第6章马氏体

§6 一1马氏体的晶体学来自1.马氏体相变与M的定义
M相变： 替换原子经无扩散位移，由此产生形 状改变和表面浮突，呈不变平面应变特征 的一级、形核长大型的相变。
马氏体定义
钢中的马氏体是C在α-Fe中的过饱和 间隙固溶体。
刘宗昌：马氏体是原子经无需扩散切 变的不变平面应变的晶格改组过程，得 到与母相具有严格晶体学关系和惯习面 的含有极高密度的晶体缺陷的组织。
第6 章
马氏体与钢在冷却时的低 温转变
本章重点：
马氏体相变的主要特点、马氏体的组 织形态及性能、Ms点定义及影响因素。 本章难点：
马氏体相变的K-S模型
马氏体转变的发展过程
早在战国时代人们已经知道可以用淬火(即将钢加 热到高温后淬入水或油中急冷)的方法可以提高钢的硬 度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。 十九世纪未期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能 的变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的 德国冶金学家 Adolph Martens ， 法国著名的冶金学家 Osmond 建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏体” ， 并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。
组织形态
亚结构
形成过程
（二）其它类型的马氏体
1、蝶状马氏体（人字形或多角状马氏体） 在Fe－Ni合金和Fe－Ni(Cr)－C合金中 立体外形呈 V 形柱状，横截面呈蝶状，两翼之 间的夹角一般为136º 。与奥氏体的位向关系为K-S关 系，亚结构为高密度的位错，无孪晶。 形成温度介于板条马氏体与片状马氏体之间， 形态特征和性能也介于两者之间。
铁碳合金马氏体类型及其特征
特 征 惯 习 面 位向关系 形成温度 合金成份 %C 状 马 氏 体 片 状 马 氏 体 （ 111） γ （ 225） γ （ 259） γ K— S 关系 K— S 关系 西山关系 (111) γ ∥ ( 110) α (111) γ ∥ ( 110) α (111) γ ∥ ( 110) α [110] γ ∥ [ 111] α [110] γ ∥ [ 111] α [211] γ ∥ [ 110] α Ms >350 ℃ Ms ≈ 200 ～ 100 ℃ Ms<100 ℃ <0.3 1～ 4 1.4～ 2 0.3～１时为混合型 板条体常自奥氏体晶界向晶内 凸透镜片状（或针状、竹 同左，片的中央有中脊。在两 平行排列成群。板条宽度多为 叶状）中间稍厚。初生者 个初生片之间常见到“ Z”字 0.1~0.2μ ，长度小于 10μ 。一 较长，横惯奥氏体晶粒， 形分布的细薄片。 个奥氏体晶粒内包含几个板条 次生者尺寸较小。在初生 群。同位向束内板条体之间为 片与奥氏体晶界之间，片 小角晶界，板条群之间为大角 间交角较大，互相撞击， 晶界。 形成显微裂纹。 位错网络 （缠结） 。 位错密度随 宽度约为 50Å 的细小孪晶,以中脊为中心组成相变孪晶区, 含碳量而增在，常为 0.3~0.9× 随 Ms 点降低,相变孪晶区增大。片的边缘部分为复杂的位 12 3 10 cm/cm 有时也可见到少量 错组列。孪晶面为（ 112 ） α ，孪晶方向为 [11-1]α 。 细小孪晶 . 降温成核，新的马氏体片（板条）只在冷却过程中产生。 -7 长大速度较低。一个板条体大 长大速度较高，一个片体大约在 10 秒内形成。 -4 约在 10 秒内形成。 无“爆发性”转变，在小于 50%转变量内降温转变率约为 Ms 小于 0℃时有“爆发性” 1%/℃。 转变。 新马氏体片不随温度下 降均匀产生， 而由于自触发效 应连继成群地（呈“Z ”字形） 在很小的温度范围内大量形 成，伴有 20 ~30℃的温升和响 声。 板 条
图 Fe-31Ni-0.28C合金的薄片状马氏体
3、ε马氏体 出现在 Fe-Mn-C 或 Fe-Cr-Ni 合金中（合金的层错 能低）。马氏体的晶体结构为密排六方点阵，呈极薄 的片状。厚度仅为100～300nm 惯习面 ：{111}γ ， 位向关系： {0001} αˊ∥{111}γ <1120> αˊ∥<110>γ 亚结构：大量层错和少量位错
2．马氏体点晶体结构
体心立方或体心正方 ｃ/ａ称为正方度。
随钢中碳含量升高，马氏体的点阵常数 c增 大，a减小，正方度c/a增大.
图奥氏体和马氏体的点阵常数与碳含量的关系
可用下列公式表示
c a0 a a0 c / a 1
式中，a0＝2.861Å（α -Fe点阵常数）；α ＝0.116； β ＝0.013；γ ＝0.046；ρ 为马氏体碳含量（重量 百分数）。α 和β 的数值表示碳在α -Fe点阵中引 起局部畸变的程度。
近年来，由于实验 技术的进一步发展，使 人们对马氏体的结构以 及马氏体的转变的特征 又有了进一步的了解， 对许多现象的认识也有 了很大的进步，并因而 推动了热处理新工艺及 新材料的发展。 (Ni-Ti 合金 )
形状记忆效应：某些具有热弹性马氏体相变合金材料，在马氏 体状态，进行一定限度的变形或变形诱发马氏体后，则在随后 的加热过程中，当温度超过马氏体相消失的温度时，材料能完 全恢复到变形前的形状和体积。
不同的片状马氏体 内部亚结构是不同的,可 以将其分为以中脊为中 心的相变孪晶区和无孪 晶区(片的周围部分，存在
位错）。
孪晶区所占比例与 马氏体的形成温度有关, 形成温度越低 , 相变孪 晶区所占比例越大。
(4)与C%的关系 片状马氏体的组织形态随合金成分的变化而改变。 对于碳钢： C%＜0.3%时，板条马氏体； 0.3%＜C%＜1.0%时，板条马氏体和片状马氏体混合 组织； C% > 1.0%时，全部为片状马氏体组织。 并且随着C%增加，残余奥氏体的含量逐渐增加。 合金元素Cr、Mo、Mn、Ni增加形成孪晶马氏体倾向。 (5)与奥氏体晶粒的关系。奥氏体晶粒越大，马氏体 片越大。
αˊ∥{111}γ；
<111>
αˊ∥<110>γ
[ill]
[i01]
(110) (111)
（2）西山关系
1934年，西山在铁镍合金中发现，在-70℃以 下形成的M与A呈下列关系： {110} αˊ∥{111}γ ； <110> αˊ∥<112>γ 马氏体共有12种可能的取向
（3）G—T关系 1994年，Grenigen与Troiano 在Fe-Ni-C合金中发现， M与A的位向接近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差 1度，晶向差2度，称为G-T关系。 {110}αˊ∥{111}γ 差 1° <111>αˊ∥<110>γ 差 2°
图 Fe-18Ni-0.7Cr-0.5C合金的蝶状马氏体
2、薄板状马氏体 在 Ms 点低于 -100℃的 Fe-Ni-C 合金中观察到的， 是一种厚度约为 3 ～ 10μm 的薄片状形马氏体，三 维单元形貌很象方形薄板，与试样磨面相截得到 宽窄一致的平直带状，带可以相互交叉，呈现曲 折、分杈等特异形态。 惯习面为（259） γ，位向关系为K-S关系，亚 结构为孪晶，无位错，无中脊。
片状马氏体
光镜下
(2)显微结构
马氏体片间相互 不平行，先形成的第一 片马氏体贯穿整个原奥 氏体晶粒，将奥氏体晶 粒分成两部分，使后形 成的马氏体片大小受到 限制，因此马氏体片的 大小不同。 片状马氏体显微组织示意图
在马氏体片中常能 看到明显的中脊
（3）晶体学特征 惯习面(225) γ 位向关系为K—S关系 惯习面 (259) γ 位向关系为西山关系， 可以爆发形成，马氏体片有明显的中脊。 （4）亚结构 主要亚结构是孪晶（片状马氏体的重要特 征）。孪晶的间距大约为 50Å，一般不扩展到马 氏体片的边界上，在马氏体片的边缘则为复杂的 位错组列。
同位向束之间大角度晶 界
每个同位向束 由若干个平行板条 所组成 , 每个板条为 一个马氏体单晶体
板条单晶→板条块 →板条群→马氏体 晶粒
图 18Ni马氏体时效钢的板条马氏体组织
（2）亚结构 主要是高密度的位错缠结构成的位错胞， 位错密度可高达0.3～0.9×1012/cm2，板条边 缘有少量孪晶。 (3)位向关系 在一个板条束内，马氏体惯习面接近 {111}γ；马氏体和奥氏体符合G-T关系最多； 符合K-S关系和西山关系的较少，在一个板条 束内，存在几种位向关系的原因尚不清楚。
图 Fe-16.4Mn-0.09C合金的ε马氏体
（三）影响马氏体形态及其内部亚结构的因素
1）化学成分 母相奥氏体的化学成分是影响马氏体形态及 其内部亚结构的主要因素，其中尤以碳含量最为重 要。在Fe-C合金中
0.3％C以下
0.3～1.0％C 板条状马氏体 板条状和片状的混和组织 片状马氏体
1.0％C以上
4、M惯习面
钢中马氏体转变常见的惯习面有三种,随A中含碳量 及马氏体形成温度而变化。 C%<0.6%为 (111)γ， 0.6-1.4%为(225)γ， C%>1.4%为(259)γ 惯习面也可因马氏体形成温度而变化。随着温度的 降低，惯习面为(111)γ→(225)γ→(259)γ。
§6一2 马氏体的组织形态
碳原子在马氏体点阵中位置及分布 C在α-Fe中可能存在的位置是Fe原子构成的体心 立方点阵的八面体间隙位置
3、M位向关系
马氏体与母相之间存在着一定的位向关系。在钢中已观 察到的有K—S关系、西山关系和G—T关系。
（1）K—S关系 1930年，库尔鸠莫夫与Sachs在1.4%C的碳钢中发 现，M与A有下述关系： {110}
2、片状马氏体
常见于淬火高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金 中，是铁系合金中出现的另一种典型的马氏体 组织。 （1）显微组织 空间形态呈凸透镜片形状，称透镜片状马氏 体或片状马氏体，试样磨面相截在显微镜下呈 针状或竹叶状，又称针状或竹叶状马氏体，亚 结构为孪晶，也称孪晶马氏体。
图Fe-32Ni合金的片状马氏体组织
马氏体 形态与 含碳量 的关系
0.2%C
0.45%C
1..2%C
合金元素的影响：
凡能缩小 γ 相区（ Cr 、 Mo 、 W 、 V ） 的均促使得到板条状 M ，而扩大 γ 相区（ C 、 Ni 、 Mn 、 Cu 、 Co ）的，将促进片状马氏 体形成，能显著降低A层错能的将促进 ε － Ｍ的形成。
（一）马氏体的类型 1、板条状马氏体 板条马氏体是低、中碳钢，马氏体时效钢，不 锈钢等铁系合金中形成的一种典型的马氏体组织 。 其显微组织是由许多成群的板条组成，称板条 马氏体。也称位错马氏体。
（1）显微结构 由平行排列的板条 组成的较大 区 域称为 板 条 群 。在一 个 原奥氏体 晶 粒 内 可 以 包 含 3—5 个 这样的板条群. 一个板条群又可分 成 几 个平行 的 区域 ，称 为同位向束(板条块)
(4)与C%的关系 马氏体的显微组织随合金成分的变化而改变。 对于碳钢： C%＜0.3%时，板条群和板条块比较清楚； 0.3%＜C%＜0.5%时，板条群清楚而板条块不清楚； 0.6%＜C%＜0.8 %时，无法辨认板条群和板条块， 板条混杂生长，板条组织逐渐消失并向片状 马氏体组织过渡。
(5)与奥氏体晶粒的关系 试验表明，奥氏体晶粒越大，板条群越大， 而一个原奥氏体晶粒内板条群个数基本不变，奥氏 体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。 (6)与冷却速度的关系 冷却速度越大，板条群和块宽同时减小，组织变 细，因此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。
Martensite
M—马氏体
十九世纪未到二十世纪初主要局限于研究钢 中的马氏体转变及转变所得产物—马氏体。 二十世纪三十年代，人们用 X 射线结构分析 的方法测得钢中马氏体是碳溶于α-Fe而形成的过 饱和固溶体，因此，曾一度认为“所谓马氏体即 碳在α—Fe中的过饱和固溶体”。 四十年代前后，在Fe—Ni、Fe—Mn合金以及 许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。由 于这些发现，人们不得不把马氏体的定义修定为： “ 在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称 为马氏体 ”。
2）马氏体的形成温度
随马氏体的形成温度降低 板条状
亚结构:
蝶状
片状
薄片状
位错
孪晶
图Fe-Ni-C合金马氏体形态与碳含量的关系