马氏体转变的晶体学

马氏体转变的晶体学
（一）马氏体的晶体结构
1、马氏体的晶格类型
Fe-C 合金的马氏体是C 在中的过饱和间隙固溶体。

X-射线衍射分析证实，马氏体具有体心正方点阵（点阵常数之间的关系为：a=b ≠c ，α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。

人们通过X-射线衍射分析法，测定不同碳含量马氏体的点阵常数，得出c 、a 及c/a 与钢中碳含量成线性关系，由图7可见，随钢中碳含量升高，马氏体点阵常数c 增大，a 减小，正方度c/a 增大。

图中a γ为奥氏体的点阵常数。

马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：
⎪⎭
⎪⎬⎫+=-=+=γρβραρ1/00a c a a a c
式中 a 0为α-Fe 的点阵常数， a 0=2.861Å；
α=0.116±0.002；
β=0.113±0.002；
γ=0.046±0.001；
ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。

显然，系数α和β的数值确定着C 原子在α-Fe 点阵中引起的局部畸变。

上式所表示的马氏体点
阵常数和碳含量的关系，长期
图8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构
及溶于其中的碳原子所在的位置
以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。

马氏体的正方度c/a，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。

2、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布
C 原子在中α-Fe 可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。

在单胞中就是各边中央和面心位置，如图8所示。

体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a ，短轴为c 。

根据计算，α-Fe 中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19Å，而C 原子的有效半径为
0.77Å。

因此，在平衡状态下，C 在α-Fe 中的溶解度极小（0.006%）。

一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。

因此，势必引起点阵发生畸变。

图9中只指出了C 原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C 原子存在。

这些位置可以分为三组，每组构成一个八面体，C 原子分别占据着这些八面体的顶点，通常把这三种结构称之为亚点阵。

图中a ）称为第三亚点阵，C 原子在c 轴上；b ）称为第二亚点阵，C 原子在b 轴上；c ）称为第一亚点阵，C 原子在a 轴上；如果C 原子在三个亚点阵上分布的机率相等，即无序分布，则马氏体应为立方点阵。

事实上，马氏体点阵是体心立方的，可见C 原子在三个亚点阵上的分布机率是不相等的，可能优先占据其中某一个亚点阵，而呈现为有序分布。

通常假设马氏体点阵中的C 原子优先占据八面体间隙位图9 C 原子在马氏体点阵中的可能位置构成的亚点阵
置的第三亚点阵，即C原子平行于[001]方向排列。

结果使c 轴伸长，a轴缩短，使体心立方点阵的α-Fe变成体心正方点阵的马氏体，研究表明，并不是所有的C原子都占据第三亚点阵的位置，通过中子辐照分析的结论是近80%的C原子优先占据第三亚点阵，而20%的C原子分布其他两个亚点阵，即在马氏体中，C原子呈部分有序分布。

（二）马氏体的异常正方度
人们研究马氏体时发现，对许多钢中“新形成的马氏体”，正方度与碳含量的关系并不符合上述公式。

有的与公式相比较，正方度相当低，称为异常低正方度。

有的与公式相比较，正方度相当高，称为异常高正方度。

异常低正方度马氏体的点阵是正交对称的，即a≠b。

而异常高正方度马氏体的点阵是正方的，即a=b。

并且发现异常正方度与公式计算的正方度的偏着随钢C含量升高而增大。

人们由此推测，马氏体的异常正方度现象可能与C原子在马氏体点阵中的某种行为有关。

在普通碳钢新形成的马氏体中及其他具有异常低正方度的新形成马氏体中，C原子也都是部分无序分布的。

正方度越低，则无序分布程度越大，有序分布程度越小。

只有异常高正方度马氏体中，C原子才接近全部占据八面体间隙的第三亚点阵。

但是，计算发现，即使全部C原子占据第三亚点阵，马氏体的正方度也不能达到实验中所测得的异常正方
度。

因此，有人认为，在某些钢中马氏体的异常正方度还与合金元素的有序分布有关。

按上述模型，我们不难解释，具有异常低正方度的新形成马氏体，因其C原子是部分无序分布的，因而正方度异常低。

正因为部分无序分布，所以有相当数量的碳原子分布在第一、第二亚点阵上，当它们在这两个亚点阵上的分布机率不等时，必引起a≠b，而形成了正交点阵。

在温度回升到室温时，C原子重新分布，有序程度增大，故正方度增大，而正交对称性逐渐减小，以至消失。

因此，新形成马氏体的正方度变化，是C原子在马氏体点阵中重新分布引起的。

这个过程就是C原子在马氏体点阵中的有序-无序转变。

这个转变的动力是C原子只在八面体间隙位置的一个亚点阵上分布时具有最小的弹性能。

这与理论计算结果符合。

近几年发现经中子流、电子流、-射线辐照的马氏体有正方度的可逆变化。

辐照后，正方度下降，随后在室温时效几个月，正方度复又上升。

这种可逆变化可以被认为是C原子有序-无序转变过程存在的有力证明。

马氏体经辐照后，由于缺陷密度升高，使C原子发生重新分布，部分C原子离开第三亚点阵向点阵缺陷处偏聚，因而正方度下降。

时效时，由于点阵缺陷的密度下降，C原子又逐渐回到第三亚点阵上，因此正方度又逐渐上升。

（三）惯习面与位向关系
1、惯习面
马氏体晶粒的外形可以有多种形态，
或呈透镜片状，或呈板条状。

实验证明，
马氏体转变不仅新相和母相的一定的
位向关系，而且马氏体的平面或界面常常和母相点阵的某一晶面接近平行，其差在几度之内，我们称这个面为惯习面，并且以平行惯习面的母相晶面指数来表示，如图10所示。

此惯习面即前面所说的马氏体转变的不变平面。

对于透镜片状马氏体来说，即马氏体片的中脊面。

钢中马氏体的惯习面随奥氏体的碳含量及马氏体的形成温度而异，常见的有三种：（111）γ、（225）γ、（259）γ。

含碳量小于0.6%时，为（111）γ；
含碳量在0.6~1.4%之间，为（225）γ；含碳量高于1.4%时，为（259）γ。

随马氏体形成温度下降，惯习面有向高指数变化的趋势，故对同一成分的钢，也可能出现两种惯习面，如先形成的马氏体惯习面（225）γ为，而后形成的马氏体惯习面为（259）γ。

2、位向关系
马氏体转变的晶体学特征是，马氏
体与母相之间存在着一定的位向关系，
这是由马氏体转变的切变机构所决定
的。

在钢中已经观察到的位向关系有K
—S 关系、西山关系和G —T 关系。

图10 马氏体惯习示意图
图11 钢中马氏体在奥氏体（111）
面上形成时可能有的取向
（1）K —S 关系（库尔久莫夫和萨克斯关系）
库尔久莫夫和萨克斯用X-射线结构分析方法测得含
1.4%碳的碳钢中的马氏体与奥氏体之间存在着下列位向关系，称为K —S 关系。

{110}αˊ∥{111}γ <111>αˊ∥<110>γ
按照这样的位向关系，马氏体在母相中可以有24个不同的取向。

如图11所示，在每个{111}γ面上，马氏体可能有六种不同的取向，而立方点阵中有四个不同的{111}γ，因此共有24个可能的取向。

（2）西山（Nishiyama ）关系
西山在测定Ni30%的Fe-Ni 合金
中的马氏体与奥氏体之间的位向关
系时发现，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之间
存在以下的位向关系，称为西山关
系：
{110}αˊ∥{111}γ <110>αˊ∥<112>γ
在奥氏体的每个{111}上，各有三个不同的<112>方向。

在每个方向上，马氏体只可能有一个取向，故每个{111}γ面上只能有三个不同的马氏体取向，四个{111}γ面共有12个可能的马氏体取向，如图12所示。

图12 钢中马氏体在（111）γ面上形成 时可能有的三种不同的西山取向
图13是西山关系和K —S 关系的比较。

可以看出，晶面
的平行关系相同，而平行方向却有5°16ˊ之差。

（3）G —T （Greniger Troiano ）关系（格伦宁格 特赖雅诺） Greniger 和Troiano 精确测量了Fe-0.8%C-22%Ni 合金的奥氏体与马氏体的位向，结果得出，二者之间的位向接近K —S 关系，但略有偏差，称为G —T 关系：
{110}αˊ∥{111}γ差1° <111>αˊ∥<110>γ差2°
图13 西山关系与K —S 关系的比较。