第四章马氏体转变
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第四章 马氏体转变 Martensite and Its Transformation
王建刚
概述
1. 马氏体转变是由钢经A化后快速冷却抑制其扩散型分解，在降 低的温度下发生的无扩散型相变。M转变是钢件热处理强化的 主要手段，产生马氏体相变的热处理工艺称为淬火。因此，M 转变的理论研究与热处理生产实践有十分密切的关系。
• 马氏体的概念（用晶体结构的角度）：C在α-Fe中的过饱 和间隙固溶体。
α-Fe的含碳量：最大在727℃， 0.0218％C。 室温下，≈0.006％C
• 钢中M的性质主要取决于其晶体结构。经实验证实，M具
有体心正方点阵，-＇转变只有晶格改组而无成分变化，
即奥氏体中固溶的C全部保留在M点阵之中。随着M碳含量 的不同，其点阵常数也相应发生变化。
重点与难点
• 重点： 1. 马氏体转变的主要特点； 2. Ms点定义及影响因素； 3. 马氏体的组织形态及力学性能。
• 难点： 1. 马氏体转变的特点； 2. 马氏体产生异常正方度的原因以及马氏 体相变的晶体学位向关系。 3. 影响马氏体转变的因素。
§4.1 马氏体的晶体结构和转变特点
§4.1.1 马氏体的晶体结构
变“理论”和范性协作模型，以及多次切变模型。到20世纪末 就马氏体相变机制已经提出10余种模型，但均不够成熟。近一 个世纪马氏体及马氏体相变的研究已经取得了辉煌的成就。马 氏体相变热力学、马氏体相变动力学、马氏体相变组织学、马 氏体相变晶体学、马氏体的性能及其材料开发应用等各方面的 研究均获得了显著的进展。
2. 由于钢的成分及热处理条件不同，所获得的马氏体形态和亚 结构亦不同，继而对钢的组织和力学性能产生影响。通过对M 的形成规律的了解，可以指导热处理生产实践，充分发挥钢 材潜力。
3. 马氏体相变的含义很广泛，不仅金属材料，在陶瓷材料中也 发现马氏体相变。因此，凡是相变的基本特征属于切变共格 型的相变都称为马氏体相变，其相变产物都称为马氏体。
马氏体研发史
20世纪20年代以来，马氏体相变是金属学最活 跃的研究领域之一。发现不仅钢中存在马氏体相变， 在有色金属及合金、陶瓷材料中都可发生马氏体相 变。
1924年，Bain提出了马氏体相变的应变模型， 称为贝茵模型。
1929年，周志宏等首先将电解铁淬入水银，获 得马氏体组织。此举证明，马氏体也可以是体心立 方结构，不是碳Hale Waihona Puke Baiduα-Fe中过饱和固溶体。
4.1.1 马氏体的晶体结构
(一) 马氏体的晶胞及点阵常数
碳原子在点阵中分布的可能位置是α-Fe体心立方晶胞的各棱边的 中央和面心处，即八面体间隙处。
—C原子 —Fe原子
4.1.1 马氏体的晶体结构
4.1.1 马氏体的晶体结构
碳择优分布在c轴方向上的 八面体间隙位置。这使得c 轴伸长，a轴缩短，晶体结 c 构变为体心正方。
马氏体研发史
但是，就马氏体相变机制的研究，尚未形成完整而成熟的 理论体系，假说较多。
马氏体的概念尚不确切，马氏体相变的概念尚存在缺点， 需要使其更加正确。马氏体相变的自组织机制尚需要进一步 地深入研究。Cohen教授曾经指出：马氏体相变可能是自然 界中最为神奇美妙的过程之一。
马氏体相变是材料科学中重要的转变之一。其研究具有巨 大的理论和实际价值。
马氏体相变相对于珠光体分解来说，是在低温下进行的无 扩散相变，因此，马氏体相变具有一系列的相变特征，不仅 在钢中，在有色金属及合金、陶瓷材料中也发生马氏体相变。
主要内容
• 绪言 • §4-1 钢中马氏体的晶体结构 • §4-2 马氏体转变的主要特点 • §4-3 马氏体的组织形态及物理本质 • §4-4 马氏体相变热力学 • §4-5 马氏体相变动力学 • §4-6 奥氏体的稳定化 • §4-7 马氏体的力学性能 • 复习思考题
马氏体研发史
我国早在战国时代就已进行了钢的淬火，出土 西汉剑具有淬火马氏体组织。到19世纪中叶，索 拜（Sorby）首先用金相显微镜观察到淬火钢中 的这种硬相。1895年法国人Osmond将其命名为 马氏体（Martensite) 。
1926～1927年Γ． B．库尔久莫夫等用X射线 技术测得钢中马氏体为体心正方结构，并认为马 氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
马氏体研发史
1930年，Γ. B．库尔久莫夫和G．萨克斯（Sacks）首先 测得Fe-C合金马氏体与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关 系，即K-S关系。
1933年，R. E．迈尔（Mehl )测得在中、高碳钢中马氏体 在奥氏体的｛225｝，晶面上形成，被称为惯习面。
1934年，西山测得Fe-Ni合金马氏体相变时存在西山关系。 1949年，Greniger和Troiano测定了Fe-22 % 、Ni-0.8C％合 金中的马氏体位向，发现了G-T关系。 1951年，J. W. Christian首先提出了马氏体相变的层错形核 模型。1953年，Frank首先提出 Fe-C｛225｝，马氏体与母相 间的位错界面模型。它促成了K-D位错胞核胚模型的提出。
马氏体研发史
• 1952年，张经录首先用金相显微镜观察到Au-Cd合金马氏 体的孪晶。
• 1953～1954年，同时独立地提出两个马氏体相变的表象学 假说，其一称为“W-L-R理论”；另一个称为“B-M理论”。
• 1964年，Bogers-Burgers双切变模型被提出。 20世纪60年代末，70年代初先后提出马氏体相变的协作形
轴比c/a ——马氏体的正方
度。
碳含量对正方度的影响
上述关系也可用下列 公式表示：
c a0
a a0
c / a 1
C% 越高，正方度越大， 正方畸变越严重。
当＜0.20%C时，c/a=1， 马氏体为体心立方晶格
式中，a0＝ 2.861Ả（-Fe点阵常数） ＝ 0.116 β＝ 0.013
＝ 0.046
ρ-马氏体碳含量(重量百分数)
4.1.1 马氏体的晶体结构
(二) 马氏体的反常正方度
1. 亚点阵概念 并非所有的C 原子都能占据可能位置，这些可能位置可分 为三组，每一组都构成一个八面体，C 原子分别占据着这些八 面体的顶点。由C 原子构成的八面体点阵称为亚点阵。
王建刚
概述
1. 马氏体转变是由钢经A化后快速冷却抑制其扩散型分解，在降 低的温度下发生的无扩散型相变。M转变是钢件热处理强化的 主要手段，产生马氏体相变的热处理工艺称为淬火。因此，M 转变的理论研究与热处理生产实践有十分密切的关系。
• 马氏体的概念（用晶体结构的角度）：C在α-Fe中的过饱 和间隙固溶体。
α-Fe的含碳量：最大在727℃， 0.0218％C。 室温下，≈0.006％C
• 钢中M的性质主要取决于其晶体结构。经实验证实，M具
有体心正方点阵，-＇转变只有晶格改组而无成分变化，
即奥氏体中固溶的C全部保留在M点阵之中。随着M碳含量 的不同，其点阵常数也相应发生变化。
重点与难点
• 重点： 1. 马氏体转变的主要特点； 2. Ms点定义及影响因素； 3. 马氏体的组织形态及力学性能。
• 难点： 1. 马氏体转变的特点； 2. 马氏体产生异常正方度的原因以及马氏 体相变的晶体学位向关系。 3. 影响马氏体转变的因素。
§4.1 马氏体的晶体结构和转变特点
§4.1.1 马氏体的晶体结构
变“理论”和范性协作模型，以及多次切变模型。到20世纪末 就马氏体相变机制已经提出10余种模型，但均不够成熟。近一 个世纪马氏体及马氏体相变的研究已经取得了辉煌的成就。马 氏体相变热力学、马氏体相变动力学、马氏体相变组织学、马 氏体相变晶体学、马氏体的性能及其材料开发应用等各方面的 研究均获得了显著的进展。
2. 由于钢的成分及热处理条件不同，所获得的马氏体形态和亚 结构亦不同，继而对钢的组织和力学性能产生影响。通过对M 的形成规律的了解，可以指导热处理生产实践，充分发挥钢 材潜力。
3. 马氏体相变的含义很广泛，不仅金属材料，在陶瓷材料中也 发现马氏体相变。因此，凡是相变的基本特征属于切变共格 型的相变都称为马氏体相变，其相变产物都称为马氏体。
马氏体研发史
20世纪20年代以来，马氏体相变是金属学最活 跃的研究领域之一。发现不仅钢中存在马氏体相变， 在有色金属及合金、陶瓷材料中都可发生马氏体相 变。
1924年，Bain提出了马氏体相变的应变模型， 称为贝茵模型。
1929年，周志宏等首先将电解铁淬入水银，获 得马氏体组织。此举证明，马氏体也可以是体心立 方结构，不是碳Hale Waihona Puke Baiduα-Fe中过饱和固溶体。
4.1.1 马氏体的晶体结构
(一) 马氏体的晶胞及点阵常数
碳原子在点阵中分布的可能位置是α-Fe体心立方晶胞的各棱边的 中央和面心处，即八面体间隙处。
—C原子 —Fe原子
4.1.1 马氏体的晶体结构
4.1.1 马氏体的晶体结构
碳择优分布在c轴方向上的 八面体间隙位置。这使得c 轴伸长，a轴缩短，晶体结 c 构变为体心正方。
马氏体研发史
但是，就马氏体相变机制的研究，尚未形成完整而成熟的 理论体系，假说较多。
马氏体的概念尚不确切，马氏体相变的概念尚存在缺点， 需要使其更加正确。马氏体相变的自组织机制尚需要进一步 地深入研究。Cohen教授曾经指出：马氏体相变可能是自然 界中最为神奇美妙的过程之一。
马氏体相变是材料科学中重要的转变之一。其研究具有巨 大的理论和实际价值。
马氏体相变相对于珠光体分解来说，是在低温下进行的无 扩散相变，因此，马氏体相变具有一系列的相变特征，不仅 在钢中，在有色金属及合金、陶瓷材料中也发生马氏体相变。
主要内容
• 绪言 • §4-1 钢中马氏体的晶体结构 • §4-2 马氏体转变的主要特点 • §4-3 马氏体的组织形态及物理本质 • §4-4 马氏体相变热力学 • §4-5 马氏体相变动力学 • §4-6 奥氏体的稳定化 • §4-7 马氏体的力学性能 • 复习思考题
马氏体研发史
我国早在战国时代就已进行了钢的淬火，出土 西汉剑具有淬火马氏体组织。到19世纪中叶，索 拜（Sorby）首先用金相显微镜观察到淬火钢中 的这种硬相。1895年法国人Osmond将其命名为 马氏体（Martensite) 。
1926～1927年Γ． B．库尔久莫夫等用X射线 技术测得钢中马氏体为体心正方结构，并认为马 氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。
马氏体研发史
1930年，Γ. B．库尔久莫夫和G．萨克斯（Sacks）首先 测得Fe-C合金马氏体与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关 系，即K-S关系。
1933年，R. E．迈尔（Mehl )测得在中、高碳钢中马氏体 在奥氏体的｛225｝，晶面上形成，被称为惯习面。
1934年，西山测得Fe-Ni合金马氏体相变时存在西山关系。 1949年，Greniger和Troiano测定了Fe-22 % 、Ni-0.8C％合 金中的马氏体位向，发现了G-T关系。 1951年，J. W. Christian首先提出了马氏体相变的层错形核 模型。1953年，Frank首先提出 Fe-C｛225｝，马氏体与母相 间的位错界面模型。它促成了K-D位错胞核胚模型的提出。
马氏体研发史
• 1952年，张经录首先用金相显微镜观察到Au-Cd合金马氏 体的孪晶。
• 1953～1954年，同时独立地提出两个马氏体相变的表象学 假说，其一称为“W-L-R理论”；另一个称为“B-M理论”。
• 1964年，Bogers-Burgers双切变模型被提出。 20世纪60年代末，70年代初先后提出马氏体相变的协作形
轴比c/a ——马氏体的正方
度。
碳含量对正方度的影响
上述关系也可用下列 公式表示：
c a0
a a0
c / a 1
C% 越高，正方度越大， 正方畸变越严重。
当＜0.20%C时，c/a=1， 马氏体为体心立方晶格
式中，a0＝ 2.861Ả（-Fe点阵常数） ＝ 0.116 β＝ 0.013
＝ 0.046
ρ-马氏体碳含量(重量百分数)
4.1.1 马氏体的晶体结构
(二) 马氏体的反常正方度
1. 亚点阵概念 并非所有的C 原子都能占据可能位置，这些可能位置可分 为三组，每一组都构成一个八面体，C 原子分别占据着这些八 面体的顶点。由C 原子构成的八面体点阵称为亚点阵。