1、耿耿 林林哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学基础材料科学基础（材料相变原理）（材料相变原理）第第4章章 马氏体转变马氏体转变钢经过奥氏体化后，快速冷却到珠光体转变温度以钢经过奥氏体化后，快速冷却到珠光体转变温度以下，不发生珠光体转变，在较低的温度下发生非扩下，不发生珠光体转变，在较低的温度下发生非扩散型相变，称为马氏体相变。散型相变，称为马氏体相变。马氏体相变是钢中最主要的相变，是钢热处理强化马氏体相变是钢中最主要的相变，是钢热处理强化的重要手段。的重要手段。凡相变的基本特征属于马氏体型的转变产物都称为凡相变的基本特征属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。马
2、氏体。本章主要内容包括：马氏体的晶体结构、组织形态、本章主要内容包括：马氏体的晶体结构、组织形态、转变特点、转变机理、热力学、动力学、强化机理转变特点、转变机理、热力学、动力学、强化机理和性能特点。和性能特点。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：奥氏体是面心立方晶体结构，其奥氏体是面心立方晶体结构，其正八面体间隙尺寸较大，因此碳正八面体间隙尺寸较大，因此碳原子占据奥氏体中的正八面体间原子占据奥氏体中的正八面体间隙所产生的畸变能较小，因此奥隙所产生的畸变能较小，因此奥氏体对碳原子的
3、溶解度较高，在氏体对碳原子的溶解度较高，在1148时可以达到时可以达到2.112.11。所以。所以在奥氏体状态下，钢中的碳可以在奥氏体状态下，钢中的碳可以全部溶入奥氏体，形成稳定固溶全部溶入奥氏体，形成稳定固溶体。体。间隙半径是原子间隙半径是原子半径的半径的0.414倍倍第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：铁素体是体心立方晶体结构，铁素体是体心立方晶体结构，其八面体间隙尺寸在一个方向其八面体间隙尺寸在一个方向上较小，导致碳原子占据铁素上较小，导致碳原子占据铁素体中扁八面体间隙时，
4、产生较体中扁八面体间隙时，产生较大的极性畸变能，因此铁素体大的极性畸变能，因此铁素体对碳原子的溶解度较低，在对碳原子的溶解度较低，在727时可以达到时可以达到0.02180.0218。所以在铁素体状态下，钢中大所以在铁素体状态下，钢中大多数碳不能溶入铁素体，否则多数碳不能溶入铁素体，否则将形成不稳定的过饱和固溶体。将形成不稳定的过饱和固溶体。间隙半径是原子间隙半径是原子半径的半径的0.154倍倍第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：马氏体转变是在较低的温度进行的，转变时铁原子和马氏
5、体转变是在较低的温度进行的，转变时铁原子和碳原子都不能扩散，铁原子从奥氏体的面心立方晶格碳原子都不能扩散，铁原子从奥氏体的面心立方晶格相铁素体的体心立方晶格的转变是依靠非扩散的共格相铁素体的体心立方晶格的转变是依靠非扩散的共格切变来完成，但碳原子不能从铁原子的晶格中扩散出切变来完成，但碳原子不能从铁原子的晶格中扩散出去，而被过饱和地固溶在铁素体中，形成了过饱和的去，而被过饱和地固溶在铁素体中，形成了过饱和的-Fe-Fe固溶体，这就是马氏体。固溶体，这就是马氏体。从上面分析看出，马氏体应该是具有体心立方晶体结从上面分析看出，马氏体应该是具有体心立方晶体结构，但实际上马氏体的晶体结构是体心正方。构
6、，但实际上马氏体的晶体结构是体心正方。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：一、马氏体的点阵结构与碳原子的分布：马氏体体心立方晶体的八面体间隙可以分成三组，每一组马氏体体心立方晶体的八面体间隙可以分成三组，每一组中的间隙位置加入碳原子后，都使一个方向的晶格参数被中的间隙位置加入碳原子后，都使一个方向的晶格参数被拉长。如果拉长。如果80的碳原子都占据三组中的一组，则体心立的碳原子都占据三组中的一组，则体心立方点阵的一个轴被拉长，称为体心正方晶体。这就是马氏方点阵的一个轴被拉长，称为体心正方晶体。这就是马氏体是体心正方结
7、构的原因。体是体心正方结构的原因。XYZ第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构二、马氏体的点阵常数与碳含量的关系：二、马氏体的点阵常数与碳含量的关系：既然马氏体的体心正方结构是由于碳既然马氏体的体心正方结构是由于碳原子的特殊分布造成的，体心正方结原子的特殊分布造成的，体心正方结构的构的c轴一定大于轴一定大于a轴和轴和b轴。轴。c轴和轴和a轴轴晶格常数之比为马氏体的正方度晶格常数之比为马氏体的正方度(c/a)。随碳含量提高，马氏体的点阵常数中随碳含量提高，马氏体的点阵常数中c线性增大，线性增大，a线性降低，线性降低，c/a线性增大。线性增大。一般来说，碳
8、含量低于一般来说，碳含量低于0.25%的板条马的板条马氏体的正方度接近氏体的正方度接近1，为体心立方结构。，为体心立方结构。合金元素对马氏体的正方度几乎没有合金元素对马氏体的正方度几乎没有影响。影响。马氏体的点阵常数马氏体的点阵常数与碳含量的关系与碳含量的关系第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.1 钢中马氏体的晶体结构钢中马氏体的晶体结构三、新生马氏体的异常正方度：三、新生马氏体的异常正方度：一些新生马氏体的正方度与碳含量的关系不符合理论计算结果。一些新生马氏体的正方度与碳含量的关系不符合理论计算结果。有的与计算结果相比非常低，称为异常低正方度，其原因可能是碳原有的与计算结果相比非常低，称为异
9、常低正方度，其原因可能是碳原子在三个亚点阵中无序分布，导致子在三个亚点阵中无序分布，导致abc各不各不相等，形成正交点阵。相等，形成正交点阵。有的与计算结果相比非常高，称为异常高正方度，其原因可能是碳原有的与计算结果相比非常高，称为异常高正方度，其原因可能是碳原子全部占据某一个亚点阵，这时子全部占据某一个亚点阵，这时a ab b，形成正方点阵。，形成正方点阵。四、马氏体中的点阵畸变：四、马氏体中的点阵畸变：马氏体中的八面体间隙是扁八面体间隙，间隙半径只有马氏体中的八面体间隙是扁八面体间隙，间隙半径只有0.019nm，而，而碳原子半径为碳原子半径为0.077nm。所以碳原子溶入后使铁原子间隙短轴
10、方向间。所以碳原子溶入后使铁原子间隙短轴方向间距拉长距拉长36，另外两个方向收缩，另外两个方向收缩4，并产生非常严重的非对称畸变，并产生非常严重的非对称畸变，称为畸变偶极，形成强烈的应力场。称为畸变偶极，形成强烈的应力场。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.2 马氏体相变的主要特点马氏体相变的主要特点一、切变共格和表面浮凸现象：一、切变共格和表面浮凸现象：奥氏体向马氏体晶体结构的转变是靠切变进行的，由于切变使相界面奥氏体向马氏体晶体结构的转变是靠切变进行的，由于切变使相界面始终保持共格关系，因此称为切变共格。始终保持共格关系，因此称为切变共格。由于切变导致在抛光试样表面在马氏体相变之后产生凸起
11、，即表面浮由于切变导致在抛光试样表面在马氏体相变之后产生凸起，即表面浮凸现象。凸现象。二、马氏体转变的无扩散性：二、马氏体转变的无扩散性：原子不发生扩散，但发生集体运动，原子间相对运动距离不超过一个原子不发生扩散，但发生集体运动，原子间相对运动距离不超过一个原子间距，原子相邻关系不变。原子间距，原子相邻关系不变。转变过程不发生成分变化，但却发生了晶体结构的变化。转变过程不发生成分变化，但却发生了晶体结构的变化。转变温度很低，但转变速度极快。转变温度很低，但转变速度极快。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.2 马氏体相变的主要特点马氏体相变的主要特点三、具有一定的位向关系和惯习面：三、具有一定的
12、位向关系和惯习面：位向关系：位向关系： K-S关系：关系：111/011，101/111，可有，可有24种取向种取向西山关系：西山关系：111/011，110/211，可有，可有12种取向种取向惯习面：惯习面：随碳含量提高和转变温度降低随碳含量提高和转变温度降低: (111) , (225) , (259) 第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.2 马氏体相变的主要特点马氏体相变的主要特点四、马氏体转变是在一个温度范围内完成的：四、马氏体转变是在一个温度范围内完成的：马氏体转变是奥氏体冷却的某一温度时才开始的，这一温度马氏体转变是奥氏体冷却的某一温度时才开始的，这一温度称为马氏体转变开始温度，简
13、称称为马氏体转变开始温度，简称Ms点。点。马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下才能使转马氏体转变开始后，必须在不断降低温度的条件下才能使转变继续进行，如冷却中断，则转变立即停止。变继续进行，如冷却中断，则转变立即停止。当冷却到某一温度时，马氏体转变基本完成，转变不再进行，当冷却到某一温度时，马氏体转变基本完成，转变不再进行，这一温度称为马氏体转变结束温度，简称这一温度称为马氏体转变结束温度，简称Mf点。点。从以上分析可以看出，马氏体转变需要在一个温度范围内连从以上分析可以看出，马氏体转变需要在一个温度范围内连续冷却才能完成。续冷却才能完成。如果如果Mf点低于室温，则冷却到室温时，将仍保
14、留一定数量的点低于室温，则冷却到室温时，将仍保留一定数量的未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。未转变奥氏体，称之为残余奥氏体。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.2 马氏体相变的主要特点马氏体相变的主要特点五、马氏体转变的可逆性：五、马氏体转变的可逆性：在某些合金中，奥氏体冷却转变为马氏体后，重新加热时，在某些合金中，奥氏体冷却转变为马氏体后，重新加热时，已经形成的马氏体又可以通过逆向马氏体转变机构转变为奥已经形成的马氏体又可以通过逆向马氏体转变机构转变为奥氏体。这就是马氏体转变的可逆性。氏体。这就是马氏体转变的可逆性。将马氏体直接向奥氏体转变的称为逆转变。将马氏体直接向奥氏体转变的称为逆转变。逆
15、转变开始温度为逆转变开始温度为As点，终了温度为点，终了温度为Af点。点。Fe-C合金很难发生马氏体逆转变，因为马氏体加热尚未达到合金很难发生马氏体逆转变，因为马氏体加热尚未达到As点时，马氏体就发生了分解，析出碳化物，因此得不到马点时，马氏体就发生了分解，析出碳化物，因此得不到马氏体逆转变。氏体逆转变。最基本特点：共格切变，无扩散性最基本特点：共格切变，无扩散性第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.3 钢中马氏体的组织形态钢中马氏体的组织形态一、板条状马氏体：一、板条状马氏体：在一个原奥氏体晶粒内部有几个（在一个原奥氏体晶粒内部有几个（35个）马氏体板条束，板个）马氏体板条束，板条束间取向随意
16、；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，条束间取向随意；在一个板条束内有若干个相互平行的板条块，块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体块间是大角晶界；在一个板条块内是若干个相互平行的马氏体板条，板条间是小角晶界。马氏体板条内存在大量的位错，所板条，板条间是小角晶界。马氏体板条内存在大量的位错，所以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。以板条马氏体的亚结构是高密度的位错和位错缠结。板条状马氏体也称为位错型马氏体。板条状马氏体也称为位错型马氏体。板条马氏体是低、中碳钢中形成的板条马氏体是低、中碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下
17、：可描述如下：第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.3 钢中马氏体的组织形态钢中马氏体的组织形态二、片状马氏体：二、片状马氏体：在一个原奥氏体晶粒内部有许多相互有一定角度的马氏体片。马氏体片的在一个原奥氏体晶粒内部有许多相互有一定角度的马氏体片。马氏体片的空间形态为双凸透镜状，横截面为针状或竹叶状。在原奥氏体晶粒中首先空间形态为双凸透镜状，横截面为针状或竹叶状。在原奥氏体晶粒中首先形成的马氏体片贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，以后陆续形成的马氏形成的马氏体片贯穿整个晶粒，将奥氏体晶粒分割，以后陆续形成的马氏体片越来越小，所以马氏体片的尺寸取决于原始奥氏体晶粒的尺寸。体片越来越小，所以马氏体片的尺
18、寸取决于原始奥氏体晶粒的尺寸。片状马氏体是中、高碳钢中形成的一种典片状马氏体是中、高碳钢中形成的一种典型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：型马氏体组织，其形貌特征可描述如下：片状马氏体的形成温度较低，在马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。片状马氏体的形成温度较低，在马氏体片的周围往往存在着残余奥氏体。片状马氏体的内部亚结构主要是孪晶。当碳含量较高时，在马氏体片中片状马氏体的内部亚结构主要是孪晶。当碳含量较高时，在马氏体片中可以看到中脊，中脊面是密度很高的微孪晶区。可以看到中脊，中脊面是密度很高的微孪晶区。由于马氏体片形成时的相互撞击，马氏体片中存在大量的纤维裂纹。由于马氏体片形成时的相互撞击，
19、马氏体片中存在大量的纤维裂纹。第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.3 钢中马氏体的组织形态钢中马氏体的组织形态三、板条状马氏体和片状马氏体的比较：三、板条状马氏体和片状马氏体的比较：特征特征板条状马氏体板条状马氏体片状马氏体片状马氏体碳含量碳含量350Ms100200Ms100惯习面惯习面(111)(225)(259)位向关系位向关系K-S关系西山关系关系西山关系K-S关系关系西山关系西山关系亚结构亚结构位错位错孪晶孪晶其它马氏体形态：蝶状马氏体，薄片状马氏体，其它马氏体形态：蝶状马氏体，薄片状马氏体，马氏体马氏体第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.3 钢中马氏体的组织形态钢中马氏体的组织形态
20、四、影响马氏体形态的因素：四、影响马氏体形态的因素：马氏体点形态主要取决于马氏体的形成马氏体点形态主要取决于马氏体的形成温度，而马氏体的形成温度有主要取决温度，而马氏体的形成温度有主要取决于马氏体中碳和合金元素含量。于马氏体中碳和合金元素含量。随马氏体中碳含量的提高，马氏体形成随马氏体中碳含量的提高，马氏体形成温度降低，板条马氏体数量相对减少，温度降低，板条马氏体数量相对减少，片状马氏体数量相对增多。片状马氏体数量相对增多。除除Co和和Al外，合金元素都使马氏体形成外，合金元素都使马氏体形成温度降低，促进片状马氏体的形成。温度降低，促进片状马氏体的形成。当碳含量低于当碳含量低于0.2%时，奥氏体几乎全部形成板条马氏体；当碳含量高于时，奥氏体几乎全部形成板条马氏体；当碳含量高于1.0%时，奥氏体几乎全部形成片状马氏体；当碳含量在时，奥氏体几乎全部形成片状马氏体；当碳含量在0.2%和和1.0%之间之间时，奥氏体则形成板条马氏体和片状马氏体的混合组织。时，奥氏体则形成板条马氏体和片状马氏体的混合组织。碳含量对马氏体形态的影响碳含量对马氏体形态的影响第第4章章 马氏体转变马氏体转变4.4 马氏体转变的热力学条件马氏体转变的热力学条件一、相变驱动力：一、相变驱动力：
