第四章马氏体相变

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,53-,*,马氏体,-,碳在,-Fe,中的过饱和固溶体。,成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。,碳原子位于,-Fe,的,bcc,扁八面体间隙中心，即点阵各棱边中央和面心位置。,体心正方点阵,bct,-,马氏体。,第4章 马氏体相变,4.1 马氏体的晶体结构,1,图4-1 奥氏体的正八面体间隙 a),马氏体的扁八面体间隙 b),2,马氏体点阵常数和碳含量的关系,c、a、及 正方度 c/a 与钢中碳含量成线性关系：,c = a,0,+,P,a = a,0,-,P （4-1）,c/a = 1 + P,其中： a,0,= 2.861 （,-Fe点阵常数）,、 为常数,P - 马氏体的含碳量（wt%）,3,图4-2 点阵常数与碳含量的关系,4,c/a = 1 + 0.046 P （4-2）,碳原子在马氏体点阵中的分布：,碳原子发生有序分布，,80%,优先占据,c,轴方向的八面体间隙位置，,20%,占据其它两个方向的八面体间隙位置，此时出现（,4-2,）式的正方度。,马氏体的正方度,5,（1）马氏体相变的无扩散性,钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。,可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。,原子以切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。,4.2 马氏体相变的主要特征,6,图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动, 表面浮凸现象,倾动面,（2）表面浮凸现象和不变平面应变,7,图4-4,直线划痕的变形情况,（a）实验结果,（b）在界面处失去共格,（c）划痕扭曲,8,马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这一定的晶面即称为,惯习面,。马氏体和母相的相界面，中脊面都可能成为惯习面。,钢中：, M,s,钢中马氏体加热时，容易发生回火分解， 从马氏体中析出碳化物。,Fe-0.8%C,钢以,5000/S,快速加热，抑制回火转变，则在,590,600,发生逆转变。,（5）马氏体相变的可逆性,17,4.3.1 板条马氏体,在低、中碳钢，,马氏体,时效钢中出现，形成温度较高。,基本单元,板条,为一个个单晶体。,图4-12 板条马氏体示意图,4.3 马氏体的形态及其亚结构,18,许多相互平行的板条组成一个,板条束,，它们具有相同的惯习面。,板条马氏体,的惯习面为,111,，位向关系为,K-S,关系。由于有四个不同的,111,面，所以一个奥氏体晶粒内可能形成四种,马氏体板条束,。,每个惯习面上可能有六种不同的取向，,板条束,内具有相同取向的小块称为,板条块,，常常呈现为黑白相间的块。,19,板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以板条马氏体也称为,位错马氏体,。,不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏体薄膜，这种微量的残余奥氏体对,板条马氏体的韧性,贡献很大。,呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥氏体薄膜。,20,图4-13 （a）板条马氏体 （b）片状马氏体,21,图4-14 片状马氏体示意图,225,或,259,在中、高碳钢，高镍的,Fe-Ni,合金中出现，形成温度较低。,4.3.2 片状马氏体,片状马氏体形成,22,先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。后形成的马氏体片，则在奥氏体晶粒内进一步分割奥氏体晶粒，所以后形成的马氏体片越来越短小。,片状马氏体的立体外形呈,双凸透镜状,，多数马氏体片的中间有一条,中脊面,，相邻马氏体片互不平行，大小不一，片的周围有一定量的残余奥氏体。,23,惯习面：随形成温度的下降，由,225,变为,259,，位向关系由,K-S,关系变为西山关系。,亚结构为,细小孪晶,，一般集中在中脊面附近，片的边缘为位错。随形成温度下降，孪晶区扩大。,马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生,显微裂纹,。,24,（1）M,s,点,M,s,点高,-,形成板条马氏体。,M,s,点低,-,形成片状马氏体。,C% M,s,板条,M ,板条,M+,片状,M ,片状,M,位错,M ,孪晶,M,4.3.3 影响马氏体形态及其亚结构的因素,25,图4-15 滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系,（2）奥氏体与马氏体的强度,26,当马氏体在较高温度形成时，滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易于发生，从而在亚结构中留下大量位错，形成,亚结构为位错的板条马氏体,。,由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均较低。相变时，,相变应力的松驰,可以同时在奥氏体和马氏体中,以滑移方式,进行，故,惯习面为,(111),。,27,随着形成温度的下降，孪生的临界分切应力较低，变形方式逐渐过渡为以孪生进行，形成,亚结构为孪晶的片状马氏体,。,若奥氏体的,S,低于,206MPa,，应力在奥氏体中以滑移方式松弛。由于形成的马氏体强度较高，应力在马氏体中只能以孪生方式松弛，则形成,惯习面为,(225),的片状马氏体,。,若奥氏体的,S,超过,206MPa,，相变应力在两相中均以孪生方式松弛，则形成,惯习面为,(259),的片状马氏体,。,28,C%,0.2%,的低碳钢、低碳低合金 钢，如,20#,、,15MnVB,钢等，组织为,板条马氏体,，具有高强度、高韧性、低的冷脆转化温度。,4.3.4 工业用钢淬火马氏体的金相形态,（1）低碳钢中的马氏体,29,如,45#,、,40Cr,钢等，淬火后为,板条马氏体,+,片状马氏体,的混合组织。,由于通常选用较低的奥氏体化温度，淬火后获得的组织极细，光学显微镜较难分辨。,（2）中碳结构钢中的马氏体,30,如,T8,、,T12,钢，为,片状马氏体,。,通常采用不完全加热淬火（在,A,c1,稍上加热，保留一定量未溶渗碳体颗粒），获得,隐晶马氏体,+,渗碳体颗粒,的混合组织。,隐晶马氏体极细，光学显微镜较难分辨。,（3）高碳工具钢中的马氏体,31,T,0,为,相同成分,的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度，此时,G,= 0,G,称为马氏体相变驱动力。,图4-16 自由能-温度关系,4.4 马氏体相变热力学,4.4.1 相变驱动力,32,相变化学驱动力用来提供切变能量、亚结构储存能、膨胀应变能、共格应变能、界面能等，所以要有足够大的相变驱动力。,M,s,点为奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力（,临界驱动力,）时的温度。,33,碳含量,C%, M,s,，,M,f,图4-18 M,s,与碳含量关系,A,3,无扩散转变,4.4.2 影响钢的M,s,点的因素,（1）奥氏体的化学成分,34,合金元素,除,Co,、,Al,外，其它合金元素均降低,M,s,点。,解释：,碳或者合金元素降低,A,3,点，降低奥氏体的自由能并提高马氏体（过饱和铁素体）的自由能，也降低了,T,0,温度，从而降低,M,s,点。,碳或者合金元素固溶强化了奥氏体，,s,，使切变所需能量增高，,M,s,。,35,奥氏体的晶粒大小,奥氏体晶粒细化,M,s,晶粒细化,s,切变阻力 ,M,s,弹性极限以内的应力,多向压应力阻碍马氏体转变，,M,s,拉应力促进马氏体转变，,M,s,（2）其它因素对M,s,点的影响,36,在,M,s,点以上一定温度范围内，因塑性变形而促生的马氏体称为,应变诱发马氏体,。,塑性变形能促生马氏体的最高温度称为,M,d,点,，高于此温度的塑性变形将不会产生应变诱发马氏体。,4.4.3 应变诱发马氏体,37,在,M,s,M,d,之间对奥氏体进行塑性变形，为向马氏体转变提供了,机械驱动力,，从而使相变可以在较高的温度发生，即相当于升高了,M,s,温度。,在,M,s,M,d,温度范围的塑性变形度越大，由形变诱发的马氏体量越大。但对未转变的奥氏体，在随后的冷却过程中，马氏体相变却受到了抑制（发生了,机械稳定化,）。,38,在,M,s,点以上，对奥氏体进行塑性变形，当形变量足够大时，将抑制随后冷却时的马氏体转变，,M,s,点降低，残余奥氏体量增多，称为奥氏体的,机械稳定化,。,少量塑性变形对马氏体转变有促进作用，而超过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作用。,4.4.4 奥氏体的机械稳定化,39,当变形度小时，增加了奥氏体中有利于马氏体形核的晶体缺陷。,当变形度较大时，在奥氏体中形成大量亚晶界和高密度位错区，奥氏体产生加工硬化，屈服强度提高，阻碍切变过程，从而使奥氏体稳定化。,原因：,40,4.5.1 马氏体的变温形成,马氏体相变也是通过形核与长大进行。,变温时，在,M,s,点以下，无孕育期，瞬时形核，瞬时长大。,马氏体量随温度下降而增加。,4.5 马氏体相变动力学,41,降温时，马氏体量的增加是靠新马氏体的不断产生，而不是靠先形成马氏体的长大。,42,马氏体转变通常不能进行到底，有一部分未转变的奥氏体残留下来，称为,残余奥氏体,。,A,R,- retained austenite,通常淬火只淬到,室温,为止，高于很多钢的,M,f,点，冷却不充分，形成,A,R,。,4.5.2 残余奥氏体,43,为了减少淬火至室温后钢中的,A,R,量，可将其继续冷却至零下（,M,f,点以下）进行处理，称为,冷处理,。,凡是降低,M,s,点的因素均提高,A,R,量。,A,R,量和,M,s,点一样，主要取决于奥氏体的化学成分：,C%,M,s, ,A,R,合金元素,M,s, ,A,R,44,因本身较软，会降低淬火钢的硬度；,不稳定，易使零件产生变形开裂；,降低硬磁钢的磁感应强度；,可提高某些钢的韧性和塑性。,残余奥氏体的作用：,45,4.5.3 奥氏体的热稳定化,定义：使奥氏体转变为马氏体能力减低的一切现象，称为,奥氏体的稳定化,。表现为,点降低、,A,R,量增多。,有三大类：,化学稳定化,-,化学成分引起,机械稳定化,-,塑性变形引起,热稳定化,46,淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留而引起的奥氏体稳定化，称为,热稳定化,。,图4-21 奥氏体热稳定化现象示意图,在Ms 点以下等温停留,将引起,点降低以及,A,R,量增多。,等温停留,47,奥氏体的热稳定化是由于在适当温度停留过程中，奥氏体中的碳、氮原子与位错发生交互作用形成,柯氏气团,，从而强化了奥氏体，使马氏体相变的阻力增大所致。,奥氏体热稳定化的本质：,48,C%,硬度,C 0.6%,以后，淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加。,4.6 马氏体的性能特点,4.6.1 马氏体的强度和硬度,49,固溶强化,间隙式碳原子造成的点阵不对称畸变，产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用。, 时效强化,自回火，碳原子在马氏体晶体缺陷处（位错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。,马氏体的强化机制：,50,相变强化,亚结构强化，高密度位错以及微细孪 晶，阻碍位错运动。, 马氏体晶体（原奥氏体晶粒）尺寸越 细小，强度越高。,51,低碳位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性,，,高碳孪晶型马氏体具有高的强度但韧性极差,。,高碳孪晶型马氏体,高脆性的原因：,亚结构为细小孪晶,容易产生显微裂纹,4.6.2 马氏体的塑性与韧性,52,马氏体的比容远大于奥氏体,钢在淬火时要发生体积膨胀，产生内应力、 变形、开裂。, 马氏体具有铁磁性,钢在淬火后，矫顽力升高，导磁率下降。马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。,4.6.3 马氏体的物理性能,马氏体的形成,53,