第04章 马氏体转变

根据钢的成分不同，马氏体可能有 体心立方(bcc)、体心正方
(bct)和体心斜方(bcp)三种晶格，统称为α马氏体(αM)。
�用X射线研究Fe-Mn合金时发现了ε马氏体或六方马氏体； �上世纪60年代初期，在Fe-Mn钢中发现ε′马氏体； �1965年,对单晶体低温X射线研究时,发现一种名为k ′的马氏体。
马氏体是C和合金元素在α-Fe中的过饱
和固溶体。C溶入bcc点阵的α-Fe中时会 引起较大的点阵畸变。C原子在 12[001]位置 呈择优分布, 造成bcc点阵被畸变为体心
正方(bct)结构。
碳原子在α-Fe中的位置有两种可能:
八面体和四面体间隙。已经证实,在室温 以上,碳原子择优占据c(或z)轴上的八面 马氏体晶格模型及碳的位置
三、马氏体转变的特点
1、表面浮凸效应和切变共格性; 出现表面浮凸效应说明马氏体转
变是通过切变方式进行的;同时,新相 与母相间保持共格关系。
马氏体形成时表面浮凸示意图
共格界面的界面能较小，但弹 性应变能较大。因此,随着马氏体 的形成,其周围奥氏体点阵中将产 生一定的弹性应变,导致应变能的 产生,并且,这种应变能随马氏体 马氏体形成时在其周围奥氏体点阵中 尺寸增大而增大。
3、具有特定的位向关系和惯习面 1）位向关系
马氏体与原奥氏体之间存在严格的 晶体学位向关系，常见的有以下几种：
K-S(Kurdjumov-Sachs)关系: {111}γ∥{011}α′; <110>γ∥<111>α′ 西山(Nishiyama)关系: {111}γ∥{011}α′; <112>γ∥<110>α′
带有中脊的片状马氏体×500
片状马氏体长大过程中位向关系与亚结构的变化
3、蝶状马氏体 在Fe-30%Ni、Fe-31%Ni、Fe-29%Ni-0.26%C及共析与过共
析钢中发现。可由冷却生成，也可应力促发或应变诱发生成。
1)金相组织：形状象蝴蝶。 2)立体形态：由两个半圆凸透镜呈钝角对接,犹如钝角(136°) 角钢,
①横截面为椭圆形,呈扁条状, 板条的宽度和厚度随成
分不同而异；
②横截面为矩形,呈薄板状。
3)组织特征：a)尺寸大约相同且相互平行、具有相同位向板条组成
M群;
b)一个A晶粒可以形成几种取向不同的 M群;
c)一个M群中各板条基本平行,群与群之间存在较大的
位向差;
d) 先形成的M较宽,后形成的较
窄;
e) 在M条的周围存在AR薄膜,厚 度仅100~200Å。
马氏体转变中不均匀切变示意图
a)奥氏体 b)马氏体 c)通过滑移来协调应变 d)通过孪生来协调应变
四、K-N-V(Kelly-Nutting-Venables)模型
观点：密排面堆垛顺序发生了变化。
过程：在母相(111)密排面上每隔一层滑过一个萧克莱不全位错。
这一变化在层错能较低的合金中完全可能实现。
有向高指数面变化的趋势。 3）由于马氏体惯习面不同，马氏体
的组织形态也将有所差异。
4）马氏体-奥氏体的界面并不都是 平直的。
“宏观惯习面”是两相的界面,随着 台阶密度或形貌变化其指数将发生变 化;
“微观惯习面”是真正的惯习面,其 指数不随台阶密度或形貌变化而改变 , 是始终不变的。
4、转变的不完全性 马氏体转变开始点：MS 马氏体转变终了点：Mf 马氏体转变即使终止，也不能得到100%的马氏体，仍保留部
生畸变和转动。这种在不变平面上所产生的均匀应变称为 不变平 面应变。
三种不变平面应变示意图
（底面均为不变平面）
惯习面的几点说明：
1）钢中马氏体转变的惯习面随含碳量不同而异 ,常见的有三种:
(1) wc<0.4%：{111}γ;
(2) 0.5%<wc<1.4%：{225}γ;
(3) 1.5%<wc<1.8%：{259}γ; 2）随着温度下降马氏体转变惯习面
钢的热处理
（原理与工艺时
越
期。我们的祖先当时已经知道，将钢
王
加热到高温后淬入水或油中急冷可提
勾
高钢的硬度。经过淬火后的钢制宝剑
践
可“削铁如泥”。但当时并不清楚淬火
剑
硬化的机理。直到19世纪金相显微镜
的发明，人们才清楚，钢在加热和冷
却过程中内部组织发生了变化，因而
状; 有的还具有明显的中脊(wC>1.4%的钢中,有人认为是 转变开始面或惯习面痕迹)，呈闪电状。 3)组织特征：a)M片一般不平行,呈一定角度排列分布于A晶粒内。 b)先形成的M尺寸较大，后形成的越来越小。粗大的
可贯穿A晶粒，但不能越过; c)有的M相遇处(或M片与晶界相遇处)有明显的裂纹。 4)亚结构：主要由很多平行的细小{112}M型孪晶组成，孪晶一般集 中在中脊部分，而外围存在较高密度的位错。 5)惯习面：{225}γ或{259}γ
引起了钢性能的变化。为了纪念著名
的德国冶金学家Adolph Martens，
将钢淬火后得到的高硬度相称为 马氏
体，因此将获得马氏体的转变过程称
为马氏体转变。
马氏体转变是相变研究领域最多
姿多彩的一个分支。
§4-1．马氏体的晶体结构和转变特点
一、马氏体的晶体结构
�最初在多数的碳钢、合金钢及其它铁合金中发现 ;
φ、 k ′和α五种。其中α为这些钢中马氏体转变的最终产物。
由前面可知，根据钢的成分和热处理条件的不同，马氏体的晶
体结构也有所不同： 1）α马氏体(αM) 可能有体心立方(bcc)、体心正方(bct)和体 心斜方(bcp)三种晶格； 2） ε马氏体或六方马氏体具有密排六方晶格(hcp)； 3）ε’马氏体具有18层的菱面体晶格，属于一种密排结构； 4）k’的马氏体也具有体心立方或体心斜方晶格； 5） φ相具有六层结构
三、G-T(Greninger-Troiano)模型
观点：两次切变。
过程： 首先在接近于(259)γ面上产生宏观均匀切变(如图b)所示，造成 表面浮凸，并确定马氏体的惯习面 ; 第二次切变在(112)α′面上沿[111]α′方向产生12°~13°的不均匀 切变(如图c)的滑移和d)的孪生)。这时只发生点阵的改组而无晶体 外形的改变，并不影响前面产生的表面浮凸。 最后再作一些调整，转变即完成。 成就与不足：很好地解释马氏体的点阵改组、宏观变形、位向 关系、表面浮凸,特别是预测了马氏体内的位错和孪晶两种主要亚 结构，但不能解释惯习面是不变平面及低、中碳钢的位向关系问题。
全位错发生下面分解：
1 [101] → 1[1 12] + 1[211]
2
6
6
结果,在两个萧克莱不全位错之间夹着
一层层错，层错宽度随层错能的降低
而增大。
fcc→hcp切变侧视示意图
fcc→hcp切变俯视示意图
§4-3 马氏体的组织形态
一、马氏体的形态
1、板条马氏体
也称为位错马氏体、 高温马氏体、低碳马氏体、 {111}马氏体及群集 状马氏体等。
4)亚结构：高密度缠结的位错(密度达0.3~
0.9 ×1012cm/cm2); 5)惯习面：接近{111}γ。
Fe-21Ni-4Mn合金板条马氏体 中的位错网络
2、片状马氏体 也称高碳马氏体、低温马氏体、针状马氏体、孪晶马氏体等。
1)金相形态：呈片状或针状； 2)立体形态：中间厚，两端尖削，被试样磨面截为针状或双凸透镜
蝶状马氏体
4、薄片状马氏体
以前与片状M混淆,后来发现 不同。因此前面的片状M也称为 透镜片状M。
1)金相组织:很细的带状,具有相 互交叉、分支、曲 折等特异形态。
2)立体形态:薄而平整的片状。 无中脊线
(与片状马氏体的重要区别) 3)亚结构: 全部由{112}M型孪晶
组成,是一个完全的孪 晶M。
面体间隙位置。
Bain切变模型示意图
不足：不能解释表面浮凸效应、 a)面心立方:奥氏体 b)从相邻面心立方
惯习面和亚结构的存在。
点阵中取出体心正方点阵 c)体心正方: 奥氏体 d)体心立方:马氏体
二、K-S（Kurdjumov-Sachs）模型
观点：两次切变。
过程：
第一次在(111)γ底面沿[211]方向产生切变角为19°28′的切变;
钢中马氏体在(111)γ晶面上形 成时可能的6种不同K-S关系
G-T(Greninger-Troiano)关系 (与K-S关系相近): {111}γ∥{011}α′差1° <110>γ ∥<111>α′差2°
西山关系与K-S关系的比较
！！以上各关系中α′ 为bct体心正方马氏体。
2）惯习面 马氏体转变有惯习面,在此为新旧相界面。 惯习面为不畸变平面,或称不变平面。即在转变过程中它不发
体间隙,从而使c轴拉长,同时a轴缩短。
c/a称为马氏体的正方度或轴比。
c/a=1.005+0.045x x为C质量分数）
而晶格常数：a=a0-βx ；c=a0+αx
实际上，wc＜0.2%的Fe-C马氏体 具有体心立方结构；而wc＞0.2%时 的马氏体为体心正方结构。
wc对钢γ和αM点阵常数的影响
二、反常马氏体
长约为宽的3~10倍。 由结合处向两侧长成位向不同的M (大约具有孪晶关 系) 3)组织特征：a)由两片组成(片比板条的大，比片状的小); b)两片以A的{100}γ对称面。 4)亚结构：高密度位错。 5)位向关系：与母相基本满足K-S关系,惯习面接近{225}γ。两叶 片对称于{100}γ面，若一片惯习面为(225)γ，则 另一片为(225)γ或(252)γ。
这种马氏体只存在于低温，加热时会转变为 αM； �到上世纪70年代初期，在Fe-6Mn-1C钢中当马氏体由-196℃升至
-140℃时，发现一种具有六层结构的马氏体 ,命名为φ相。它极
不稳定,只要每两层中做一个
a [112]
6
的移动,就可变成
k ′相。
可见,根据钢成分及热处理条件的不同,马氏体具有ε ′ 、ε、
碳原子在α-Fe三组八面体间隙的分布有三种情形： 1）概率相等，即呈无序分布，则马氏体应为立方点阵； 2）同处于一组空隙，即呈有序分布，则点阵的正方度最大； 3）大部分处于某一空隙，而小部分处于另两组空隙，即部分
有序分布，其正方度有所下降。 正方度的反常现象：发现于Fe-Mn-C合金在低温下形成的马氏 体。 解释：应用碳原子在马氏体点阵中的分布情况解释。
引起的应变场(示意图)
马氏体中的表面浮凸 ×650
2、无扩散性
首先,马氏体转变是通过奥氏体的均匀切变实现的 ,因此,马氏 体与原奥氏体的成分完全一致 ;
其次,马氏体可以在极低的温度下形成,并仍有较大的生长速度, 不可能依靠扩散来进行。
注意：马氏体转变的无扩散性是指合金中置换原子无扩散,而间隙 原子仍可能扩散。但间隙原子的扩散不是马氏体转变的主要过程 和必要条件,因此仍称其为无扩散性转变。
是低碳钢、中碳钢、 马氏体时效钢、不锈钢、 Fe-Ni合金中形成的一种 典型的马氏体组织。
碳钢板条马氏体的金相显微组织 (3%硝酸酒精腐蚀)
a)Fe-0.0026C b)Fe-0.18C c)Fe-0.38C d)Fe-0.61C
特征：
1)金相形态：M单元(板条晶)呈细长板条状,基本上相互平行；
2)立体形态：认为有两种
§4-2 马氏体转变的切变模型
一、贝茵(Bain)模型
观点：在转变过程中,只需将轴比调整到与含碳量对应的数值 ,转
变即完成。
过程:如图所示。
成就：
1）马氏体转变时原子只作很小
距离的挪动；
2）在晶格改建过程中，原子进
行集体协同、有规则的位移，转变
前后原子间的相对位置不变，并符
合K-S关系；
3）碳原子处于马氏体晶格的八
分AR。这种现象称为马氏体转变的不完全性。 高碳钢中AR可达10~15%；高碳合金钢中AR可达25~30%。 （冷处理）
5、转变的可逆性 可逆转变的开始温度：AS (高于MS，视合金成分而异) 可逆转变的终止温度：Af
需要指出的是：有些金属一般 观察不到马氏体的逆转变？
Fe70Ni30Au52.5Cd47.5合金马氏体 转变时的相对电阻变化
切变结果：是相邻两层原子移动距离均为 1 d[211]。
12
γ
第二次切变是在(112)γ面上沿[110]方向产生 10°32′的切变;
切变结果：底面的锐角从60°增加到72°32′,从而得到体心
立方点阵。
第二次切变后需再对晶面间距作微小调整，转变即完成。
成就：很好地反映了新相与母相的晶体学关系 。
不足：此模型的惯习面为(111)γ，只能解释低碳钢中的情况， 不能解释高碳钢中(225)γ和(259)γ的切变过程，此外，其引起的 表面浮凸也与实测结果不符。