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1、第十二章 固态相变马氏体相变,马氏体转变：奥氏体从高温冷却时，若冷速足够快，避免在冷却过程中发生高温转变及中温转变，则将在Ms到Mf温度范围内转变为马氏体M。 （MS-马氏体相变开始温度 Mf -马氏体相变结束温度） 马氏体：就是C 在-Fe 中的过饱和固溶体。,钢中马氏体：C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体。 马氏体定义：凡相变的基本特性属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。 形成条件：淬火。 淬火：将钢加热到Ac3 或Ac1以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。 马氏体转变的临界冷却速度：抑制所有非马氏体转变的最小冷却速度。 马氏体的力学性能：高硬度、
2、高强度。,马氏体相变,12.1 马氏体相变的基本特征 12.2 马氏体相变热力学（重点） 12.3 马氏体相变动力学 12.4 马氏体的回火（重点） 12.5 马氏体时效钢的钢化机制分析,12.1 马氏体相变的基本特征 无扩散性 非恒温性和不完全性 切变共格性和表面浮凸现象 晶体学位向关系 马氏体的组织形态与亚结构 奥氏体的热稳定化 形变诱发马氏体转变 过冷奥氏体的机械稳定化 形状记忆效应,12.1.1 马氏体转变的无扩散性,无扩散性：马氏体转变只有点阵改组而无成份变化，转变时原子做有规律的整体迁移，每个原子移动的距离不超过一个原子间距，且原子之间的相对位置不发生变化， 转变速度极快。（例如：
3、Fe-C、Fe-Ni合金，在-196 -20之间一片马氏体形成的时间约510-7510-5秒）,12.1.1 马氏体转变的无扩散性的原因,C原子在-Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方结构，正方度随碳含量增加而线性增大。 Fe-C合金中，A和M中碳原子相对铁原子的间隙位置没变。 Fe-C合金中，在-20-195C之间，每片M的形成时间约为：0.5510-7s。 转变结果：降低了系统能量，形成低温亚稳定相。 形成条件：冷却速度大到能避免扩散型相变，所有金属及合金的高温相均可发生M相变。,12.1.2 马氏体转变的非恒温性和转变不完全性 马氏体转变存在开始转变温度Ms， 和终了转变温度Mf。当奥氏体
4、过冷到Ms点温度以下，开始发生马氏体转变，直到温度降到Mf 以下时，转变结束。 因此，马氏体转变的非恒温性体现为马氏体的降温转变。 温度降低到马氏体相变终了温度Mf 时，有残余奥氏体存在的现象，称为马氏体转变不完全性。 一般钢材的Mf 都低于室温，在生产中为了获得更多的马氏体，常采用深冷到室温以下的处理工艺，这种工艺方法称为冷处理。,在Ms点以下，一定温度只形成一定量的马氏体，随着温度的继续降低，马氏体转变量才不断继续增加。即，马氏体转变是在MsMf温度范围内进行的，马氏体的转变量是温度的函数。 20时，A部分为残余奥氏体，可采用深过冷处理，获得更多M。 Mf时，转变量并达到100%，体现了马
5、氏体转变的未不完全性。,转变不完全性 及AR,深过冷处理,马氏体转变量与温度的关系,12.1.3 切变共格性和表面浮凸现象 （1）马氏体转变时在预先磨光的表面上产生有规则的表面浮凸。 （2）马氏体形成有惯习面，马氏体转变时马氏体与奥氏体之间保持共格关系(第二类共格) 。,12.1.4 晶体学位向关系 马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系。 、位向关系 相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置无变化，作小于一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏体保持一定的严格的晶体学位向关系。 K-S关系：110M /111A；M/A 西山（N）关系：110M/111A；M/A G-T关系
6、 K-V-N关系 西山关系与K-S关系相比，晶面关系相同，晶向关系相差516,奥氏体 (111)面上马氏体的六种不同K-S取向,110M /111A；M/A,由于3个奥氏体方向上(每个方向上有2种马氏体取向)可能有6种不同的马氏体取向,而奥氏体的 111 晶面族中又有4种晶面，从而马氏体共有24种取向（变体）。,K-S 关系：,奥氏体 (111)面上马氏体的三种不同西山取向,西山关系：,111A110M ; AM,按西山关系，在每个111A面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取 向（变体）。,12.1.5 马氏体的组织形态与亚结构,不同形态马氏体存在成分及温度范围,（1）板条状马氏体
7、 常见于低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中。其显微组织是由许多成群的板条组成，称板条马氏体。亚结构为位错，也称位错马氏体。,板条马氏体晶粒的显微组织示意图：板条单晶板条块板条束马氏体晶粒。 稠密的板条单晶之间夹着残余奥氏体 。这种微量的残余奥氏体对板条马氏体的韧性贡献很大。 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。,对于碳钢： C%0.3%时，板条束和板条块比较清楚； 0.3%C%0.5%时，板条束清楚而板条块不清楚； 0.6%C%0.8 %时，无法辨认板条束和板条块，板条组织逐渐消失并向片状马氏体组织过渡。 与奥氏体
8、晶粒的关系： 奥氏体晶粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒内板条束个数基本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。 冷却速度的关系： 冷却速度越大，板条束和块宽同时减小，组织变细，因此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。,钢板条马氏体中的位错,板条马氏体,（2）片状马氏体 常见于淬火高、中碳钢、及Fe-Ni-C钢。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，试样磨面的截面在显微镜下呈针状或竹叶状，又称针状马氏体或竹叶状马氏体，亚结构为孪晶，也称孪晶马氏体。,形成过程： 先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒。 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
9、体片越来越短小。 与奥氏体晶粒的关系：奥氏体晶粒越大，马氏体片越大。,显微裂纹 现象：高碳钢淬火时，片状马氏体内部形成显微裂纹。 原因：片状马氏体形成极快，先形成的第一片马氏体贯穿整个原奥氏体晶粒，后形成的马氏体片不断撞击先形成的马氏体，或与原A晶界相撞，冲击力大，且高碳马氏体本身脆，撞出裂纹。 值得提出的是：板条马氏体板条之间夹角很小，基本相互平行，相互撞击的几率很小，即使偶有撞击，由于残余奥氏体的存在可以缓解应力，因此，板条马氏体没有出现显微裂纹。,片状马氏体及其亚结构,片状马氏体的亚结构为细小孪晶，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。,带有中脊的片状马氏体,
10、钢的两种马氏体的特征对比 C%，Ms，条状片状，位错孪晶 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。,表 两种马氏体特征的比较,12.1.6 奥氏体的热稳定化 定义：淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留，引起过冷奥氏体稳定性提高，使马氏体转变迟滞的现象称为过冷奥氏体的热稳定化。,奥氏体热稳定化现象（在Ms点以下等温停留）示意图,在TA温度停留时间,在TA温度停留后再继续冷却，马氏体转变并不立即恢复，而要冷至Ms才重新形成马氏体。即要滞后（=TA-Ms）度，转变才能继续进行。与正常情况下的连续冷却转变相比，同样温度TR下的转变量少了（=M1-M
11、2）。,热稳定化程度可用滞后温度间隔和残余奥氏体增量来表示,产生机理：C、N 原子在适当温度下(热稳定化温度)向点阵位错处偏聚，钉扎位错，不仅强化奥氏体，使马氏体相变切变阻力增大，同时钉扎马氏体核坯，阻碍其长大。因此发生必须附加化学驱动力以克服溶质原子的钉扎力。过冷度提供了这个附加化学驱动力。 这就是过冷度产生的原因。 影响热稳定化的因素： (1) 化学成分： C、N原子影响最重要，无C的Fe-Ni合金无热稳定化现象，C、N原子总量大于0.01%就产生稳定化现象。C%增加，稳定化作用增加。 强碳化物形成元素Cr、Mo、V促进热稳定化作用；Ni、Si等非碳化物形成元素对热稳定化无影响。 (2)
12、等温温度：奥氏体的热稳定化有个温度上限Mc，在Mc以下等温或缓冷才会引起热稳定化。 (3) 等温时间：等温时间越长，C、N原子偏聚量增加，奥氏体稳定化程度增加。 (4) 已生成的马氏体量f：f越大，奥氏体热稳定性越大。,马氏体逆转变：把马氏体以足够快的速度加热时，马氏体可以不分解而直接转化成奥氏体。 形变诱发马氏体转变：在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形而促生的马氏体转变。 形变诱发奥氏体转变：在As点以下对马氏体进行塑性变形而促生的奥氏体。,As：马氏体逆转变开始温度 Af：马氏体逆转变终了温度 Md：形变诱发马氏体转变开始温度 Ad：形变诱发奥氏体转变开始温度 T0：为相同成分的马氏体和奥氏
13、体两相热力学平衡温度；也为Md上限温度(理论温度)，Ad下限温度(理论温度),Md,Ad,12.1.7 形变诱发马氏体转变,对形变诱发马氏体的解释： 如图所示，马氏体相变所需的驱动力为G，对应相变点为Ms。在T1 温度(T1Ms)，马氏体相变的驱动力为G2，达不到G，经形变补充的机械驱动力G1 与化学驱动力G2 叠加，满足G=G1+G2，因此在T1温度下形变，马氏体相变能够进行，即在T1温度下可获得形变诱发马氏体。,形变诱发马氏体转变热力学条件示意图,12.1.8 过冷奥氏体的机械稳定化,现象：Md 点是形变诱发马氏体的最高温度，高于此温度的塑性变形将不会产生形变诱发马氏体。 原因：在Md点以
14、上温度对过冷奥氏体进行塑性变形，会产生过冷奥氏体机械稳定化。 产生机理：由于塑性变形引入缺陷(或使缺陷增加)，破坏了母相与新相(或其核坯)之间的共格关系，使马氏体转变时原子运动发生困难。,Md,12.1.9 形状记忆效应,热弹性：温度的升降可以引起热弹性马氏体的消长。即，当温度下降，马氏体片长大；反之，当温度上升，马氏体逆转变为奥氏体，造成马氏体片收缩。只要马氏体界面上的共格性未被破坏，马氏体片可随着驱动力的改变而反复发生长大或缩小。 伪弹性：具有热弹性的马氏体，在Md点以下Ms点以上施加应力会诱发马氏体相变，代替温度对马氏体转变的作用。即应力的升降可以引起热弹性马氏体的消长,称为伪弹性。 形
15、状记忆效应 是由马氏体转变的热弹性及伪弹性行为引起的。,具有形状记忆效应的合金应具备的3个条件： (1) 必须是热弹性马氏体。即随着温度的变化，母相与马氏体界面的移动是可逆的； (2) 合金中的异类原子，无论处于母态还是马氏体状态都必须具有有序结构； (3)“母相 马氏体“相变，在晶体学上是可逆的。,形状记忆效应可分为三类: 单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为与高温相形状相同而取向相反的低温相。
16、这是一种特殊的双程记忆效应。,形状记忆合金的应用,月面天线： 先用镍钛合金在高温下制成月面天线（这种合金非常强硬，刚度很好），再让天线冷却到28以下。这种马氏体非常柔软，所以很容易把天线折叠成小球似的一团，放进宇宙飞船的船舱里。到达月球后，借助于阳光照射或其他热源的加热使环境温度超过奥氏体相变温度，这时天线自动张开，成为原先定形的月面天线。,记忆铆钉：,铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直,插入被紧固件的孔中,温度上升产生形状恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。,记忆眼镜框,记忆眼镜框，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。,记忆合金花：,利用CuZnAl形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花瓣，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。,12.2 马
