inner Mongolia 014010 ，China） Abstract ： Martensite phase transformation has been researched for about a century ，but the systematic and mature theory about it is still needed to be investigated． In recent years，new studies about the morphology of martensite and the mechanism of martensite phase transformation are carried out by some chinese academics． The shear mechanism of martensite phase transformation is criticized and the new theory is proposed． The paper presents the microstructure ，crystallology ，thermodynamics，dynamics and the latest research results about nucleation and growth of martensite phase transformation ，which also includes the correction to the defective definitions and viewpoints both in experiment and in theory． Key words： martensite phase transformation； shear； dislocation； twin crystal； substructure； austenite
1 μm
图4 Fig． 4
轴承钢中的等温马氏体
NiC 合金马氏体转变的情况［6］。 征。图 6 示出了 Fe可见， 在 － 100 ℃ 左右时， 爆发量最大， 达到总体积的 60% ～ 70% ， 这么多的马氏体在一瞬间形成， 将伴有 声音和释放大量相变潜热， 会使试样温度上升。
Microstructure of isothermal martensite in bearing steel
-120
austenite in carbon steel and carbon content
-150
有三种形成方 可形成等温马氏体， 温（ M s ～ 112 ℃ ） ， 式： ①原有马氏体片的继续长大； ② 重新形核长大； ③在原有马氏体边上形成。图 4 示出的等温马氏体 （ 白色） ， 是轴承钢淬火后于 100 ℃ 等温 10 h 所得到 的马氏体组织， 其中黑色马氏体片是变温马氏体， 在 等温过程中发生了回火转变
刘宗昌， 计云萍
( 内蒙古科技大学材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014010 ) 要： 马氏体相变已研究一个世纪， 但没有形成系统成熟理论。近年来， 国内一些学者开展了马氏 、 ， ， “ ” 体组织形态 转变机制的新观察 新探讨 批驳了被认为是成熟 理论 的切变机制， 提出了新理论。 摘 本讲座主要讲述马氏体相变组织学 、 晶体学、 热力学、 动力学以及形核长大等方面新的研究成果， 也 包括从实验上、 理论上对错误的定义、 观点、 学说的修正。 关键词： 马氏体相变; 切变; 位错; 孪晶; 亚结构; 奥氏体 000107 中图分类号： TG111． 5 文献标志码： A 文章编号： 1673 － 4971 （ 2014 ） 01-