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1、,马氏体及其转变,倪俊杰聊城大学 材料科学与工程学院,Martensite and Its Transformation,6-1,主要内容,6.1、马氏体概况6.2、马氏体转变特征6.3、马氏体转变机制6.4、马氏体转变热/动力学6.5、热弹性马氏体与形状记忆效应6.6、小结,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,晶体结构,马氏体形态,力学/物理性能,6.1、马氏体概况,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-2,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产物转变开始线,A向产物转变终止线,A +转
2、变 区,产物区,A1550;高温转变区;扩散型转变; P 转变区。,550230;中温转变区; 半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50; 低温转变区; 非扩散型转变;马氏体 ( M ) 转变区。,-100,0,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-3,马氏体的结构？,晶体结构,马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。,A M （ ） fcc 体心正方,成分不变结构变化,由于碳的过饱和作用,使 Fe晶格由体心立方变成体心正方晶格。致使马氏体具有体心正方晶格(a = b c),Chapter 6 Martensit
3、e and Its Transformation,6-4,碳原子可能分布的位置：,6-5,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,碳择优分布在c轴方向上的八面体间隙位置。这使得c轴伸长，a轴缩短，晶体结构变为体心正方。,轴比c/a 马氏体的正方度。,6-6,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,C% 越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.20%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-7,碳含量对正方度
4、的影响,c = a0 + a = a0 c/a = 1+ a=b=c 立方结构 a=bc 正方结构a0Fe的晶格常数M的含碳量，常数,X射线结构分析测得含碳量与M点阵常数关系,6-8,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,P,S,T,A1,温度(),Ms,P,炉冷,S,空冷,油冷,MAR,水冷,Vk,P,S,T,Mf,板条状,蝶状,片状,薄片状,位错,孪晶,马氏体形态,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-9,板条马氏体,奥氏体晶粒内包含几个群，群内存在位向差时，会形成几个束.群和束都是由板
5、条组成。群、束之间均为大角度晶界，板条之间为小角度晶界。,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-10,Large- & low-angle boundaries,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-11,组织单元：群束板条取向关系：K-S,惯习面：111r,马氏体群：同惯习面，形态上呈平行排列的板条集团马氏体束：同惯习面，同取向（晶面平行关系）的板条集团马氏体板条：马氏体的最基本单元(单晶体)，窄而细长。多数板条宽度0.1-0.2微米，长度小于10微米，板条间往往存在薄膜状(200nm
6、)的残余奥氏体,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-12,板条马氏体的亚结构主要为高密度的位错，位错形成位错网络(缠结)，位错密度随含碳量增加而增大，常为(0.30.9)1012/cm3.故称位错马氏体。,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-13,蝶状马氏体,6-14,特征：断面上两翼结合部分很象片状马氏体中脊，由此向两侧张成取向不同的马氏体。立体形状“V”形柱状，断面呈蝴蝶状。亚结构：高密度位错。,Chapter 6 Martensite and Its Transformatio
7、n,片状马氏体,双凸透镜片状中脊第1片贯穿整个晶粒，互不平行，愈来愈小。,残余奥氏体分布在马氏体片间,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-15,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-16,高碳钢WC1.0%中出现亚结构孪晶,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-17,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-18,薄片状马氏体-马氏体,特征：立体形状为薄片状，其金相形态呈很细的带状、
8、并且相互交叉、分枝、曲折等形态。亚结构：孪晶，但无中脊(与片状马氏体区别),点阵结构：密排六方（其它马氏体均为体心立方或体心正方点阵结构）特征：薄片状亚结构：高密度层错原因：奥氏体的层错能较低形成,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-19,显微裂纹,高碳钢,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-20,混合马氏体,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-21,最主要的两个因素是：奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。,马氏体形态和亚结构的因素
9、,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-22,曲线3马氏体的硬度曲线2高于Ac1淬火后 钢的硬度曲线1高于Ac3或Accm 淬火后钢的硬度,马氏体强度和硬度,碳含量分数对马氏体和淬火钢硬度及残余奥氏体的影响,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-23,1,2,3,4,马氏体高硬高强的本质,固溶强化,相变强化,时效强化,细晶强化,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-24,过饱和碳原子溶入马氏体间隙引起强烈点阵畸变，形成以碳原子为中心应
10、力场，并与位错发生交互作用，使碳原子钉扎位。,固溶强化,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-25,相变强化：马氏体相变时，在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构(位错/孪晶)，这些缺陷阻碍位错的运动，使马氏体得到强化。,孪晶对M的强度硬度有附加贡献。,C%相同时，孪晶M硬度位错M,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-26,马氏体在淬火后室温停留期间、或在外力作用下，使碳原子通过扩散，发生碳原子偏聚和析出、甚至以碳化物弥散析出，使马氏体晶体内产生超显微不均匀，引起时效强化,Chapter
11、 6 Martensite and Its Transformation,6-27,时效强化,b,b,Dt,r,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-28,1)M形成能松弛塑变所造的局部应力集中，防止裂纹形成或裂纹扩展。2)发生塑性变形区，有形变诱发M产生，使已塑变区继续变形困难，抑制缩颈的形成。使塑性和韧性提高,在马氏体转变过程中塑性有所增加-相变诱发塑性。,马氏体相变塑性,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-29,Chapter 6 Martensite and Its Trans
12、formation,6-30,马氏体韧性,C%:0.4%，韧性低，硬而脆,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-31,0.2,0.2,马氏体韧性主要决定于亚结构,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-32,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-33,马氏体强度和硬度主要取决于其含C量。马氏体塑性和韧性主要取决于其亚结构。位错型马氏体具有较高强度，硬度和良好的塑韧性（强韧性）孪晶型马氏体强度，硬度很高，但塑韧性较低。故在保证足够强度，硬
13、度前提下，应尽量减少孪晶M的数量。,小 结,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-34,(1)比容马氏体比容比奥氏体大;(2)磁性铁磁性(可用磁性法测量马氏体转变量)、高矫顽力；(3)电阻电阻比珠光体大。,马氏体的物理性能,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-35,6.2、马氏体转变特征,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-36,(1) 马氏体转变的非恒温性,(2) 马氏体转变的无扩散性,(3) 马氏体转变的可逆性,(4) 马氏体
14、转变的位向关系和关系面,(5) 马氏体转变的表面浮凸效应和共格性,(1) 转变的非恒温性,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-37,马氏体的转变是在一个温度范围内进行的,马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示.只要温度达到Ms 以下即发生马氏体转变。在Ms 以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。,马氏体转变量是在MsMf温度范围内，通过不断降温来增加的， 即马氏体转变量是温度的函数，与等温时间无关。,Chapter 6 Martensite and Its Transfor
15、mation,6-37,原子切变变化位置,界面推移,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。,(2)转变的无扩散性,只有点阵改组，没有成分变化,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-39,马氏体无扩散性证据： a. 碳钢中马氏体转变前后碳浓度没有发生变化，仅发生晶格切变； b.马氏体转变可以在超低碳合金中发生，而且转变速度极快，说明无碳扩散参与。c.转变可在极低的温度进行（4K），此时相变已不可能以扩散方式进行,
16、Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-40,(3)转变的可逆性,马氏体加热变为奥氏体(一般碳钢不可以),As/Af(Fe-Ni:As比Ms高410;Au-Cd:As比Ms高16),热弹马氏体是创作形状记忆合金的基础,6-41,(4)位向关系及惯习面,马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系 位向关系和惯习面,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,马氏体是在母相的一定晶面上开始形成的，这个晶面就是惯习面。 111A、 225A、 259A。 通常：碳含量0.5%时，惯习面为111A ；
17、 碳含量0.51.4%，惯习面为225A ； 碳含量1.51.8%，惯习面为259A,6-42,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。 (1）KS关系 晶向： 111M011A （2）西山关系 晶向：110M112A （3）GT关系 晶向： 111M101A,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-43,(5)表面浮凸效应和共格性,马氏体转变产生的表面浮凸,Chapter 6 Martensite and Its Transformat
18、ion,6-44,马氏体转变时在预先磨光试样表面上形成有规则的表面浮凸(切变使马氏体表面出现一边凹陷、一边凸起，并带动附近奥氏体也发生弹性切变)。,说明马氏体形成与母相奥氏体宏观切变密切相关。,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-45,界面上原子为马氏体与奥氏体共有,马氏体切变方式,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-46,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-47,6.3、马氏体转变模型,(1) Bain 模型,(2) K-S切
19、变模型,(3) G-T模型,f.c.c可看作体心正方,其轴比c/a=1.414,A点阵只需适当变形，调整轴比，使之达到与含碳量对应的M正方度时，A即可转变成M。,(1)Bain模型,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-48,模型不能解释表面浮凸效应和惯习面。,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-49,(2)K-S模型,如何由fcc转变为bcc点阵？,先看奥氏体111面,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-50,将三层相邻(111
20、)A晶面对某一层作垂直投影,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-51,马氏体011面,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-52,将三层相邻（011）面对某一层作垂直投影,10928,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-53,第二层原子沿方向做第一次切变沿方向做第二次切变,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-54,Chapter 6 Martensite and Its Tr
21、ansformation,6-55,6-56,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,(3) G-T模型,相变经一次宏观均匀切变和一次宏观非均匀切变,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-57,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-58,6-59,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-60,6.4、马
22、氏体转热/动力学,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-61,马氏体转变热力学条件,为什么有热滞？,6-62,驱动力：,阻力：,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-63,M转变自由能变化,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-64,Ms点的因素,6-65,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,Ch
23、apter 6 Martensite and Its Transformation,6-66,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-67,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-68,应力： 在奥氏体状态下施加拉应力或单向压应力会促进马氏体形成，Ms升高。 在奥氏体状态下施加多向压应力会阻碍马氏体形成，Ms下降。 塑性变形： 1、若在Ms Md温度范围内经塑性变形会促进奥氏体在该温度下向马氏体转变，使Ms升高，产生应变诱发马氏体。 2、若在MsMf温度范围内的某一温度进行塑性变形也会促进奥
24、氏体在该温度下向马氏体转变。3、若在Md以上某一温度范围内经塑性变形不会产生应变诱发马氏体。,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-69,用外力能否改变马氏体转变？,Chapter 5: Diffusional Transformations in Solids,6-70,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-71,6-72,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-73,马氏体形成动力学特点,Chapter 6 Martensite a
25、nd Its Transformation,6-74,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-75,为什么Ms温度在300摄氏度？,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-76,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-77,为什么呈C形?,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-78,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-79,Chap
26、ter 6 Martensite and Its Transformation,6-80,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-81,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-82,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-83,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-84,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-85,Chapter 6
27、Martensite and Its Transformation,6-86,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-87,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-88,6.5 热弹性马氏体与形状记忆效应,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-89,(3)母相弹性极限要高,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-90,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-91,6-92,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,形状记忆效应的应用,Chapter 6 Martensite and Its Transformation,6-93,6.6 小结,
