《材料工程基础讲》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 马氏体转变,M,是碳溶于,Fe,而形成的过饱和固溶体。,碳在,Fe,中的过饱和间隙固溶体，,M,转变产物是硬而脆的,。,Fe-Ni,、,Fe-Mn,合金以及许多有色金属及合金中也发现了,M,转变。不仅观察到了冷却过程中发生,M,转变，还观察到了加热过程中所,发生的,M,逆转变。,M,转变的定义为：在冷却过程中所发生的,M,转变的产物统称为,M,。,M,转变和其它转变不同点的基础上又进一步认识到,M,转变和其它,转变的共同点，由此确定了,M,转变与一般固态相变之间的一系列共,同特征，可以从固态转变一般规律来认识,M,转变，而在,M,转变进行,的条件中去寻求,M,转变与一般固态转变的不同点的原因。,不仅在金属材料中有,M,转变，在陶瓷材料、有机材料，甚至生物材,料中都有,M,类型的转变。基于这个认识，把,M,转变定义为：凡符合,M,转变基本特征的转变统称为,M,转变,。,4,1,马氏体转变的主要特征,M,转变是在低温下进行的一种转变。,1,转变的非恒温性,转变是在某一特定的温度,Ms,以下才发生的，当到达某一温度时,便以极大的速度形成一定数量的,M,。,转变量是温度的函数。,转变具有的不完全性,残余奥氏体,A,r,。,M,有可能爆发形成,。,少数,M,等温转变。,2,转变的共格性和表面浮凸现象,浮凸效应,在预先磨光的表面上刻划的直线,STS,在转变后既不弯曲，也不折,断，而是形成了折线,STTS,表面浮凸表明，,M,转变是通过切,变的方式实现的。,M,和,A,间界面上的原子为两相所,共有，新母相间保持共格关系。,界面是以切变维持的共格界面,切变共格界面。,M,的长大是靠母,相中原子作有规律的迁移，使界,面推移而不改变界面上共格关系的结果。,共格界面的界面能,，弹性应变能,E,，随着,M,的形成其周围,A,点阵中产生一定的,E,，从而积蓄一定的,E,，而且,E,随,M,尺寸的增大而,增大。,M,长大到一定尺寸，使界面上,A,中弹性应力超过其弹性极限,时，两相间的共格关系即遭破坏，这时,M,便停止长大。,3,马氏体转变的无扩散性,实验表明，,Fe-Ni,合金在极低的温度（,196,）下，,M,长大速,度仍可达到,10,5,cm/s,数量级,。足以证实，,M,转变时铁原子的迁移不,可能超过一个原子间距，即相变不可能以扩散的方式进行。,另外，,M,中的碳含量与原,A,完全一致，表明,M,转变时也没有发生,碳的扩散,。因此，,M,转变属于无扩散型相变。这是它与其它类型相,变区别的一个重要特点。,4,马氏体转变的位向关系和惯习面,1,）取向关系,钢中,M,与,A,中已经发现的晶体学取向关系有,K,S,关系、西山,（,N,）关系和,G,T,关系等。,K,S,关系,Kurdjumov,和,Sachs,采用,X,射线极图法测出,1.4,C,钢中,M,（,）和,A,（,）之间存在的取向关系为：,110111,。在,111,晶面族中每,个晶面,M,可能有,6,种不同取向，而立方点阵的,111,晶面族中可能,有,4,种晶面，故,M,在,A,中总共可能有,24,种取向。,西山（,Nishiyama,）关系,011111,与,K,S,关系相比，两者的晶面,平行关系相同，但晶向平行关系,却相差,5,o,16,。在,111,晶面族,中每个晶面上马氏体只可能有,3,种,不同的取向，故马氏体在奥氏体,中总共可能有,12,种取向。,G,T,关系,Greninger,和,Troiano,精确地测量了,Fe-0.8C-22Ni,合金,奥氏体单晶中,M,的取向，发现,K,S,关系中的平行晶面和晶向实际上,还略有偏差，即：,110111,差,1,o,差,2,o,。,2,）惯习面,由于,M,转变是以共格区别的方式进行的，所以,M,相变时的惯习面,也就是两相的交界面，即共格面。正因如此，惯习面应是不畸变平,面，即不发生畸变和转动。,钢中,M,的惯习面随碳含量的不同而异,，,常见的有三种：,碳含量,0.6%,为,111,，,0.6,1.4%,为,225,，,1.4%,为,259,。,另外，,随,M,形成温度的下降，惯习面向高指数变化,，例如碳含量,较高的,A,在较高温度形成的,M,的惯习面为,225,，而在较低温度形,成的,M,的惯习面为,259,。由于,M,的惯习面不同，将会带来,M,组织,形态上的差异,。,5,转变的可逆性,冷却时，,高温相可以通过,M,转变而转变为,M,。同样，加热时,M,也,可以通过,M,转变而转变为高温相，即,M,转变具有可逆性,。一般称加,热时的,M,转变为逆转变。逆转变与冷却时所发生的,M,转变具有相同,的特点。,与冷却时的,Ms,及,Mf,相对应，逆转变时也有转变开始温度,As,及转变终了温度,Af,。,As,较,Ms,为高，两者之差视合金而异，如,Au-,Cd,Ag-Cd,等合金较小，仅,20,50,，而,Fe-Ni,等合金就很大，大于,400,。,对钢来说，在一般情况下观察不到,M,的逆转变，这是因为,M,被加热时在温度尚未到达,As,点的过程中已发生了分解（回火），,因,而不存在直接转变为,A,的可能性。只有在采用极快的加热速度，使,之来不及分解的情况下才会发生逆转变。据报导，含,0.8%C,钢以,5000/s,的速度加热时，可以在,590,600,发生逆转变。,4,2,马氏体转变的晶体学,Fe-C,合金,M,是由,A,直接转变的，,M,与,A,的成分完全相,同。,X,射线分析证实，,M,是碳在,-Fe,中的过饱和固溶,体，以,表示,。,-Fe,是体心立方点阵溶碳量碳,在,-Fe,中处于过饱和状态,。,1,马氏体的晶胞及点阵常数,Afcc,，碳原子位于铁原子所组成的,正八面体中心。,M,转变,fcc,的,A,通过切,变体心立方的,-Fe,。碳原子仍然停,留在六个铁原子所组成的八面体中心。,碳原子在点阵中的可能位置是,-Fe,体,心立方晶胞的各棱边的中央和面心处,由铁原子组成的扁八面体的空隙,。,体心立方点阵中的八面体不是正八面体，而是扁八面体。,在八面体的三个轴中有一个是短轴。在短轴方向上的空,隙为,3.810,2,nm,，碳原子直径,0.154nm,。在平衡状态下,碳在,-Fe,中的溶解度,0.006%C,。,M,转变成分不变，碳原,子仍固溶在,-Fe,的点阵中而形成过饱和的间隙固溶体。,在,-Fe,点阵八面体中心的碳原子使扁八面体发生畸,变：短轴伸长，长轴缩短。把所有的八面体按短轴的取,向分为三组：短轴平行于,X,轴的称为,X,取向，其中心称为,X,位置。同样，短轴平行于,Y,（,Z,）轴的称为,Y,（,Z,）取向，,其中心称为,Y,（,Z,）位置。,位于,X,位置的碳原子,a,，,b,和,c,。,如,M,中的碳原子均匀分布在,X,、,Y,、,Z,碳原子的存在引起,bcc,的,点阵常数。,转变的切变特征碳原子都落在,-Fe,点阵内的同一个位置上,Z,位置点阵常数,c,，,a,与,b,，,ca,和,b,。,bcc,体心正方,。,M,中,C%c,，,a,与,b,，正方度,c/a,。,c=a,0,+,a=a,0,-,c/a=1+(4-1),式中,a,0,=0.2861nm(-Fe,的点阵常数,),；,=0.1160.002,；,=0.0130.002,；,=0.0460.001,；,-,马氏体的碳含量（,Wt%,）。,可以通过,c/a,计算马氏体的碳含量（,Wt%,）。,2,M,的异常正方度,有些钢中,M,的正方度与其,C%,量的关系不符合（,4,1,）式,异,常正方度。,正方度高于（,4,1,）规律的，如高碳铝钢和高镍钢中新淬火态,M,。但温度回升到室温时：,c,轴，,a,轴正方度。,有的正方度低于（,4,1,）规律的，如,Ms,点低于,0,的锰钢，制成,A,单晶淬入液氮，在液氮温度下,M,的正方度低于（,4,1,）规律,异常低正方度,正交点阵,，即,ab,。但当温度回升到室温时，则,c,轴、,a,轴，使正方度渐趋近（,4,1,）式。,当碳原子在,M,点阵中呈部分无序分布时，表现出正方度较低；,无序分布程度正方度。原因：部分碳原子在另外两组空隙位,置上分布的概率不等，就必然造成,ab,形成正交点阵。,新淬火态,M,成异常高正方度的原因：碳原子几乎都处于同一组,空隙位置上呈完全有序态，当温度回升至室温时，发生无序转变,正方度。,式（,4,1,）表达的规律：,80,的碳原子位于,Z,位置，其余,20,的,位于,X,、,Y,位置。,对于碳含量小于,0.2%M,，在室温下,M,中的碳原子或是偏聚于位,错线附近，或是均匀地分布在,X,、,Y,、,Z,三个位置,完全无序状,态。原因：含碳低于,0.2%M,，有序无序转变温度在室温以下。,M,碳含量大于,0.2%,时，正方度由（,4,1,）计算，小于,0.2%,时，碳,原子呈无序分布，正方度为,1,体心正方点阵。,M,异常正方度的发现，对于研究,M,的形成过程和转变机理有着重,要的意义。,4,3 M,组织形态,化学成分和热处理条件显著影响组织形态、内部亚结构和显微,裂纹形成倾向，这些因素又决定着钢的力学性能,。,已经明确，,M,的组织形态随碳含量、合金元素含量以及,M,的形成,温度等改变。,钢中,M,的形态有五种：板条状,M,、透镜片状,M,、蝴蝶状,M,、薄板,状,M,及薄片状,M,。,1,板条状马氏体,成分条件：低中碳钢、铁镍合金及不锈钢。,板条状,M,是由许多,M,板条集合而成。立体形态是扁条状或是薄板,状。每一个板或条均为一单晶。相邻板条如不呈孪晶关系，则将在,其间夹有厚,20nm,的薄壳状残余,A,。,Ar,的碳含量较高，也很稳定，在,合金钢中冷却到,196,也不转变。,4,3 M,组织形态,化学成分和热处理条件显著影响组织形态、内部亚结构和显微,裂纹形成倾向，这些因素又决定着钢的力学性能。,已经明确，,M,的组织形态随碳含量、合金元素含量以及,M,的形成,温度等改变。,钢中,M,的形态有五种：板条状,M,、透镜片状,M,、蝴蝶状,M,、薄板,状,M,及薄片状,M,。,1,板条状马氏体,成分条件：低中碳钢、铁镍合金及不锈钢。,板条状,M,是由许多,M,板条集合而成。立体形态是扁条状或是薄板,状。每一个板或条均为一单晶。相邻板条如不呈孪晶关系，则将在,其间夹有厚,20nm,的薄壳状残余,A,。,Ar,的碳含量较高，也很稳定，在,合金钢中冷却到,196,也不转变。,许多相互平行的板条组成一个板条束。,一个,A,晶粒可以转变成几个板条束。在一,个板条束内常常可以观察到黑白相间的块,板条块。,即：一个,A,晶粒可以转变成几个束,（,Packet,），一个束又可以分为几个块,（,Block,），块由板或条组成。板和条,是板条,M,的基本单元。,在光镜和透射电镜中所观察到的,M,形状,均呈长条状。板条的宽度范围在,0.025,2.25m,之间，多数板条宽度在,0.1,0.2m,之间。透镜观察表明，板条,M,的亚结构主要是位错。用电阻,法测定其位错密度约为（,0.3,0.9,）,10,12,cm,-2,。,在板条,M,内部有时也可以观察到孪晶，数量。故又称板条,M,为位错型,M,。板条,M,的惯习面为,111,位向关系为,K,S,关系。,板条,M,束是指惯习面相同且形态上呈现相互平行,的,M,板条群集在一起所组成,。按照,K,S,关系，,011,中的晶面与惯习面（,111,）,相平行的相,邻板条组成一个束，而与惯习面（）,相平行,组成另一个束，对一个单晶体（晶粒）来说，面心,立方点阵有四个不同的,111,面，故一个,A,晶粒内,有可能形成四种不同的取向的,M,束。,M,束之间是以,大角度界面（束界）分开。,M,块：指惯习面晶面指数相同且与母相取向关系（指晶面平行关系）相同的板条集团。,在维持,K,S,关系的情况下，一个惯习面上可以有六个不同的取向。各块之间以大角度界面（块界）分开，并在光镜下呈现黑白交