(第6章)馬氏體轉(zhuǎn)變

馬氏體及其轉(zhuǎn)變倪俊杰聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院MartensiteandItsTransformation6-1主要內(nèi)容6.1、馬氏體概況6.2、馬氏體轉(zhuǎn)變特征6.3、馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制6.4、馬氏體轉(zhuǎn)變熱/動(dòng)力學(xué)6.5、熱彈性馬氏體與形狀記憶效應(yīng)6.6、小結(jié)Chapter6MartensiteandItsTransformation晶體結(jié)構(gòu)馬氏體形態(tài)力學(xué)/物理性能6.1、馬氏體概況Chapter6MartensiteandItsTransformation6-2穩(wěn)定的奧氏體區(qū)過冷奧氏體區(qū)A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變開始線A向產(chǎn)物轉(zhuǎn)變終止線A+轉(zhuǎn)變區(qū)產(chǎn)物區(qū)A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;P轉(zhuǎn)變區(qū)。550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;

貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū);230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間(s)300102103104101800100200500600700溫度(℃)0400A1MsMf-1000Chapter6MartensiteandItsTransformation6-3馬氏體的結(jié)構(gòu)？？？晶體結(jié)構(gòu)馬氏體是碳在α－Fe中的過飽和固溶體，用符號(hào)M表示。AM〔α’〕fcc體心正方成分不變結(jié)構(gòu)變化由于碳的過飽和作用,使α–Fe晶格由體心立方變成體心正方晶格。致使馬氏體具有體心正方晶格(a=b≠c)—C原子—Fe原子Chapter6MartensiteandItsTransformation6-4碳原子可能分布的位置：6-5Chapter6MartensiteandItsTransformationca碳擇優(yōu)分布在c軸方向上的八面體間隙位置。這使得c軸伸長，a軸縮短，晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w心正方。軸比c/a——馬氏體的正方度。6-6Chapter6MartensiteandItsTransformationC%越高，正方度越大，正方畸變?cè)絿?yán)重。當(dāng)＜0.20%C時(shí)，c/a=1，此時(shí)馬氏體為體心立方晶格Chapter6MartensiteandItsTransformation6-7碳含量對(duì)正方度的影響c=a0+α·ρa(bǔ)=a0

－β·ρc/a=1+γ·ρa(bǔ)=b=c立方結(jié)構(gòu)

a=b≠c正方結(jié)構(gòu)a0——α－Fe的晶格常數(shù)ρ——M的含碳量α，β，γ——常數(shù)X射線結(jié)構(gòu)分析測(cè)得含碳量與M點(diǎn)陣常數(shù)關(guān)系6-8Chapter6MartensiteandItsTransformationPSTA1溫度(℃)MsV1P爐冷V2S空冷V3油冷V4M＋AR水冷VkPST實(shí)際生產(chǎn)連續(xù)冷卻Mf板條狀蝶狀片狀薄片狀位錯(cuò)孿晶馬氏體形態(tài)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-9板條馬氏體奧氏體晶粒內(nèi)包含幾個(gè)群，群內(nèi)存在位向差時(shí)，會(huì)形成幾個(gè)束.群和束都是由板條組成。群、束之間均為大角度晶界，板條之間為小角度晶界。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-10alow-angleboundarylarge-angleboundariesLarge-&low-angleboundariesChapter6MartensiteandItsTransformation6-11組織單元：群—束—板條取向關(guān)系：K-S,慣習(xí)面：{111}r光鏡下馬氏體束馬氏體群馬氏體群：同慣習(xí)面，形態(tài)上呈平行排列的板條集團(tuán)馬氏體束：同慣習(xí)面，同取向〔晶面平行關(guān)系〕的板條集團(tuán)馬氏體板條：馬氏體的最根本單元(單晶體)，窄而細(xì)長。多數(shù)板條寬度0.1-0.2微米，長度小于10微米，板條間往往存在薄膜狀(200nm)的剩余奧氏體Chapter6MartensiteandItsTransformation6-12板條馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為高密度的位錯(cuò)，位錯(cuò)形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)(纏結(jié))，位錯(cuò)密度隨含碳量增加而增大，常為(0.3～0.9)×1012㎝/cm3.故稱位錯(cuò)馬氏體。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-13蝶狀馬氏體6-14特征：斷面上兩翼結(jié)合局部很象片狀馬氏體中脊，由此向兩側(cè)張成取向不同的馬氏體。立體形狀“V〞形柱狀，斷面呈蝴蝶狀。亞結(jié)構(gòu)：高密度位錯(cuò)。Chapter6MartensiteandItsTransformation片狀馬氏體雙凸透鏡片狀中脊第1片貫穿整個(gè)晶粒，互不平行，愈來愈小。剩余奧氏體分布在馬氏體片間Chapter6MartensiteandItsTransformation6-15Chapter6MartensiteandItsTransformation6-16高碳鋼WC>1.0%中出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)孿晶Chapter6MartensiteandItsTransformation6-17acoherenttwinboundaryanincoherenttwinboundaryf

Chapter6MartensiteandItsTransformation6-18薄片狀馬氏體-ε馬氏體特征：立體形狀為薄片狀，其金相形態(tài)呈很細(xì)的帶狀、并且相互交叉、分枝、曲折等形態(tài)。亞結(jié)構(gòu)：孿晶，但無中脊(與片狀馬氏體區(qū)別)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：密排六方〔其它馬氏體均為體心立方或體心正方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)〕特征：薄片狀亞結(jié)構(gòu)：高密度層錯(cuò)原因：奧氏體的層錯(cuò)能較低形成Chapter6MartensiteandItsTransformation6-19顯微裂紋高碳鋼Chapter6MartensiteandItsTransformation6-20混合馬氏體Chapter6MartensiteandItsTransformation6-21最主要的兩個(gè)因素是：奧氏體中碳含量和馬氏體形成溫度。馬氏體形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)的因素Chapter6MartensiteandItsTransformation6-22HRCC%Ar硬度/HRCAr(%)00.20.40.60.81.01.21.47060504030201070605040302010321曲線3—馬氏體的硬度曲線2—高于Ac1淬火后鋼的硬度曲線1—高于Ac3或Accm

淬火后鋼的硬度馬氏體強(qiáng)度和硬度碳含量分?jǐn)?shù)對(duì)馬氏體和淬火鋼硬度及剩余奧氏體的影響Chapter6MartensiteandItsTransformation6-231234馬氏體高硬高強(qiáng)的本質(zhì)固溶強(qiáng)化相變強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-24過飽和碳原子溶入馬氏體間隙引起強(qiáng)烈點(diǎn)陣畸變，形成以碳原子為中心應(yīng)力場，并與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，使碳原子釘扎位。。固溶強(qiáng)化馬氏體的碳濃度Wc100507040602030100.10.30.20.400.50.60.70.80.91.0硬度(HRC)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-25相變強(qiáng)化：馬氏體相變時(shí)，在晶體內(nèi)造成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)(位錯(cuò)/孿晶)，這些缺陷阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使馬氏體得到強(qiáng)化。

孿晶對(duì)M的強(qiáng)度硬度有附加奉獻(xiàn)。C%相同時(shí)，孿晶M硬度>位錯(cuò)MChapter6MartensiteandItsTransformation6-26馬氏體在淬火后室溫停留期間、或在外力作用下，使碳原子通過擴(kuò)散，發(fā)生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物彌散析出，使馬氏體晶體內(nèi)產(chǎn)生超顯微不均勻，引起時(shí)效強(qiáng)化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-27時(shí)效強(qiáng)化bslipplaneprecipitatebbDtrChapter6MartensiteandItsTransformation6-281)M形成能松弛塑變所造的局部應(yīng)力集中，防止裂紋形成或裂紋擴(kuò)展。2)發(fā)生塑性變形區(qū)，有形變誘發(fā)M產(chǎn)生，使已塑變區(qū)繼續(xù)變形困難，抑制縮頸的形成。使塑性和韌性提高在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中塑性有所增加--相變誘發(fā)塑性。馬氏體相變塑性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-29Chapter6MartensiteandItsTransformation6-30馬氏體韌性C%:<0.4%，高韌性

>0.4%，韌性低，硬而脆Chapter6MartensiteandItsTransformation6-310.20.2馬氏體韌性主要決定于亞結(jié)構(gòu)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-32Chapter6MartensiteandItsTransformation6-33馬氏體強(qiáng)度和硬度主要取決于其含C量。馬氏體塑性和韌性主要取決于其亞結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)型馬氏體具有較高強(qiáng)度，硬度和良好的塑韌性〔強(qiáng)韌性〕孿晶型馬氏體強(qiáng)度，硬度很高，但塑韌性較低。故在保證足夠強(qiáng)度，硬度前提下，應(yīng)盡量減少孿晶M的數(shù)量。小結(jié)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-34(1)比容馬氏體比容比奧氏體大;(2)磁性鐵磁性(可用磁性法測(cè)量馬氏體轉(zhuǎn)變量)、高矯頑力；(3)電阻電阻比珠光體大。馬氏體的物理性能Chapter6MartensiteandItsTransformation6-356.2、馬氏體轉(zhuǎn)變特征Chapter6MartensiteandItsTransformation6-36(1)馬氏體轉(zhuǎn)變的非恒溫性(2)馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性(3)馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性(4)馬氏體轉(zhuǎn)變的位向關(guān)系和關(guān)系面(5)馬氏體轉(zhuǎn)變的外表浮凸效應(yīng)和共格性(1)轉(zhuǎn)變的非恒溫性Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37馬氏體的轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度稱上馬氏體點(diǎn)，用Ms表示。馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度稱下馬氏體點(diǎn)，用Mf表示.只要溫度到達(dá)Ms以下即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。在Ms以下，隨溫度下降，轉(zhuǎn)變量增加，冷卻中斷，轉(zhuǎn)變停止。

馬氏體轉(zhuǎn)變量是在Ms～Mf溫度范圍內(nèi)，通過不斷降溫來增加的，即馬氏體轉(zhuǎn)變量是溫度的函數(shù)，與等溫時(shí)間無關(guān)。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-37原子切變變化位置界面推移M共格切變A

母相點(diǎn)陣上原子從一種排列轉(zhuǎn)變到另一種排列,原來相鄰兩個(gè)原子在相變后仍然相鄰,它們之間相對(duì)位置不超過一個(gè)原子間距。即碳原子沒有經(jīng)過擴(kuò)散就可進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。(2)轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性

只有點(diǎn)陣改組，沒有成分變化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-39馬氏體無擴(kuò)散性證據(jù)：a.碳鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變前后碳濃度沒有發(fā)生變化，僅發(fā)生晶格切變；b.馬氏體轉(zhuǎn)變可以在超低碳合金中發(fā)生，而且轉(zhuǎn)變速度極快，說明無碳擴(kuò)散參與。c.轉(zhuǎn)變可在極低的溫度進(jìn)行〔4K〕，此時(shí)相變已不可能以擴(kuò)散方式進(jìn)行Chapter6MartensiteandItsTransformation6-40(3)轉(zhuǎn)變的可逆性

馬氏體加熱變?yōu)閵W氏體(一般碳鋼不可以)

As/Af(Fe-Ni:As比Ms高410℃;Au-Cd:As比Ms高16℃)

熱彈馬氏體是創(chuàng)作形狀記憶合金的根底6-41(4)位向關(guān)系及慣習(xí)面馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)馬氏體與奧氏體存在著嚴(yán)格的晶體學(xué)關(guān)系

——位向關(guān)系和慣習(xí)面

Chapter6MartensiteandItsTransformation馬氏體是在母相的一定晶面上開始形成的，這個(gè)晶面就是慣習(xí)面。

{111}A、{225}A、{259}A。

通常：碳含量＜0.5%時(shí)，慣習(xí)面為{111}A

；碳含量0.5—1.4%，慣習(xí)面為{225}A

；碳含量1.5—1.8%，慣習(xí)面為{259}A

6-42位向關(guān)系相變時(shí)，整體相互移動(dòng)一段距離，相鄰原子的相對(duì)位置無變化。作小于一個(gè)原子間距位置的位移，因此奧氏體與馬氏體保持一定的嚴(yán)格的晶體學(xué)位向關(guān)系。(1〕K—S關(guān)系晶向：〈111〉M∥〈011〉A(chǔ)〔2〕西山關(guān)系晶向：〈110〉M∥〈112〉A(chǔ)〔3〕G—T關(guān)系晶向：〈111〉M∥〈101〉A(chǔ)

Chapter6MartensiteandItsTransformation6-43(5)外表浮凸效應(yīng)和共格性

馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的表面浮凸Chapter6MartensiteandItsTransformation6-44馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在預(yù)先磨光試樣外表上形成有規(guī)那么的外表浮凸(切變使馬氏體外表出現(xiàn)一邊凹陷、一邊凸起，并帶動(dòng)附近奧氏體也發(fā)生彈性切變)。說明馬氏體形成與母相奧氏體宏觀切變密切相關(guān)。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-45界面上原子為馬氏體與奧氏體共有馬氏體切變方式Chapter6MartensiteandItsTransformation6-46Chapter6MartensiteandItsTransformation6-476.3、馬氏體轉(zhuǎn)變模型(1)

Bain模型(2)

K-S切變模型(3)

G-T模型f.c.c可看作體心正方其軸比c/a=1.414A點(diǎn)陣只需適當(dāng)變形，調(diào)整軸比，使之到達(dá)與含碳量對(duì)應(yīng)的M正方度時(shí)，A即可轉(zhuǎn)變成M。(1)Bain模型Chapter6MartensiteandItsTransformation6-48（111）A(011)MXMYMZMXAYAZA模型不能解釋外表浮凸效應(yīng)和慣習(xí)面。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-49(2)K-S模型——如何由fcc轉(zhuǎn)變?yōu)閎cc點(diǎn)陣？先看奧氏體{111}面Chapter6MartensiteandItsTransformation6-50第一層第二層第三層將三層相鄰(111)A晶面對(duì)某一層作垂直投影<112><011><011>120°Chapter6MartensiteandItsTransformation6-51馬氏體{011}面Chapter6MartensiteandItsTransformation6-52第一層第二層第三層<110><111><111>將三層相鄰〔011〕面對(duì)某一層作垂直投影109°28′Chapter6MartensiteandItsTransformation6-53第一層第二層第三層<011><011><112>120°{111}A<111><111>第二層原子沿<112>方向做第一次切變沿<011>方向做第二次切變{110}M<110>109°28′Chapter6MartensiteandItsTransformation6-54Chapter6MartensiteandItsTransformation6-556-56Chapter6MartensiteandItsTransformation(3)

G-T模型相變經(jīng)一次宏觀均勻切變和一次宏觀非均勻切變Chapter6MartensiteandItsTransformation6-57Chapter6MartensiteandItsTransformation6-586-59Chapter6MartensiteandItsTransformationChapter6MartensiteandItsTransformation6-606.4、馬氏體轉(zhuǎn)熱/動(dòng)力學(xué)Chapter6MartensiteandItsTransformation6-61馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)條件為什么有熱滯？？6-62驅(qū)動(dòng)力：

阻力：

Chapter6MartensiteandItsTransformationChapter6MartensiteandItsTransformation6-63M轉(zhuǎn)變自由能變化Chapter6MartensiteandItsTransformation6-64Ms點(diǎn)的因素6-65Chapter6MartensiteandItsTransformationChapter6MartensiteandItsTransformation6-66Chapter6MartensiteandItsTransformation6-67Chapter6MartensiteandItsTransformation6-68應(yīng)力：在奧氏體狀態(tài)下施加拉應(yīng)力或單向壓應(yīng)力會(huì)促進(jìn)馬氏體形成，Ms升高。在奧氏體狀態(tài)下施加多向壓應(yīng)力會(huì)阻礙馬氏體形成，Ms下降。塑性變形：1、假設(shè)在Ms～Md溫度范圍內(nèi)經(jīng)塑性變形會(huì)促進(jìn)奧氏體在該溫度下向馬氏體轉(zhuǎn)變，使Ms升高，產(chǎn)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體。2、假設(shè)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、假設(shè)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。Chapter6MartensiteandItsTransformation6-69用外力能否改變馬氏體轉(zhuǎn)變？？Chapter5:DiffusionalTransformationsinSolids6-70Chapter6MartensiteandItsTransformation6-716-72Chapter6MartensiteandItsTransformation6-73馬氏體形成動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)Chapter6MartensiteandItsTransfo