材料科学基础-材料的亚稳态(3)
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材料的亚稳态（3）
马氏体转变
马氏体转变是一类无扩散型的固态相变，马氏体为亚稳相。 将钢加热至奥氏体后快速淬火，所形成的高硬度的针片状组织。
转变特点: (1)无扩散性 (2)切变共格与表面浮凸 (3)惯习面及位向关系 (4)转变是在一个温度范围内进行的 (5)转变不完全
马氏体转变
性能:高强度、高硬度 相变强化 固溶强化 细晶强化
（2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为 双程记忆效应。
（3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形 状，称为全程记忆效应。
单程
初始形状
低温变形
加热
双程
全程
冷却
热弹性马氏体相变及形状记忆效应
C0
C2
C4
C6
C8
Ni Mn Ga
热弹性马氏体转变
热弹性马氏体形貌示意图
(2)马氏体形态与性能
片状马氏体组织：当碳含量大于1.0%时，则形成片状马氏体,或针状马氏体 （亦称高碳马氏体，孪晶马氏体） 。在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状， 在空间形同铁饼。 性能特点：得到的高碳片状马氏体过饱和度大，严重的晶格畸变产生大的内 应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性 和韧性很低。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体的亚结构
马氏体组织内往往由密度较高的位错或较细的孪晶为其亚结构。
这种亚结构，例如孪晶，表明有些区域经过了切变，而有的区域 则未经切变。可见，马氏体内的亚结构是相变时不均匀（局部） 切变的产物。
马氏体转变（组织结构与形态）
板
片
条
状
马
马
氏
氏
体
体
位
孪
错
晶
马
马
氏
氏
体
体
低碳马氏体
高碳马氏体
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
钢中马氏体形貌
马氏体转变（晶体学特点）
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
铁材料。 ❖ 金相法：回火马氏体易于腐蚀，淬火马氏体不易腐蚀。
电 Ms=120℃ 阻
电 阻
As=510℃
120
温度
510
温度
热弹性马氏体
马氏体随着加热和冷却，母相和马氏体之间互相转换，具有可逆性。 1）相变驱动力小，热滞小。 2）马氏体和母相的相界面能做正、逆向移动，界面共格关系未破坏。 3）形状应变为弹性协作性质，弹性储能提供逆向相变的驱动力。 4）母相具有高的弹性极限 5）母相应呈有序化状态。
铁原子 原子扩
散 碳原子
点阵改组
扩散 扩散 扩散
无扩散 扩散 切变共格
无 无 切变共格
贝氏体的形貌及其亚结构
上贝氏体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•其贝氏体铁素体板条成束地自晶界向 晶内生长，在光学显微镜下形似羽毛状， 故有羽毛状贝氏体之称，板条间的渗碳 体呈粒状或短片状，可在电子显微镜下 观察到渗碳体的形态。
上贝氏体形态
(a)光学显微照片 1300×
U1
U2
U3
单胞
C8显微形貌和电子衍射图
孪晶
孪晶结构 二次孪晶
不同取向孪晶 惯习面
arccos( U-i1mi (RiU1 )-Tnˆ ) U-i1mi (RiU1 )-T nˆ
Φ为85.04°
79.70° 100.30°
贝氏体相变
贝氏体的等温转变曲线
贝氏体的形成
珠光体相变 贝氏体相变 马氏体相变
高碳马氏体
球墨铸铁淬火 G球+M+Aˊ
低碳马氏体
15钢淬火组织 M低
应力（磁、电）驱动的马氏体相变
形状记忆效应和形状记忆合金
在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状， 这种现象叫做形状记忆效应（SME）。 具有形状记忆效应的金属，称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种 （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这 种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
❖ 造成均匀变形且惯习面为不变平面的应变即为不 变平面应变。
Bain转变模型示意图
K-S关系(<1.4%C)：{111}γ//{110}m, {110}γ//{111}m 西山关系(>1.4%C)： {111}γ//{110}m, {211}γ//{011}m
马氏体片转变情况
马氏体片形成只能通过滑移或孪生方式实现。 马氏体内部亚结构由高密度位错和大量微孪晶所组成。
(b) 电子显微照片 5000×
性能特点：上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布 在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。工业生产中一般 不用这种组织的材料来制造机械零件。
共析钢中上贝氏体组织特征
二、共析钢过冷奥氏体转变产物 ★
1.珠光体型转变 （高温转变）区 2.贝氏体型转变 （中温转变）区 3.马氏体型转变 （低温转变）区
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体转变动力学
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体片形成时产生的浮凸示意图
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 形即为均匀变形。
钢的化学成分对马氏体点的影响 变温马氏体相变，与温度有关，瞬间（几分 之一秒内）剧烈地 形成大量马氏体，有的高达70%M。
高镍钢中马氏体等温转变曲线（Ni: 23wt％） 等温马氏体转变：FeNiMn, FeNiCr, CuAu, CoPt
马氏体转变动点测量
❖ 膨胀法：利用母相与马氏体之间比容的不同 ❖ 电阻法：利用两相间电容的不同 ❖ 磁性法：奥氏体不具有铁磁性，马氏体具有铁磁性。只可用于钢
马氏体转变
马氏体转变是一类无扩散型的固态相变，马氏体为亚稳相。 将钢加热至奥氏体后快速淬火，所形成的高硬度的针片状组织。
转变特点: (1)无扩散性 (2)切变共格与表面浮凸 (3)惯习面及位向关系 (4)转变是在一个温度范围内进行的 (5)转变不完全
马氏体转变
性能:高强度、高硬度 相变强化 固溶强化 细晶强化
（2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为 双程记忆效应。
（3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形 状，称为全程记忆效应。
单程
初始形状
低温变形
加热
双程
全程
冷却
热弹性马氏体相变及形状记忆效应
C0
C2
C4
C6
C8
Ni Mn Ga
热弹性马氏体转变
热弹性马氏体形貌示意图
(2)马氏体形态与性能
片状马氏体组织：当碳含量大于1.0%时，则形成片状马氏体,或针状马氏体 （亦称高碳马氏体，孪晶马氏体） 。在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状， 在空间形同铁饼。 性能特点：得到的高碳片状马氏体过饱和度大，严重的晶格畸变产生大的内 应力，大片之间易产生显微裂纹。片状马氏体具有高的硬度和强度，但塑性 和韧性很低。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体的亚结构
马氏体组织内往往由密度较高的位错或较细的孪晶为其亚结构。
这种亚结构，例如孪晶，表明有些区域经过了切变，而有的区域 则未经切变。可见，马氏体内的亚结构是相变时不均匀（局部） 切变的产物。
马氏体转变（组织结构与形态）
板
片
条
状
马
马
氏
氏
体
体
位
孪
错
晶
马
马
氏
氏
体
体
低碳马氏体
高碳马氏体
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
钢中马氏体形貌
马氏体转变（晶体学特点）
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
铁材料。 ❖ 金相法：回火马氏体易于腐蚀，淬火马氏体不易腐蚀。
电 Ms=120℃ 阻
电 阻
As=510℃
120
温度
510
温度
热弹性马氏体
马氏体随着加热和冷却，母相和马氏体之间互相转换，具有可逆性。 1）相变驱动力小，热滞小。 2）马氏体和母相的相界面能做正、逆向移动，界面共格关系未破坏。 3）形状应变为弹性协作性质，弹性储能提供逆向相变的驱动力。 4）母相具有高的弹性极限 5）母相应呈有序化状态。
铁原子 原子扩
散 碳原子
点阵改组
扩散 扩散 扩散
无扩散 扩散 切变共格
无 无 切变共格
贝氏体的形貌及其亚结构
上贝氏体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•其贝氏体铁素体板条成束地自晶界向 晶内生长，在光学显微镜下形似羽毛状， 故有羽毛状贝氏体之称，板条间的渗碳 体呈粒状或短片状，可在电子显微镜下 观察到渗碳体的形态。
上贝氏体形态
(a)光学显微照片 1300×
U1
U2
U3
单胞
C8显微形貌和电子衍射图
孪晶
孪晶结构 二次孪晶
不同取向孪晶 惯习面
arccos( U-i1mi (RiU1 )-Tnˆ ) U-i1mi (RiU1 )-T nˆ
Φ为85.04°
79.70° 100.30°
贝氏体相变
贝氏体的等温转变曲线
贝氏体的形成
珠光体相变 贝氏体相变 马氏体相变
高碳马氏体
球墨铸铁淬火 G球+M+Aˊ
低碳马氏体
15钢淬火组织 M低
应力（磁、电）驱动的马氏体相变
形状记忆效应和形状记忆合金
在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状， 这种现象叫做形状记忆效应（SME）。 具有形状记忆效应的金属，称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种 （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这 种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
❖ 造成均匀变形且惯习面为不变平面的应变即为不 变平面应变。
Bain转变模型示意图
K-S关系(<1.4%C)：{111}γ//{110}m, {110}γ//{111}m 西山关系(>1.4%C)： {111}γ//{110}m, {211}γ//{011}m
马氏体片转变情况
马氏体片形成只能通过滑移或孪生方式实现。 马氏体内部亚结构由高密度位错和大量微孪晶所组成。
(b) 电子显微照片 5000×
性能特点：上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布 在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。工业生产中一般 不用这种组织的材料来制造机械零件。
共析钢中上贝氏体组织特征
二、共析钢过冷奥氏体转变产物 ★
1.珠光体型转变 （高温转变）区 2.贝氏体型转变 （中温转变）区 3.马氏体型转变 （低温转变）区
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体转变动力学
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体片形成时产生的浮凸示意图
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 形即为均匀变形。
钢的化学成分对马氏体点的影响 变温马氏体相变，与温度有关，瞬间（几分 之一秒内）剧烈地 形成大量马氏体，有的高达70%M。
高镍钢中马氏体等温转变曲线（Ni: 23wt％） 等温马氏体转变：FeNiMn, FeNiCr, CuAu, CoPt
马氏体转变动点测量
❖ 膨胀法：利用母相与马氏体之间比容的不同 ❖ 电阻法：利用两相间电容的不同 ❖ 磁性法：奥氏体不具有铁磁性，马氏体具有铁磁性。只可用于钢