第五章 馬氏體相變及鋼的淬火

第五章馬氏體相變與鋼的淬火主要內(nèi)容

馬氏體的晶體學(xué)馬氏體的類型及組織形態(tài)馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)理淬火時(shí)的奧氏體穩(wěn)定化

淬火馬氏體的性能及其應(yīng)用

共析碳鋼CCT曲線MfMsA1Vc

奧氏體化的鋼，以>Vc的速度冷卻時(shí)，過冷奧氏體冷卻到Ms溫度以下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這種操作叫淬火。馬氏體是強(qiáng)化鋼材的重要組織。共析碳鋼奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變式：

A→Mf.c.c,0.77C%→b.c.corb.c.t,0.77C%

﹂只有晶格改組而無成分變化非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變

1.馬氏體與馬氏體相變的定義馬氏體—對(duì)于鋼而言，馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體相變—替換原子經(jīng)無擴(kuò)散位移(均勻和不均勻形變)、由此產(chǎn)生形狀改變和表面浮突、呈不變平面應(yīng)變特征的一級(jí)、形核長大型相變。C在α-Fe中的過飽和固溶體

——亞穩(wěn)；單相C位置：扁八面體間隙，

R間隙0.19?，RC0.77?——晶格畸變較嚴(yán)重bac——扁八面體間隙位置晶體結(jié)構(gòu)類型：

體心立方或體心正方等結(jié)構(gòu)后者存在正方度：c/a

2.馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)①c=a0+αWc;②a=a0?βWc;③c/a=1+γWcWc—含碳量；a0—α-Fe晶格常數(shù)α、β、γ—常數(shù)——正方度基本只與含碳量有關(guān)，并隨C%增加而升高。正方度與含碳量的關(guān)系正方度已被作為馬氏體碳含量定量分析的依據(jù)反常軸比現(xiàn)象：

實(shí)際中馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)除與C含量有關(guān)外，還與C原子位置的變化有關(guān)，在某些條件下可能出現(xiàn)反常軸比現(xiàn)象：①低軸比：

C原子同時(shí)占據(jù)八面體和四面體間隙位置

Ms<0℃的高碳鋼、Fe-Mn-C合金等中②高軸比：

C原子只占據(jù)一個(gè)立方軸方向上的八面體間隙,造成間隙C原子分布的極度有序化。鋁鋼、高鎳鋼通過均勻切變形成的馬氏體與母相奧氏體之間存在嚴(yán)格的位向關(guān)系。在鋼中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的位向關(guān)系有K-S關(guān)系、西山關(guān)系和G-T關(guān)系。3.馬氏體的取向關(guān)系和慣習(xí)面K-S關(guān)系Kurdjumov和Sachs采用X射線極圖法測(cè)出1.4%C鋼中馬氏體與奧氏體之間存在下列位向關(guān)系，即K-S關(guān)系：西山關(guān)系N-W關(guān)系Nishiyama(西山)和Wassermann在研究Fe-30%Ni合金單晶時(shí)發(fā)現(xiàn)，該合金在室溫以上具有K-S關(guān)系，而在-70?C以下形成的馬氏體具有以下關(guān)系：G-T關(guān)系Greninger和Troiaon精確測(cè)量了Fe-0.8%C-22%Ni合金奧氏體單晶中的馬氏體位向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)K-S關(guān)系中的平行晶面和平行晶向?qū)嶋H上均略有偏差，即：差1?差2?

慣習(xí)面馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，新相和母相保持一定位向關(guān)系，馬氏體在母相的一定晶面上開始形成，此晶面稱為慣習(xí)面，通常以母相的晶面指數(shù)表示。鋼中馬氏體的慣習(xí)面隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形成溫度不同而異，有(111)

(碳含量小于0.6%)、(225)、(259)

(碳含量高于1.4%)。

隨馬氏體形成溫度的降低，慣習(xí)面有向高指數(shù)變化的趨勢(shì)。

M板條單晶M板條束①單元體的立體形態(tài)細(xì)長板條狀，每個(gè)板條為一個(gè)M單晶，尺寸0.5*5.0*20m，慣習(xí)面{111}γ

。②結(jié)合特怔

a)在一個(gè)奧氏體中，可形成幾個(gè)不同位向的馬氏體群(通常3~5個(gè))；群內(nèi)含數(shù)量不等、位向大體一致但呈大角度的馬氏體束(塊)；束由眾多細(xì)小平行的板條單晶排列而成。

b)板條多被殘余A薄膜（20nm厚度）隔開。M板條M板條束立體外形為V形柱狀，橫截面為蝶狀高碳Fe-C合金特殊淬火處理后：從粗片針狀M晶粒邊沿或周圍奧氏體中長出(Butterfly)>——實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)變溫度的影響——隨轉(zhuǎn)變溫度的下降——隨C↑：

Ms將↓；

M實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度↓——奧氏體強(qiáng)度低易于形成位錯(cuò)型馬氏體奧氏體強(qiáng)度越高，越易于形成孿晶型馬氏體——層錯(cuò)能低易于形成位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的馬氏體例如薄板狀ε′馬氏體、板條馬氏體。實(shí)際中發(fā)現(xiàn)：

——淬火馬氏體金相形態(tài)與轉(zhuǎn)變溫度相關(guān)轉(zhuǎn)變溫度高于200℃——板條狀馬氏體；轉(zhuǎn)變溫度低于200℃——片狀馬氏體由于C%↑，Ms及Mf↓，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間會(huì)變化→形態(tài)與C%關(guān)系:

低碳——板條狀高碳——片狀中碳——板條狀+片狀————Mf>200℃————Ms<200℃——Ms>200℃>Mf——切變共格性馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，與等溫時(shí)間無關(guān)馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，與等溫時(shí)間無關(guān)轉(zhuǎn)變開始溫度轉(zhuǎn)變終了溫度有一定數(shù)量的殘余奧氏體剩余。——C含量越高，Ms越低，殘余奧氏體越多無擴(kuò)散性并不是說轉(zhuǎn)變時(shí)原子不發(fā)生移動(dòng)，馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)浮凸說明鐵原子不僅有移動(dòng)，而且產(chǎn)生了肉眼能觀察到的移動(dòng)。

所謂無擴(kuò)散，指的是母相以均勻切變方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾孪?。非擴(kuò)散相變——原子發(fā)生切變位移，但相對(duì)位置沒有發(fā)生變化——軍隊(duì)式轉(zhuǎn)變界面擴(kuò)散型相變——原子不切變，位置由于擴(kuò)散而改變——平民式轉(zhuǎn)變界面形狀改變形狀不改變馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)能在預(yù)先磨光的表面上形成有規(guī)則的表面浮凸，這個(gè)現(xiàn)象說明馬氏體是通過奧氏體的均勻切變方式進(jìn)行的。三種不變平面應(yīng)變a)膨脹c)馬氏體相變時(shí)的切變+膨脹b)孿生時(shí)的切變不變平面注意：馬氏體相變的最基本的特征：（1）切變共格性（2）無擴(kuò)散性其他特點(diǎn)均由這兩個(gè)基本特點(diǎn)派生而來。

應(yīng)變能∑E包括幾個(gè)方面：1、切變能；

2、比容變化而使M體積膨脹增加的能量；

3、維持M-A兩相共格所需要的能量；

4、M和A內(nèi)部?jī)?chǔ)存能。界面能+應(yīng)變能——M內(nèi)部高密度的位錯(cuò)或?qū)\晶增加的能量；——M形成時(shí)因體積膨脹，對(duì)周圍A有作用力，使其發(fā)生變形，位錯(cuò)密度增加而增加的能量很大

馬氏體轉(zhuǎn)變主要受應(yīng)變能控制，（界面能和擴(kuò)散激活能很?。?/p>

而珠光體轉(zhuǎn)變主要受界面能和擴(kuò)散激活能控制。雖共格界面，S·σ

很小，但∑E很大——馬氏體相變需要大的過冷度+Sσ+ΣEGα′GαGγMsToA3℃GV△GT0點(diǎn)的物理意義：M和A自由能相等時(shí)的溫度MS點(diǎn)的物理意義：M和A的體積自由能差剛好克服相變阻力(相變所需最小驅(qū)動(dòng)力)時(shí)的溫度ΔGγ→α′=ΔS(T0-Ms)3影響鋼中Ms點(diǎn)的主要因素

Ms點(diǎn)對(duì)于馬氏體轉(zhuǎn)變的重要性：

1、Ms點(diǎn)的高低決定其亞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定了馬氏體的機(jī)械性能；

2、Ms點(diǎn)的高低決定鋼淬火冷卻到室溫時(shí)的M轉(zhuǎn)變量和殘余奧氏體量；

3、制定淬火工藝（如分級(jí)淬火或等溫淬火）時(shí)，必須參照Ms點(diǎn)。等等。

——

因此重點(diǎn)討論影響Ms的各種因素。(一)奧氏體的化學(xué)成分1、碳含量：

C％↑，Ms↓，且擴(kuò)大M形成溫度范圍。

原因：①C對(duì)A和M均有固溶強(qiáng)化作用，增大了A→M轉(zhuǎn)變時(shí)的切變阻力，需要更大的過冷度以獲得更大的相變驅(qū)動(dòng)力，使Ms↓；②C是穩(wěn)定A的元素，使A3點(diǎn)↓，故使Ms↓。碳含量對(duì)鋼中Ms點(diǎn)的影響2、合金元素

除Co、Al外，其余合金元素都不同程度地降低Ms點(diǎn)。原因：①影響了平衡溫度T0②提高A的σs，使切變阻力增加。

如Mn、Ni、Cr,溶入A中使T0↓，σs↑，使Ms↓Mo、W、V、Ti溶入A中使T0

↓

，σs↑，使Ms↓Co、Al、溶入A中使T0↑，σS↑，使Ms↑用經(jīng)驗(yàn)公式可大致求出某種材料的Ms:Ms(℃)=538-317×(％C)-33×(％Mn)-28×(％Cr)-17(％Ni)-11(％Si+％Mo+％W)

奧氏體晶粒越細(xì)小，Ms越低。原因：

σs=σi+kyd-1/2

d↓，σs↑，奧氏體強(qiáng)度↑，使切變困難，需要更大的相變驅(qū)動(dòng)力，Ms↓。1奧氏體晶粒（二）奧氏體化條件的影響2加熱溫度和保溫時(shí)間正常淬火加熱溫度下：

亞共析鋼，完全奧氏體化，加熱溫度高，

——

隨著T↑，τ↑，d長大↑，使Ms↑

共析、過共析鋼、高合金鋼

——

不完全奧氏體化，加熱溫度較低，d不易長大；隨著T↑，τ↑，C、合金元素溶入較多，總體使Ms↓。

當(dāng)T↑，τ↑時(shí)，

一方面：A中溶入合金元素較多，使Ms↓；另方面：A晶粒d↑，缺陷密度↓，切變阻力↓，使Ms↑。(三)形變與應(yīng)力的影響

塑性變形的影響(1)Ms~Md之間塑性變形的影響在Ms點(diǎn)以上不太高的溫度范圍內(nèi)(Ms~Md)對(duì)過冷A變形，可促使M轉(zhuǎn)變，在Ms點(diǎn)以上即可形成一部分M，叫形變誘發(fā)M，相當(dāng)于提高了Ms點(diǎn)。形成M數(shù)量取決于形變溫度和形變量。形變溫度越低，形變量越大，誘發(fā)M數(shù)量越多。

形變誘發(fā)M的上限溫度稱之為Md點(diǎn)。Md不能大于T0。(2)Ms~Mf之間塑性變形的影響

若在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)的某一溫度進(jìn)行塑性變形也會(huì)促進(jìn)奧氏體在該溫度下向馬氏體轉(zhuǎn)變。(3)Md以上塑性變形的影響若在Md以上某一溫度范圍內(nèi)經(jīng)塑性變形不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體。變溫型馬氏體轉(zhuǎn)變的鐵基合金，奧氏體的預(yù)先變形會(huì)降低Ms點(diǎn)，并減少冷卻時(shí)產(chǎn)生的馬氏體量。變形溫度愈高，作用愈大?；旌闲娃D(zhuǎn)變的合金：微小變形度促進(jìn)馬氏體的轉(zhuǎn)變，Ms↑，馬氏體量↑較大變形度阻礙甚至完全制止隨后冷卻時(shí)的馬氏體轉(zhuǎn)變。

多向壓應(yīng)力─由于M轉(zhuǎn)變使體積膨脹，多向壓應(yīng)力使轉(zhuǎn)變阻力增加，Ms↓；

拉應(yīng)力─促進(jìn)M轉(zhuǎn)變，使Ms↑

彈性應(yīng)力的影響（四）淬火冷卻速度的影響——有爭(zhēng)議？

一般工業(yè)用淬火介質(zhì)所能達(dá)到的冷卻速度對(duì)Ms沒有影響。（五）磁場(chǎng)的影響外加磁場(chǎng)，誘發(fā)M轉(zhuǎn)變，Ms點(diǎn)↑。原因：磁場(chǎng)中M的自由能降低，而A的自由能影響不大，T0↑，Ms點(diǎn)↑，類似形變誘發(fā)M相變。4.形變誘發(fā)M當(dāng)在Ms點(diǎn)以上一定溫度范圍內(nèi)(T0~Ms)對(duì)過冷奧氏體進(jìn)行塑性變形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣的馬氏體稱為形變誘發(fā)馬氏體。Md點(diǎn)：形變馬氏體開始點(diǎn)形變誘發(fā)M形成原因①形變?cè)斐删w結(jié)構(gòu)缺陷增多，引起C、N原子在缺陷附近偏聚，促使C或N的化合物析出，使A中C及合金元素含量降低，Ms點(diǎn)升高。②形變?cè)斐删植繎?yīng)力集中，提供M形核的附加能量，成為形核的有利位置，從而促進(jìn)M轉(zhuǎn)變，提高M(jìn)s點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)力：化學(xué)驅(qū)動(dòng)力(-自由能)+機(jī)械驅(qū)動(dòng)力(-形變能)

在Ms~Md溫度范圍形變，雖然可使Ms點(diǎn)升高，但往往使隨后形成的M量減少。

原因：塑性變形提供有利于馬氏體形核的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，促使形成馬氏體，但缺陷增多使馬氏體長大受到阻礙，轉(zhuǎn)變速率變小。大量塑性變形使缺陷組態(tài)強(qiáng)化母相，就會(huì)形成穩(wěn)定化，減少M(fèi)量。冷至375℃-1%M冷至345℃-30%M大多數(shù)鋼具有變溫M相變特點(diǎn)變溫馬氏體的特點(diǎn)注意與變溫M、奧氏體形成動(dòng)力學(xué)曲線的相同與不同：等溫——有孕育期但很短，且瞬時(shí)長大；變溫——無孕育期，瞬時(shí)長大；

A——孕育期相對(duì)長，約50%處轉(zhuǎn)變快等溫馬氏體的特點(diǎn)一些Ms溫度低于0oC的合金冷至一定溫度MB(MB≤Ms)時(shí)，可瞬間(幾分之一秒)劇烈地形成大量馬氏體，這種馬氏體形成的方式稱為爆發(fā)式轉(zhuǎn)變。綜上：三種方式長大速度均極大，主要差別是形核及形核率不同。可逆不可逆可逆不可逆對(duì)比，有：熱滯大——不可逆可逆——熱滯小(1)熱彈性可逆轉(zhuǎn)變所需熱滯小，所需驅(qū)動(dòng)力??；(2)連續(xù)冷卻時(shí)兩種轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變量均隨溫度下降而連續(xù)增加，但熱彈性轉(zhuǎn)變中量的增加既依賴新核心的形成與長大，也依賴于原較高溫形成的新晶粒在隨后冷卻中的繼續(xù)長大；(3)熱彈性轉(zhuǎn)變的新相在形核與長大中與母相始終保持界面共格關(guān)系不被破壞，且界面推移速度受冷卻速度控制，而非熱彈性轉(zhuǎn)變?cè)诟鳒囟刃魏撕蠹囱杆匍L大到極限，界面共格關(guān)系破壞，界面推移速度只與驅(qū)動(dòng)力或過冷度有關(guān)；(4)熱彈性馬氏體發(fā)生逆轉(zhuǎn)變時(shí)，無需形核過程，而是馬氏體片的連續(xù)收縮直至消失，而非熱彈性馬氏體逆轉(zhuǎn)變時(shí)往往會(huì)碎裂成多個(gè)小片，相當(dāng)于需形核與長大過程。

宇宙飛船天線很大，發(fā)射不方便。形狀記憶Ti-Ni合金，在M狀態(tài)很軟，在母相A狀態(tài)很硬。在母相狀態(tài)下制成，降溫使其發(fā)生M轉(zhuǎn)變，并折成一小團(tuán)，當(dāng)飛船達(dá)到一定位置時(shí)，天線因受太陽光線的熱而發(fā)生M→A逆轉(zhuǎn)變，并恢復(fù)形狀二)K-S均勻切變模型——均勻切變模型①第一次較大量的均勻切變(主切變)：

第二次小量切變：

晶格調(diào)整：K-S機(jī)制問題：①和實(shí)際表面浮凸現(xiàn)象、慣習(xí)面有差異；②未解釋亞結(jié)構(gòu)①第一次切變

——為宏觀均勻切變，發(fā)生宏觀變形，產(chǎn)生表面浮凸；并發(fā)生點(diǎn)陣改組，形成馬氏體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。(3)G-T模型——兩次切變模型②第二次切變

——為微觀不均勻切變，也稱為晶格不變切變，可以是滑移，也可以是孿生。切變結(jié)果:無宏觀變形，晶格不變。同時(shí)，降低了應(yīng)變能（應(yīng)力松弛），在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)或?qū)\晶亞結(jié)構(gòu)。G-T模型切變過程a)切變前b)均勻切變(宏觀切變)c)滑移切變d)孿生切變G-T模型示意圖K-S與G-T機(jī)制共同點(diǎn)：

宏觀主切變+微切變+尺寸調(diào)整G-T內(nèi)容：①表面浮凸由第一次宏觀切變（225）γ產(chǎn)生；②慣習(xí)面為（225）γ

；③兩種不同亞結(jié)構(gòu)由第二次微切變產(chǎn)生。

問題：無法解釋（111）γ慣習(xí)面。一、馬氏體的強(qiáng)度和硬度特點(diǎn)：總體：高硬度、高強(qiáng)度注意：Ⅰ、硬度、強(qiáng)度主要取決于C%，Me影響小。

C%↑,馬氏體HRC↑。Ⅱ、須注意馬氏體硬度與鋼硬度的差異。

C%↑，淬火鋼HRC↑，0.6%C后基本趨于定值。馬氏體硬度-高于ACm淬火后深冷高于AC1淬火高于ACm淬火—AR%↑—Fe3C↑

馬氏體高硬度、高強(qiáng)度的原因：①相變強(qiáng)化，相變?cè)斐蒑內(nèi)高密度的位錯(cuò)或?qū)\晶，起到強(qiáng)化效果；②固溶強(qiáng)化，M是碳的過飽和固溶體，有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果；③時(shí)效強(qiáng)化，馬氏體在淬火冷卻過程中或淬火后在室溫停留過程中都會(huì)析出彌散的碳化物，對(duì)位錯(cuò)起釘扎作用，從而起強(qiáng)化作用。二、馬氏體的塑性和韌性以前認(rèn)為M塑性低、韌性小、脆性大。這是因?yàn)檫^去很長一段時(shí)間都是用高碳M。

片狀M：硬而脆；板條M：強(qiáng)而韌∟與亞結(jié)構(gòu)有關(guān)板條M塑韌性好的原因①含碳量低，過飽和度?。虎诖慊饍?nèi)應(yīng)力小，形成微裂紋的敏感度小③低碳M亞結(jié)構(gòu)是位錯(cuò)，有一定滑移變形的能力。高碳片狀M塑韌性差的原因：①C過飽和度高，畸變大，②淬火內(nèi)應(yīng)力大，形成微裂紋的敏感度高。

③亞結(jié)構(gòu)是孿晶，有效滑移系少，塑變能力差

馬氏體的塑性和韌性主要取決于亞結(jié)構(gòu)；

馬氏體的硬度和強(qiáng)度主要取決于含碳量。

一般來說，板條M不但有較高的強(qiáng)度，而且有一定的韌性；而片狀M雖然硬度、強(qiáng)度很高，但脆性較大。因此在保證足夠硬度的前提下，盡可能減少孿晶M數(shù)量，是改善強(qiáng)韌性，充分發(fā)揮材料潛力的有效途經(jīng)。

馬氏體的比容遠(yuǎn)大于奧氏體鋼在淬火時(shí)要發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形、開裂。三馬氏體的物理性能②馬氏體具有鐵磁性鋼淬火后，矯頑力升高，導(dǎo)磁率下降，電阻增大；馬氏體的含碳量越高，矯頑力越高。5.6.2奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化

在Ms點(diǎn)以上不太高的溫度范圍內(nèi)(Ms~Md)對(duì)過冷A變形，可促使M轉(zhuǎn)變，在Ms點(diǎn)以上即可形成一部分M，叫形變誘發(fā)M，相當(dāng)于提高了Ms點(diǎn)。在Md點(diǎn)以上溫度對(duì)A進(jìn)行塑性變形，超過一定變形量后隨后M轉(zhuǎn)變發(fā)生困難，Ms點(diǎn)下降，殘余A量增多，引起A穩(wěn)定化，這種現(xiàn)象稱為機(jī)械穩(wěn)定化。原因：

1）破壞母相與新相的共格關(guān)系，發(fā)生M相變困難，增大A穩(wěn)定；

2）彈性應(yīng)力作用；