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第五章 马氏体转变

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第五节马氏体转变

第五节马氏体转变

板条状M----低碳{111}、中碳{225} 片状M-------中高碳{225}、高碳{259}
惯习面与M形状的关系
4.转变的非恒温性和不完全性
Ms点以下形成M----在连续冷却条件下
未获100%M，有残余奥氏体存在—AR 冷处理—针对高碳钢、高碳合金钢和
某些中碳合金钢的Mf点低于室温，将 此类钢继续深冷至零下温度的操作。
重点： 1.马氏体转变的主要特点； 2.马氏体的组织形态； 3.马氏体的热力学分析； 4.马氏体的力学性能 难点： 1.马氏体转变的特点； 2.影响马氏体转变的因素。
§5-1马氏体相变的主要特征
一、马氏体的晶体结构
AM 无扩散型相变 只有点阵重构而无成分变化
C在-Fe中的过饱和固溶体
M或´
1.晶体结构----体心正方点阵
2.奥氏体的层错能
层错能低—利滑移—产生位错—板条M
层错能高—不利滑移—产生孪晶—片M
证明：①18-8型钢不锈钢，其A层错能较低，在液氮中淬火—板条M
②Fe-33Ni合金，层错能高，淬火后其孪晶区扩大
3.A和M的强度
Ms点处 s206MPa 低—{111} 板条M s206MPa {259} 片M
2.马氏体的反常正方度----M正方度与碳含量的关系不符合上式
1）无序分布，c/a
反常低正方度 碳原子在M中有序化转变
2）c原子几乎都处于同一组空隙位置（完全有序化）：
T回升至室温无序转变c/a
二、马氏体转变的特点 1.切变共格和表面浮凸现象
①与M相交的表面，一边凹陷，一边突起，牵动相邻A也呈倾突现象； ②刻划一条直线，马氏体形成后变成一条折线 说明： ①马氏体转变以切变的方式实现； ②M和A的界面为共格界面

第五章 马氏体转变

第五章 马氏体转变

第五章马氏体转变马氏体转变——当采用很快的冷却速度时（如水冷），奥氏体迅速过冷至不能进行扩散分解的低温M S点以下，此时得到的组织称为马氏体。

在转变过程中，铁原子和碳原子均不能扩散，因此其是一种非扩散型相变。

§5.1 马氏体转变的主要特征§5.2 钢中马氏体转变的晶体学§5.3 马氏体的组织形态及影响因素 §5.4 马氏体转变的热力学§5.5 马氏体转变动力学§5.6 马氏体的力学性能§5.1 马氏体转变的主要特征一、马氏体转变的非恒温性二、马氏体转变的共格性和表面浮凸现象三、马氏体转变的无扩散性四、具有特定的位向关系和惯习面五、马氏体转变的可逆性六、马氏体的亚结构一、马氏体转变的非恒温性马氏体转变开始点（M s）——必须将母相奥氏体以大于临界冷却速度的冷速过冷至某一温度以下才能发生马氏体转变，该转变温度即为M s。

马氏体转变终了点（M f）——当冷却至M s以下某一温度时，马氏体转变便不再继续进行，这个温度即为M f。

奥氏体被过冷至Ms点以下任一温度时，不需经过孕育，转变立即开始，且以极大速度进行，但转变很快停住，不能进行到终了。

为使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是在不断降温的马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关。

图5-2 马氏体转变量与温度的关系马氏体转变的非恒氏体二、马氏体转变的共格性和表面浮凸现象图5-3 钢因马氏体转变而产生的表面浮凸。

图5-4 马氏体浮凸示意图图5-5 马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图马氏体与奥氏体之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体，是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界面称之为“切变共格”界面。

三、马氏体转变的无扩散性马氏体转变的无扩散性：马氏体转变时只有点阵的改组而无成分的改变。

马氏体的成分与原奥氏体的成分完全一致，且碳原子在马氏体与奥氏体中相对于铁原子保持不变的间隙位置。

金属材料及热处理原理：第五节 马氏体转变

金属材料及热处理原理：第五节 马氏体转变

马氏体具有高强度和高硬度的原因如下：
(1) 固溶强化：过饱和碳原子间心的应力场，这种应力场与位错交互作用使马 氏体显著强化。
(2) 亚结构强化：板条状马氏体内的高密度 位错，片状马氏体内的精细孪晶，产生亚结构强 化。
(3) 时效强化：马氏体形成过程中发生自回 火，使碳原子沿晶格缺陷偏聚或碳化物弥散析出， 从而产生时效强化。
板条马氏体
2. 片状马氏体
片状马氏体是中、高碳钢，高镍的铁镍 合金等铁系合金中出现的另一种典型马氏体 组织。
对于碳钢，片状马氏体只在>1.0%C时才 单独存在，<1.0%C时与板条状马氏体共存。
片状马氏体与母相奥氏体的晶体学位向 关系是K-S关系或西山关系，惯习面为(225)γ 或(259)γ。
在发展强韧化热处理方面
低碳钢或低碳合金钢采用强烈淬火（在5— 10%的NaCl水溶液中冷却）可以获得几乎全部 是板条状马氏体。它们具有较高的强度和塑（韧 ）性的配合、较低的缺口敏感性和过载敏感性。
这种工艺在汽车、机车车辆、起重机、矿山以及 石油等行业得到了广泛的应用。
马氏体晶体结构为含过饱和碳的体心正方，这 个正方度与含碳量有关。
图4-1 碳原子在马氏体点阵中 的可能位置示意图
可能位置是：由铁原子组成的扁八面体空隙之中。
图4-2 碳原子在马氏体点阵中的可能位置构成的亚点阵
马氏体点阵为：体心正方；c/a称为马氏体的正方度。
马氏体的点阵常数和碳含量的关系
含碳量对马氏体点阵常数的影响
马氏体产生的条件
将钢加热到奥 温 氏体化（第一 度
步）；
以大于临界淬 火速度Vc（上 临界冷却速度 ）的冷却速度 快冷 ；
CC’ ’
C
M

金属材料及热处理原理：第五节 马氏体转变

金属材料及热处理原理：第五节 马氏体转变

二、马氏体转变的主要特点 1. 切变共格和表面浮凸现象
钢因马氏体转变而产生的表面浮凸
马氏体形成时引起的表面倾动
马氏体是以切变方式形成的，马氏体与奥氏体 之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体， 是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界 面称之为“切变共格”界面。
马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图
第五节 马氏体转变
概念：将钢加热奥氏体化，以大于vk的冷却速度快 冷至Ms点以下，将产生马氏体转变，习惯上将通 过切变进行点阵重构，而无成分变化的非扩散性 相变，称为马氏体转变。 从广义上说将材料从高温结构状态快速冷却，在 较低温度下发生的无扩散型相变。
相变温度范围：Ms-Mf 之间 相变特点：切变、无扩散、非恒温转变
板条马氏体
2. 片状马氏体
片状马氏体是中、高碳钢，高镍的铁镍 合金等铁系合金中出现的另一种典型马氏体 组织。
对于碳钢，片状马氏体只在>1.0%C时才 单独存在，<1.0%C时与板条状马氏体共存。
片状马氏体与母相奥氏体的晶体学位向 关系是K-S关系或西山关系，惯习面为(225)γ 或(259)γ。
(1) 位向关系
① K-S关系
{011}α′∥{111}γ； <111>α′∥<101>γ 按照这样的位向关系，
马氏体在母相中可以 有24个不同的取向。
K-S位向 关系示意图
② 西山关系
(111)γ∥(110)α′；
[11-2]γ∥[-110]α′
按照西山关系，在 每个{111}γ面上，马 氏体只可能有三种 不同的取向，所以 总 共 只 有 12 种 可 能 的马氏体取向。
马氏体晶体结构为含过饱和碳的体心正方，这 个正方度与含碳量有关。

第五章 马氏体转变

第五章 马氏体转变

线送上太空，送上月球呢?
用Ni-Ti合金丝在马氏体相变温度
以上，先做成月面天线，然后在低
于Mf的温度把月面天线压成小团
装入运载火箭，当发射至月球表面
后，通过太阳能加热而恢复原形，
在月球上展开成为正常工作的月面
天线
医学应用—心脏修补元件
热弹性马氏体的应用
本章小结
M的结构类型随C含量的不同而变化。
转变迟滞的现象称为
✓奥氏体的机械稳定化
机械强化作用使奥氏体稳定化的现象称为
奥氏体的稳定化
热稳定化机制
C、N原子在等温停留过程中进入位错形成
Cottrell气团，阻碍M转变进行，引起A热稳定化。
--柯俊提出的观点
机械稳定化原因
可能是塑性变形引入A晶体的各种缺陷，它会破坏
新相和母相之间的共格关系，阻碍M核长大，这就
C含量低时为板条M，位错亚结构；
C含量高时为针片状M，孪晶亚结构。板条M有较高的强韧
性，针片状M硬而脆。
M转变是按切变方式进行，K－S，G－T模型不同程度说
明了切变过程
由于M是以切变方式进行，所以M转变有一系列由切变造
成的特点（表面浮凸，非恒温，非扩散，惯习面和位向关系，
可逆性）
奥氏体热稳定化及机械稳定化的基本概念
Ms点有显著影响。细化晶粒使Ms点降低，最终趋于恒定
形变诱发马氏体是指由于奥氏体受到塑性变形的影响而形成
的马氏体。
形变能为相变提供一定的能量，如果该
能量与化学驱动力相互作用，能够达到
相变所需的最小驱动力，则相变就可以
提前发生。形变所提供的能量，称为机
械驱动力。
形状记忆效应
形状记忆效应：将某些材料进行变形后加热至某一特定温度

第五章马氏体转变

第五章马氏体转变

②刻划一条直线，马氏体形成后变成一条折线
说明： ①马氏体转变以切变的方式实现； ②M和A的界面为共格界面
切变共格
M形成伴随弹性应变产生、蓄积弹性应变能（共格弹性能）M尺寸
当M长大到一定尺寸，使界面上A中弹性应力超过其弹性极限两相间的共格
关系遭破坏M停止生长
第五章马氏体转变
2.无扩散性 实验依据：①马氏体转变前后，碳浓度无变化； ②Fe-Ni合金在极低温度（-190℃）下，M长大速度仍可达到105㎝/s。 在低碳钢中存在C的扩散现象 3.具有特定的位向关系和惯习面 1）取向关系 ①K-S关系：{011}’//{111}；<111>’// <011> 24种取向 ②西山关系：{011}’//{111}；<011>’// <211> 差516’ 12种取向 ③G-T关系： {011}’//{111}差1；<111>’// <011> 差2 对K-S关系的修正 仅适合{259}马氏体，有局限性
T t 利于C及合金元素溶入A，成分均匀---- Ms
A晶粒长大，C原子活动能力在A中位错线上偏聚 ---- Ms
A晶粒的大小不是影响Ms点的主要因素
4.存在先马氏体的组织转变
应用：高速钢的等温淬火工艺
1）部分转变为P剩余A为贫碳区（相对）----Ms
2）部分转变为B剩余A为富碳区（相对）----Ms
第五章马氏体转变
2）惯习面
位错密度较大，畸变能高，而所需形核功小，易于形核。
特征：不应变、不转动的平面
c＜0.6%-----惯习面为{111} 0.6%＜ c＜1.4%-----{225} c＞1.4%-----惯习面为{259} T ＞0 ℃-----{111}或{225} T ＜0 ℃-----{259}

第五章 马氏体转变PPT课件

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编辑版pppt
23
西山关系与K-S关系相比，晶面关系相同，晶向
关系相差5°16’
编辑版pppt
24
（3）G—T关系
1994年，Grenigen与Troiano 在Fe-NiC合金中发现，马氏体与奥氏体的位向接 近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差1 度，晶向差2度，称为G-T关系。
{110} αˊ∥{111}γ 差 1° <111> αˊ∥<110>γ 差 2°
2、惯习面
惯习面即马氏体转变的不变平面，总是平行或接近奥氏体的某一晶 面，并随奥氏体中含碳量及马氏体形成温度而变化。马氏体即在此平 面上形成中脊面。
编辑版pppt
13
五、马氏体转变的可逆性：
在某些合金中A冷却时A→M，而重新加热时马氏 体又能M→A，这种特点称为马氏体转变的可逆性。
逆转变开始的温度称为As，结束的温度称为Af 。
编辑版pppt
34
2、片状马氏体
形成片状马氏体的钢和合金：出现于中、高碳 钢中、高Ni的Fe-Ni合金中，WC>1.0% 片状马氏体的形成温度：
MS≈200～100℃（WC≈1.0～1.4%） MS<100℃（WC≈1.4～2.0%）
编辑版pppt
35
（1）显微组织
典型的马氏体组织形态见下图所示：
[110] γ ∥ [ 111] α
[211] γ ∥ [ 110] α
形成温度
M s>350℃
Ms≈ 200～ 100℃
Ms<100℃
合 金 成份 %C
<0.3
1～ 4
0.3～ １ 时 为 混 合 型
1.4～ 2
板 条 体 常 自 奥 氏 体 晶 界 向 晶 内 凸 透 镜 片 状 （ 或 针 状 、 竹 同 左 ，片 的 中 央 有 中 脊 。在 两

金属材料热处理原理 第五章 马氏体转变

金属材料热处理原理 第五章 马氏体转变

二、马氏体转变的主要特点 1. 切变共格和表面浮凸现象
钢因马氏体转变而产生的表面浮凸
马氏体形成时引起的表面倾动
马氏体是以切变方式形成的，马氏体与奥氏体 之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体， 是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界 面称之为“切变共格”界面。
马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图
4. 马氏体转变是在一个温度范围内完成的
马氏体转变量与温度的关系
Ms—马氏体转变开始温度；Mf—马氏体转变终了点； A、B—残留奥氏体。
5. 马氏体转变的可逆性
在某些铁合金中，奥氏体冷却转 变为马氏体，重新加热时，已形成的 马氏体又可以逆马氏体转变为奥氏体， 这就是马氏体转变的可逆性。一般将 马氏体直接向奥氏体转变称为逆转变。 逆转变开始点用As表示，逆转变终了 点用Af表示。通常As温度比Ms温度高。
2. 马氏体转变的无扩散性
马氏体转变的无扩散性有以下实验证据：
(1) 碳钢中马氏体转变前后碳的浓度没有 变化，奥氏体和马氏体的成分一致，仅发生晶 格改组：
γ-Fe(C) → α-Fe(C)
面心立方 体心正方
(2) 马氏体转变可以在相当低的温度范围 内进行，并且转变速度极快。
3. 具有一定的位向关系和惯习面
西山关系示意图
③ G-T关系
{111}γ∥{110}α′ 差1°；<110>γ∥<111>α′ 差2°。
(2) 惯习面
马氏体转变时，新相总是在母相的某个晶面族上 形成，这种晶面称为惯习面。在相变过程中从宏观上 看，惯习面是不发生转动和不畸变的平面，用它在母 相中的晶面指数来表示。
钢中马氏体的惯习面随碳含量及形成温度不同而 异，常见的有三种：(1) 含碳量小于0.6%时，为{111}γ； (2) 含碳量在0.6%~1.4%之间时，为{225}γ；(3) 含碳 量高于1.4%时，为{259}γ。随马氏体形成温度下降， 惯习面有向高指数变化的趋势。

第5章-马氏体相变

第5章-马氏体相变
的晶体学位相关系。
马氏体相变无扩散的原因：
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~-195ºC之间，每片M的形成 时间约为：0.5~510-7s。
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
逆相变：加热时马 氏体向奥氏体的相 变。 As：马氏体逆转变 开始点，马氏体和 奥氏体两相自由能 差达到相变所需最 小驱动力值时的温 度。
六、亚结构
相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶（高碳 M ）、位错（低碳M ）、层错。
马氏体相变的判据：
1、相变以切变共格方式进行 2、相变的无扩散性 3、相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶、位错、
➢钢中常见的合金元素只 有Al、Co使Ms点升高， 其余均使Ms点降低。 ➢合金元素对Ms点的影 响主要取决于它们对平
衡温度的影响以及对奥
氏体的强化作用。
➢凡是剧烈降低To温度及 强化奥氏体的元素均剧
烈地降低Ms点。
2、形变与应力的影响
在Md~Ms之间进行塑性变
形时会诱发马氏体相变，在
Ms ~ Mf之间进行塑性变形
Ms点：奥氏体和马氏体两 相自由能差达到相变所需 最小驱动力值时的温度。
To一定时， Ms点越低， 相变所需的驱动力越大。
G= S(T0-MS) As点：马氏体和奥氏体两相
自由能差达到逆相变所需 最小驱动力值时的温度。
G = S(AS-T0)
To、 Ms、 As与合金成分的
关系如图。 Ad
马氏体晶粒长大到一定尺寸就不再长大，随温度降 低，马氏体继续形核、长大。

第五章马氏体转变

第五章马氏体转变

方晶格。

致使马氏体具有体心正方晶格（
Flash Player Movie
单晶体孪'
马氏体转变切
变示意图
马氏体转变产生的表面浮凸
马氏体形成时引起的表面倾动
原子切变变化位置
M
共格切变A
母相点阵上原子从一种排列转变到另一种排列，原来相邻两个原子在相变后仍然相邻，它们之间相对位置不超过一个原子间距。

即碳原子没有经过扩散就可进行马氏体转变。

转变时马氏体与奥氏体存在位向关系和惯习面
f.c.c b.c.c
{011}M
{111}A
{111}A
12种
取向
{011}M
{111}A b.c.c M
{111}A
Flash Player Movie M f
Ms M(50%)M(90%)
Y
但此模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。

<112>
将三层相邻（０１１）面对某一层作垂直投影°28
<110>
第三层
120°
°28
<112>
<110>
70°32′
°28
120°
109°28′
<110>。

第5章-马氏体相变

第5章-马氏体相变

二、影响钢中Ms点的主要因素
1、化学成分的影响
Ms点主要取决于钢 的化学成分。
碳含量的影响最显 著，随钢中碳含量 的增加，Ms点和Mf点 的变化并不完全一 致。
N和C一样在钢中形 成间隙固溶体，对 相均有固溶强化作 用，所以使马氏体 相变阻力增大，且C、 N还是稳定相的元 素，所以强烈地降 低Ms点。
第5章 马氏体相变
主要内容：马氏体相变的主要特征； 马氏体的组织结构及其力学性能； 马氏体相变的热力学、动力学；
重点内容：影响Ms点的因素、马氏体相变动力学、 马氏体的组织结构、力学性能
前言
马氏体（M, Martensite）相变特点： 相变过程中，晶体点阵的重组是通过基体原子的集 体有规律近程迁移——切变，由一种晶体结构转 变为另一种晶体结构，而没有原子长距离的迁移， 且新相与母相保持共格关系。
钢中M相变：钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩 散型分解，在较低温度下发生的无扩散型相变。
在纯金属（Zr,Li,Co），合金（Fe-Ni,Ni-Ti,Cu-Zn）,陶瓷 （ZrO2）中也有M转变。
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。
的原子是共有的，整个界面是互相牵制的，且是以母相切变来 维持共格的。
表面浮凸：由相变过程中均匀应变而导致的形状改变，是切变 位移的特征。
相界面：在相变中未发生转动，将此不应变平面称之为M相变 的惯习面(habit plan)，说明M相的产生是通过母相的切变而获 得的。
亚结构：位错、孪晶、层错等，是M相变时局部切变的产物。
一个板条群可分成几个呈 大角晶界的平行的区域— 同位向束(B)
一个板条群也可只由一种 同位向束组成(C)

第五章 马氏体转变(14-1)

第五章 马氏体转变(14-1)

（一）、化学成分
1、碳含量： C％↑，Ms↓，且扩大M形成 温度范围。 原因： ①C对A和M均有固溶强化作用，增大 了A→M转变时的切变阻力，需要更大的过冷度以 获得更大的相变驱动力，使Ms↓； ②C是稳定A的元素，使A3点↓，故使Ms↓。
碳含量对钢中Ms点的影响
20℃
——每增加1％C，使Ms点 -300℃。
( 4 3) ( 4 3)
f 转变为马氏体的体积分 数 f 转变为马氏体的体积分 数
常数 常数
Tq 淬火冷却温度 Tq 淬火冷却温度
冷至375℃-1%M
冷至345℃-30%M
注意与变温M、奥氏体形成动力学曲线的同与不同： 等温——有孕育期但很短，且瞬时长大； 变温——无孕育期，瞬时长大； A ——孕育期相对长，约50%处转变快
c b
a
——扁八面体 间隙位置
(1) α马氏体
体心立方(b.c.c), C%<0.1%， c/a=1 体心正方(b.c.t), C%： 0.1%~1.4%, c/a>1； b＝a 体心斜方(b.c.p), C%>1.4%, c/a>1, b/a>1
其它类型马氏体
(2) ε马氏体：密排六方(h.c.p)，淬火中常见中间相 (3)ε′马氏体：密排菱面体, γ→ε的中间相，缺陷多时易 出现； (4)κ′马氏体： bcc、 bcp, 与α马氏体相似但晶格常数不 同(c/a 小得多，又称反常轴比马氏体)，只存在于 低温条件(<0℃)下，温度升至室温κ′→α (5)φ相马氏体：单斜晶系，极不稳定，易转化成κ′
M板条 M板条束
立体外形为V形柱状，横截面为蝶状
高碳Fe-C合金特 殊淬火处理后： 从粗片针状M晶 粒边沿或周围奥 氏体中长出

第五章马氏体转变ppt课件

第五章马氏体转变ppt课件

采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
5.1.2
马氏体的晶体结构
1 钢中马氏体晶体结构特点 C 在α-Fe 中的过饱和固溶体。 ——亚稳；单相 C 位置：扁八面体间隙， R间隙0.19Å，RC 0.77 Å ——晶格畸变较严重
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
（2）反常轴比现象：
实际中马氏体 的晶体结构除与 C 含量有关 外，还与 C 原子位置的变化有关，在某些条件 下可能出现反常轴比现象：
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
共析碳钢 CCT曲线A1
Ms
Mf Vc
奥氏体化的钢，以>Vc的速度冷却时， 过冷奥氏体冷却到Ms温度以下，转变为马 氏体，这种操作叫淬火。马氏体是强化钢材 的重要组织。
与K-S关系
比较 差1 ° 差2 °
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物
（
011
）
＇
(111 )
10 1 , 11 1 ＇
（
011
）
＇
(111 )
10 1 , 11 1 ＇
采用PP管及配件：根据给水设计图配 置好PP管及配 件，用 管件在 管材垂 直角切 断管材 ，边剪 边旋转 ，以保 证切口 面的圆 度，保 持熔接 部位干 净无污 物

第五章马氏体转变

第五章马氏体转变
[10-1] //[11-20] //[1-11]‘
第五章马氏体转变
§5-4 马氏体的组织形态
一、马氏体的形态 1.板条状马氏体：低中碳钢、M时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金 1）光镜分析：群集状M、位错M 束、块、板条---板条M的组织单元 束：指惯习面晶面指数相同而在形态上 呈现平行排列的板条集团。大角度晶界 块：指惯习面晶面指数相同与母相取向 相同的板条集团。大角度晶界 60
第五章马氏体转变
相变热力学表达式： G=－ G’+ GS+GE+ GP Gs—① GE-- ②（弹性应变能消耗） GP-- ③ ④ ⑤（塑性应变能消耗） M形成条件： G0 则 G’ GS+GE+ GP
M转变的驱动力主要是为了克服相变时的切变和形变（塑性+弹性）的阻力 母相中缺陷的作用（两个相反效果）：①形成一定的组态而提高母相的强 度，使相变阻力增大；②为相变提供能量，使相变驱动力增大。 二、Ms点的物理意义
核胚尺寸?该温度下临界晶核尺寸则成为晶核并长大当大于临界尺寸的核胚消耗光时转变停止进一步降低t才能使更小的核胚成为晶核解释了变温瞬时形核等温过程中小于临界尺寸的核胚有可能通过热激活而使尺寸长大到临界晶核尺寸等温形核的解释4
第五章 马氏体转变
第五章马氏体转变
研究目的：淬火 高的强韧性、硬脆不是M的唯一特性----低碳马氏体 高强度、高硬度，较低的塑韧性----------中碳马氏体 很高的强度、高脆性、低塑韧性----------高碳马氏体 研究内容： 1.组织形态与性能关系； 2.影响组织形态的因素及控制形态的方法； 3.影响残余A量的因素及控制方法
第五章马氏体转变
应变诱发M与形变度的关系：在Ms~Md温度范围内塑性形变度越大，则形变

第5章-马氏体相变

第5章-马氏体相变
金属及合金的高温相均可发生M相变。
三、有一定的位向关系和惯习面
• 马氏体相变时，新相和母相界面始终保持着切变 共格，相变后两相之间的位向关系仍然保持；
➢ K—S关系：1.4%C钢中马氏体和奥氏体之间的 位向关系，{111}//{110}’， 〈110〉//〈111〉’
• 可见：M在A中可能有24种不同的取向。 ➢ 西山关系：
二、马氏体相变的无扩散性
在较低温度下，碳原子和合金元素的原子扩散已很困难， 马氏体相变是在原子基本不发生扩散的情况下发生的，原 子之间的相对位移不超过一个原子间距。无扩散型相变
所有参与转变的原子的运动是协调一致的，原有原子的邻 居关系不被破坏。
结构：晶体点阵发生改组。 条件：低温下，原子已不能扩散。 特点：新相和母相的化学成分相同；新相和母相间有一定
第5章 马氏体相变
主要内容：马氏体相变的主要特征； 马氏体的组织结构及其力学性能； 马氏体相变的热力学、动力学；
重点内容：影响Ms点的因素、马氏体相变动力学、 马氏体的组织结构、力学性能
前言
马氏体（M, Martensite）相变特点： 相变过程中，晶体点阵的重组是通过基体原子的集 体有规律近程迁移——切变，由一种晶体结构转 变为另一种晶体结构，而没有原子长距离的迁移， 且新相与母相保持共格关系。
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、高强度。
•C<0.3%时为板条状马氏体； •C在0.3%~1.0%时为板条状马氏体和片状马氏体的 混合组织。
小结
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形状记忆效应
形状记忆效应：将某些材料进行变形后加热至某一特定温度 以上时，能自动回复原来形状的效应。 形状记忆效应是由马氏体转变的热弹性行为及伪弹性引起的 分单程和双程记忆效应 热弹性M：M片随温度降 低而增大，随温度升高 而减小。
热弹性马氏体
一般M转变形核以后，M片迅速长大到一极限尺寸即停止， 若要使转变继续进行，必须持续降温，产生新核，随后长 大到极限尺寸，这一过程不可逆。这是因为马氏体长大到
板条马氏体金相组织照片
马氏体板条组织结构示意图
马氏体组织形态
片状马氏体 当 wc >1.0% 时，奥氏体几乎只形 成片状马氏体（针状马氏体） 空间形态为双透镜状 光镜下为竹叶状或针状
片状马氏体
马氏体组织形态
片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶(孪晶马氏体） 含碳量很高的片状马氏体可看到中脊面，中脊面是高密度的孪晶
奥氏体的热稳定化
奥氏体冷却过程中，某一温度停留引起奥氏体稳定性提高，使马氏体 转变迟滞的现象称为
奥氏体的机械稳定化
机械强化作用使奥氏体稳定化的现象称为
奥氏体的稳定化
热稳定化机制
C、N原子在等温停留过程中进入位错形成 Cottrell气团，阻碍M转变进行，引起A热稳定化。 --柯俊提出的观点
机械稳定化原因
一定程度时，边界共格关系得到了破坏。
热弹性马氏体－在一些合金中的马氏体形成时，其产生的 形状变化始终依靠相邻母相的弹性变形来协调，保持着界
面的共格性。这样，马氏体片可随温度降低而长大，随温
度升高而缩小，亦即温度的升降可引起马氏体片的消长。 具有这种特性的马氏体称为热弹性马氏体。
伪弹性
������ 温度升降可以引起热弹性马氏体的消长，外加应力的 应力增加，马氏体片长大
c/a＝1
5.4 马氏体转变的机理
马氏体区别与其他相变的最基本的特点是：
1、相变以共格切变的方式进行 2、相变的无扩散性 这一特点决定了马氏体的转变机制具有特殊性
5.4 马氏体转变的机理
转变热力学
M转变是热学性的，驱动力是ΔGγ→α’
马氏体与奥氏体自由焓随温度的变化曲线
影响Ms点的因素
（1） A化学成分（最主要影响因素）
惯习面 {111}γ [225]γ
[259]γ
马氏体形成温度降低
5.2 马氏体转变的主要特征
（5） 马氏体转变的可逆性 马氏体加热时，进行无扩散的逆转变
马氏体的逆转变
（6） 转变不完全
有残余（留）奥氏体
动力学特点
奥氏体的稳定化（p142） 在奥氏体冷却转变为马氏体的过程中，种种原因引起奥氏体 的结构、状态、化学成分发生变化使奥氏体的稳定性增加
表面浮凸
表面浮凸
5.2 马氏体转变的主要特征
（3）无扩散性
晶体学特点
马氏体形成极快，远超过原子扩散速度，故为无扩散型切变。
马氏体与奥氏体成分相同 （4） 共格关系和惯习现象 共格关系 新相和母相之间保持切变共格性 惯习现象 K-S关系 {110)}M// {111}γ 西山关系(N关系) {110)}M// {111}γ G-T关系 [111]M //[110]γ [111]M //[211]γ 晶体学特点 γ M
影响马氏体形态的因素
马氏体 形态
形成 温度 >200℃
奥氏体的 化学成分 板条马氏体 片状马氏体
含碳量和 合金元素
<200℃
马氏体的性能
马氏体的硬度和强度
马氏体的硬度主要取决于马 氏体的含碳量，通常情况是 随含碳量的增加而升高。
1－完全淬火后深冷得到完全马氏体 2－Ac1～Accm之间淬火（不完全淬火） 未溶的碳化物能提高耐磨性 3－高于Ac3及Acm淬火（完全淬火） 尽管马氏体硬度增加，但随碳质量分数增加，残余奥氏体量增 加，降低了淬火钢硬度
马氏体的性能
马氏体的物理性能
钢的各种组织中，马氏体比容最大，奥氏体最小
这是淬火时产生淬火应力，导致变形应力的主要原因

马氏体转变超塑性
相变塑性：低于母相屈服强度下发生塑性变形
在Ｍ开始转变点Ｍs以上加应力，随应力增加，塑性增大

高碳马氏体显微裂纹
马氏体高速形成时撞击而成
高碳钢易开裂的原因
5.2 马氏体转变的主要特征
C：是显著的影响因素 随C%↑，Ms，Mf↓，且Mf比Ms下降得快，所以能扩大M 的转变温度范围 N：强烈降低Ms点； Al，Co：提高Ms点， 其余Me：使Ms降低
（2） 奥氏体化条件
提高A区内加热温度或延长加热时间 可降低Ms，有利于奥氏体的合金化
可提高Ms点，原因可能与A晶粒长大，或与A内缺陷减少有关
第五章
马氏体转变
本章主要内容
������
M转变的晶体学
������
������ ������ ������ ������
M的组织形态*
M转变的特点* M转变热力学、动力学* M转变机制 M的性能与影响因素*
马氏体概述
马氏体的形成温度较低，使得碳原子难以扩散，它是 由过冷奥氏体按无扩散型转变机制的转变产物，马氏体的 含碳量与过冷奥氏体含碳量相等，晶格同于铁素体的体心 立方类似。体心立方晶格的铁素体在室温含约0.008%C， 对共析钢马氏体的晶格内含约0.77%C，为此导致体心立 方晶格发生畸变，因此马氏体是α-Fe的过饱和固溶体，用 符号“M”表示。
马氏体概述
M转变是钢件热处理强化的主要手段，是通过
淬火实现 ������ 化学成分不同，性能有极大差异 低碳钢：M有较高强度和韧性 高碳钢：硬度很高，塑性韧性极低
������
性能与组织形态有密切关系
5.1 马氏体的组织与性能
当奥氏体获得极大过冷度冷至Ms以下(对于共析钢为230℃以下) 时，将转变成马氏体类型组织。马氏体转变属于低温转变，这个转
变持续至马氏体形成终了温度Mf，Mf以下时过冷奥氏体停止转变。
马氏体组织形态
钢中马氏体根据成分（含碳量）和冷却条件呈现不同的形态
钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体和片状马氏体
板条马氏体 wc在0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（低碳马氏体）
板条马氏体
马氏体组织形态
空间形态为扁条状，每个板条为一个单晶，板条间有薄层残余奥氏体 相互平行的板条构成板条束，一个奥氏体晶粒有几个（3～5个）板 条束 板条马氏体内有高密度的位错缠结的亚结构，又称为位错马氏体
线送上太空，送上月球呢?
用Ni-Ti合金丝在马氏体相变温度 以上，先做成月面天线，然后在低
于Mf的温度把月面天线压成小团装
入运载火箭，当发射至月球表面后， 通过太阳能加热而恢复原形，在月 球上展开成为正常工作的月面天线
医学应用—心脏修补元件
热弹性马氏体的应用
本章小结
M的结构类型随C含量的不同而变化。 C含量低时为板条M，位错亚结构； C含量高时为针片状M，孪晶亚结构。板条M有较高的强韧 性，针片状M硬而脆。 ������ M转变是按切变方式进行，K－S，G－T模型不同程度说 明了切变过程 ������ 由于M是以切变方式进行，所以M转变有一系列由切变造 成的特点（表面浮凸，非恒温，非扩散，惯习面和位向关 系，可逆性） 奥氏体热稳定化及机械稳定化的基本概念 形状记忆效应的概念及应用
思考题
������
什么是钢中的马氏体、珠光体和奥氏体？
M转变与P转变相比有什么特点？ 为什么M转变是非扩散转变？ M有几种主要类型，具有什么样的特
各自具有什么样的晶体结构？ ������ ������ ������ 点?
影响Ms点的因素
（3）冷却速度的影响
一般工业生产用淬火介质 所能达到的冷却速度对Ms 一般没有影响 C%越低，Ms出现跳跃式 变化趋势越明显。
（4）弹性应力的影响
单向拉应力、压应力能促进M的形成，使Ms点升高，所 得M称为应力促发M。 三向压缩则使Ms点下降。
影响Ms点的因素
（5）塑性变形的影响
马氏体的塑性和韧性主要取决于碳质量分数和它的亚结构
������ ������ C%＜0.4 韧性较高 C%＞0.4，硬而脆
马氏体的韧性主要决定于它的亚结构 位错型（板条）M具有相当高的强度、硬度和良好的塑性
韧性；孪晶型（片状）M强度硬度高，塑性、韧性很低
可以利用低碳合金钢淬火后得到较多的残余奥氏体来提 高材料的塑韧性。
片马氏体中的孪晶
片马氏体中的中脊
马氏体组织形态
混合状的马氏体
wc在0.25%～1.0%之间的奥 氏体则形成上述两种马氏体的 混合组织 含碳量越高，条状马氏体 量越少而片状马氏体量越多 wc >1.0%
0.25%～1.0% wc<0.25% 片状马氏体 混合状的马氏体 板条马氏体
45钢混合状马氏体
在奥氏体状态下的塑性变形方式和变形量对马氏体相变Ms 点有显著影响。细化晶粒使Ms点降低，最终趋于恒定
形变诱发马氏体是指由于奥氏体受到塑性变形的影响而形成 的马氏体。
形变能为相变提供一定的能量，如果该
能量与化学驱动力相互作用，能够达到
相变所需的最小驱动力，则相变就可以 提前发生。形变所提供的能量，称为机 械驱动力。
测验
（1）影响钢的Ms点的最主要因素是＿＿＿， Ms随升高 而＿＿＿。 （2）M转变的切变模型有＿＿＿，＿＿＿ ，＿＿＿ 。 （3）马氏体转变时K-S关系是指＿＿＿ (晶面关系)，＿＿ ＿ (晶向关系)。 （4）通常亚共析钢的淬火加热温度是在＿＿＿，过共析钢 为了减少变形开裂，其淬火加热温度通常是在＿＿＿。 （5）在Ms点以上由变形产生的马氏体为＿＿＿。 (a)应力促发马氏体(b)形变诱发马氏体 (c)淬火马氏体(d)热弹性马氏体
可能是塑性变形引入A晶体的各种缺陷，它会破坏新 相和母相之间的共格关系，阻碍M核长大，这就增加 了奥氏体的稳定化。后来由实验结果得到了验证。