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1、马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰第六章第六章 马氏体相变与马氏体相变与钢在冷却过程中的低温转变钢在冷却过程中的低温转变2024/9/71马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 本章内容提要本章内容提要本章内容提要本章内容提要1.1.马氏体的定义、马氏体转变的含义马氏体的定义、马氏体转变的含义2.2.马氏体马氏体(M)(M)相变的主要特征相变的主要特征3.3.马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构4.4.马氏体的组织形态马氏体的组织形态5.5.马氏体转变的热力学马氏体转变的热力学6.6.马氏体转变动力学马氏体转变动力学7.7.马氏体转变机制马氏体转变机制8.8.马氏体
2、的性能马氏体的性能9.9.马氏体转变的应用马氏体转变的应用2024/9/72马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰基本要求：基本要求：1. 1. 马氏体的定义、马氏体转变的含义、马氏体的定义、马氏体转变的含义、2. 2. 马氏体马氏体(M)(M)相变的五个主要特征的内容相变的五个主要特征的内容3. 3. 马氏体的晶体结构的类型、正方度马氏体的晶体结构的类型、正方度4. 4. 马马氏氏体体的的两两种种基基本本形形态态是是板板条条马马氏氏体体和和片片状状马马氏氏体体；影影响响马马氏氏体体形形态态及其内部亚结构的因素及其内部亚结构的因素5. 5. 马马氏氏体体转转变变的的热热力力学学条
3、条件件、驱驱动动力力、T T0 0、M MS S的的物物理理意意义义、MsMs点点很很低低的的原因、马氏体的形成条件、影响钢的原因、马氏体的形成条件、影响钢的M MS S点因素点因素6. 6. 马氏体转变动力学主要有四种方式，各种方式的特征。马氏体转变动力学主要有四种方式，各种方式的特征。7. 7. 马氏体转变机制：形核理论、三种切变模型马氏体转变机制：形核理论、三种切变模型( (本部分作一般了解本部分作一般了解) )8. 8. 马马氏氏体体的的性性能能：力力学学性性能能的的显显著著特特点点、马马氏氏体体高高硬硬度度( (高高强强度度) )的的本本质质、强强度度和和韧韧性性与与含含碳碳量量及及
4、亚亚结结构构的的关关系系；超超塑塑性性、高高碳碳马马氏氏体体的的显显微微裂裂纹纹9. 9. 奥氏体稳定化：热稳定化和机械稳定化奥氏体稳定化：热稳定化和机械稳定化10. 10. 马氏体转变的应用马氏体转变的应用( (本部分作一般了解本部分作一般了解) ) 2024/9/73马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰概概 述述“水水水水与与与与火火火火合合合合为为为为淬淬淬淬”( ( ( (史史史史记记记记. . . . 天天天天官官官官记记记记)()()()(公公元元前前9191年年) )“巧巧巧巧冶冶冶冶铸铸铸铸干干干干将将将将之之之之朴朴朴朴( (窄窄长长有有短短把把的的刀刀) )
5、，清清清清水水水水淬其锋淬其锋淬其锋淬其锋”（汉书（汉书（汉书（汉书. . . . 王褒传）王褒传）王褒传）王褒传） 搜搜搜搜神神神神记记记记干干干干将将将将、莫莫莫莫邪邪邪邪( (吴吴国国一一对对铁铁匠匠夫夫妇妇),),也是古代锋利的宝剑的代称。也是古代锋利的宝剑的代称。 太太太太平平平平御御御御览览览览蒲蒲蒲蒲元元元元传传传传载载三三国国时时蜀蜀人人蒲蒲元元对对他他的的“神神刀刀”淬淬火火用用水水的的选选择择。“刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之刀成，自言汉
6、水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之。” ” 北北北北齐齐齐齐书书书书列列列列传传传传( ( ( (第第四四十十一一) )，载载东东魏魏、北北齐齐间间(534(534577)577)的的綦綦母母怀怀文文在在“宿宿铁铁刀刀”淬淬火火时时“浴浴浴浴以以以以五五五五牲牲牲牲之之之之溺溺溺溺，淬淬淬淬以以以以五五五五牲牲牲牲之之之之脂脂脂脂”。可可见见当当时时已已采采用用含含盐的水和油作为具有不同冷却速度的液冷介质。盐的水和油作为具有不同冷却速度的液冷介质。明明代代宋宋应应星星的的天天天天工工工工开开开开物物物物中中对对制制蹉蹉蹉蹉的的记记载载：“以以已已健健划划成成纵纵斜斜文文理理，划划时时
7、斜斜向向入入，则则方方成成焰焰。划划划划后后后后烧烧烧烧红红红红，退退退退微微微微冷冷冷冷，入入入入水水水水健健健健。”其其中中“退退微微冷冷”，就是预冷淬火工艺。就是预冷淬火工艺。 当当相相同同成成分分的的钢钢以以很很快快的的速速度度冷冷却却( (比比如如在在水水中中冷冷却却) )到到室室温温或或更更低低温温度时度时( (称这种冷却为称这种冷却为淬火淬火淬火淬火) )。淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件淬火获得马氏体是使钢强韧化的先决条件。 干将干将干将干将 莫邪莫邪莫邪莫邪2024/9/74马氏体转变马氏体转变马氏体
8、转变马氏体转变授课 朱世杰 1.1.1.1.马氏体转变的含义马氏体转变的含义马氏体转变的含义马氏体转变的含义( ( ( (链接链接链接链接) ) ) ) 指指钢钢从从奥奥氏氏体体状状态态快快速速冷冷却却( (即即淬淬淬淬火火火火) )而而发发生生的的无无扩扩散散型型相相变变，转变产物为马氏体。转变产物为马氏体。 是是替替换换原原子子经经无无扩扩散散位位移移( (均均匀匀和和不不均均匀匀形形变变) )、由由此此产产生生形形状状改改变变和和表表面面浮浮突突、呈呈不不变变平平面面应应变变特特征征的的一一级级、形形核核长长大大型型的相变。的相变。6.1钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构6.1.1
9、6.1.1马氏体相变和马氏体的定义马氏体相变和马氏体的定义马氏体相变和马氏体的定义马氏体相变和马氏体的定义2024/9/75马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰马氏体定义的历史马氏体定义的历史马氏体定义的历史马氏体定义的历史2024/9/76马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰2.2.2.2.马氏体的定义马氏体的定义马氏体的定义马氏体的定义： 马氏体马氏体是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中的过饱和间隙式固溶体；中的过饱和间隙式固溶体； 马马氏氏体体是是在在冷冷却却过过程程中中所所发发生生的的基基本本特特征征属属于于马马氏氏体体型型转转变变的的转转变变产产物物。母母相
10、相无无扩扩散散地地、以以惯惯习习面面为为不不变变平平面面的的切切变变共格的相变产物，统称为共格的相变产物，统称为马氏体马氏体。 原原子子经经无无扩扩散散切切变变的的不不变变平平面面应应变变的的晶晶格格改改组组，得得到到的的与与母母相相具具有有严严格格晶晶体体学学关关系系和和惯惯习习面面的的含含有有高高密密度度位位错错、层层错错或孪晶等晶体缺陷的组织称为或孪晶等晶体缺陷的组织称为马氏体。马氏体。2024/9/77马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰6.1.2 6.1.2 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构 1.1.马氏体的点阵常数的变
11、化马氏体的点阵常数的变化马氏体的点阵常数的变化马氏体的点阵常数的变化马马氏氏体体具具有有正正方方点点阵阵结结构构，记记为为M或或。马马氏氏体体转转变变时时，面面心心立立方方的的奥奥氏氏体体通通过过切切变变转转变变为为体体心心立立方方的的-Fe，此此时时碳碳原原子子仍仍停停留留在在六六个个铁铁原原子子所所组组成成的的八八面面体体中中心心。碳碳原原子子位位于于面面心心或或棱棱边边中中心心，即即扁扁八八面面体体的的中中心心，碳碳原原子子溶溶入入后后，会会使使短短轴轴(c轴轴)伸伸长长，长长轴轴(a轴轴)缩缩短短，晶晶体体结结构构为为体体心心正正方方。其其轴轴比比c/a不不再再等等于于1，称称为为马马
12、氏氏体体的的正方度正方度。2024/9/78马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰马氏体的晶胞模型马氏体的晶胞模型(a)(a)碳原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置碳原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置(b)(b)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况(c)(c)碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置未填满的情况碳原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置未填满的情况2024/9/79马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 2.2.马氏体的正方度与碳含量的关系马氏体的正方度与碳含量的关系马氏体的
13、正方度与碳含量的关系马氏体的正方度与碳含量的关系 马氏体正方度与含碳量呈直线关系马氏体正方度与含碳量呈直线关系马氏体正方度与含碳量呈直线关系马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度，含碳量愈高，正方度愈大，即：愈大，即：c/a = 1c/a = 1c/a = 1c/a = 10.046w0.046w0.046w0.046wc c c c 碳碳含量对含量对c，a的影响的影响 c=0+ a=0+ c/a=1+式式中中：00.2861nm (-Fe点点阵参数阵参数)；=0.1160.002； =0.0460.001； =0.0130.002； 马氏体碳含量马氏体碳含量(重量重量%)。202
14、4/9/710马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰3.3.马氏体的异常正方度马氏体的异常正方度马氏体的异常正方度马氏体的异常正方度有有些些钢钢的的马马氏氏体体的的正正方方度度远远偏偏离离式式(6-3)的的数数值值，称称为为异异常常正正方度方度。在在高高碳碳铝铝钢钢（1.5%C1.5%C，7%Al7%Al）和和高高镍镍钢钢（1.0%C1.0%C，19%Ni19%Ni）中中新新淬淬火火马马氏氏体体，测测试试其其正正方方度度要要高高于于式式(6-3)(6-3)给给出出的的数数值值，称称为为异异常常高高正正方方度度；当当温温度度回回升升到到室室温温时时，正正方方度度下下降降。MsMs点
15、点低低于于0 0的的锰锰钢钢（0.6%-0.8%C,6%-7%Mn0.6%-0.8%C,6%-7%Mn）制制成成奥奥氏氏体体单单晶晶，淬淬入入液液氮氮，测测试试其其在在液液氮氮温温度度下下的的正正方方度度要要低低于于式式(6-3)(6-3)给给出出的的数数值值，称为称为异常低正方度异常低正方度。当当碳碳含含量量小小于于0.2%时时，碳碳原原子子偏偏聚聚于于马马氏氏体体的的位位错错线线或或是是均均匀匀地地分分布布在在X、Y和和Z三三个个位位置置上上，即即处处于于完完全全无无序序状状态态。碳碳原子的存在虽然引起点阵常数的增加，但不会改变正方度。原子的存在虽然引起点阵常数的增加，但不会改变正方度。合
16、金元素对马氏体的正方度影响不大。合金元素对马氏体的正方度影响不大。2024/9/711马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰4.4.马氏体的晶体结构类型马氏体的晶体结构类型马氏体的晶体结构类型马氏体的晶体结构类型马氏体的晶体结构类型有两种：马氏体的晶体结构类型有两种：体心立方结构体心立方结构(WC0.2%)（a=bca=bc）奥奥氏氏体体具具有有面面心心立立方方点点阵阵，溶溶入入的的碳碳原原子子位位于于铁铁原原子子所所组组成成的正八面体中心的正八面体中心。2024/9/712马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 6.1.3 6.1.3 马氏体转变具有一定的位向关系
17、和惯习面马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面马马氏氏体体转转变变时时马马氏氏体体与与奥奥氏氏体体存存在在着着严严格格的的晶晶体体学学关关系系：位向关系和惯习面位向关系和惯习面相相变变时时，整整体体相相互互移移动动一一段段距距离离，相相邻邻原原子子的的相相对对位位置置无无变变化化。作作小小于于一一个个原原子子间间距距位位置置的的位位移移，因因此此奥奥氏氏体体与与马马氏氏体体保持一定的严格的晶体学位向关系。保持一定的严格的晶体学位向关系。位向关系有位向关系有：(1)K-S关系关系(2)西山西山(N)关系关系(3)G-T关系关系
18、(4)K-V-N关系关系2024/9/713马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰(1)K-S(1)K-S关系关系关系关系1930年年，库库尔尔鸠鸠莫莫夫夫与与Sachs在在1.4%碳碳的的碳碳钢钢中中发发现现，马马氏氏体体与与奥奥氏氏体有下述关系：体有下述关系： 110M/111，M/ 右图为钢中马氏体在不同的右图为钢中马氏体在不同的(111)晶面晶面上形成时可能有六种不同上形成时可能有六种不同K-S关系。关系。2024/9/714马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰(2)(2)西山关系西山关系西山关系西山关系1934年年，西西山山在在铁铁镍镍合合金金中中发发现
19、现，在在室室温温以以上上形形成成的的马马氏氏体体与与奥奥氏氏体体之之间间存存在在K-S关关系系，而而在在-70以以下下形形成成的的马马氏体与奥氏体呈下列关系：氏体与奥氏体呈下列关系：110110MM/111/111 MM/ 西山关系与西山关系与K-S关系相比，晶面关系相关系相比，晶面关系相同，晶向关系相差同，晶向关系相差516。2024/9/715马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 (3)G-T(3)G-T关系关系关系关系 1994 1994年，年，GrenigenGrenigen与与Troiano Troiano 在在Fe-Fe-Ni-CNi-C合金中发现，马氏体与奥氏体的
20、位向合金中发现，马氏体与奥氏体的位向接近接近K-SK-S关系，但略有偏差，其中晶面差关系，但略有偏差，其中晶面差1 1度，晶向差度，晶向差2 2，称为，称为G-TG-T关系关系。 110 110M M /111 /111差差1 1， M M /差差2 2 2024/9/716马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 6.1.4 6.1.4 惯习面惯习面惯习面惯习面惯惯习习面面即即马马氏氏体体转转变变的的不不变变平平面面，马马氏氏体体即即在在此此平平面面上上形形成成。惯惯习习面面总总是是平平行行或或接接近近奥奥氏氏体体的的某某一一晶晶面面，并并随随奥奥氏氏体体中中含碳量及马氏体形成温
21、度而变化。含碳量及马氏体形成温度而变化。当当WC0.6%时，惯习面为时，惯习面为111；当当WC=0.6% 1.4%时，惯习面为时，惯习面为225；当当WC=1.4% 2.0%时，惯习面为时，惯习面为259。惯惯习习面面也也可可因因马马氏氏体体形形成成温温度度而而变变化化。马马氏氏体体形形成成温温度度下下降降，惯惯习习面面有有向向高高指指数数变变化化的的趋趋势势。对对于于碳碳量量较较高高的的钢钢，先先形形成成的的马马氏氏体体的的惯惯习习面面为为225，后后形形成成的的马马氏体的惯习面为氏体的惯习面为259。 2024/9/717马氏体转变马氏体转变马氏体转变马氏体转变授课 朱世杰 1 1 1 1、马氏体转变的含义和马氏体的定义。、马氏体转变的含义和马氏体的定义。、马氏体转变的含义和马氏体的定义。、马氏体转变的含义和马氏体的定义。 2 2 2 2、马氏体的晶体结构、正方度。、马氏体的晶体结构、正方度。、马氏体的晶体结构、正方度。、马氏体的晶体结构、正方度。 3 3 3 3、马氏体的位向关系和惯习面、马氏体的位向关系和惯习面、马氏体的位向关系和惯习面、马氏体的位向关系和惯习面。本节小结本节小结2024/9/718
