马氏体相变PPT课件.ppt

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1、授课：XXX,1,第四章 马氏体相变,授课：XXX,2,马氏体-碳在-Fe 中的过饱和固溶体。 成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。 碳原子位于-Fe的bcc扁八面体间隙中心，即点阵各棱边中央和面心位置。 体心正方点阵 bct - 马氏体。,1. 马氏体的晶体结构,授课：XXX,3,图4-1 奥氏体的正八面体间隙 a) 马氏体的扁八面体间隙 b),授课：XXX,4,图4-2 点阵常数与碳含量的关系,授课：XXX,5,马氏体点阵常数和碳含量的关系,授课：XXX,6,马氏体的正方度,c/a = 1.005 + 0.045 P （4-2） 碳原子在马氏体点阵中的分布： 碳原子发生有序分布，80%优先

2、占据c轴方向的八面体间隙位置，20%占据其它两个方向的八面体间隙位置，此时出现（4-2）式的正方度。,授课：XXX,7,新生马氏体的异常正方度,定义： c/a 值低于或高于（4-2）式的正方度。 原因： 主要由于碳原子在 x，y，z 三个方向的分布发生了改变。,授课：XXX,8,2. 马氏体相变的主要特征,（1）马氏体相变的无扩散性,钢中马氏体相变时无成分变化，仅发生点阵改组。 可以在很低的温度范围内进行，并且相变速度极快。 原子以切变方式移动，相邻原子的相对位移不超过原子间距，近邻关系不变。,授课：XXX,9,（2）表面浮凸现象和不变平面应变,图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动, 表面浮凸

3、现象,授课：XXX,10,图4-4 直线划痕的变形情况 （a）实验结果 （b）在界面处失去共格 （c）划痕扭曲,授课：XXX,11, 惯习面和不变平面,马氏体往往在母相的一定晶面上开始形成，这一定的晶面即称为惯习面。马氏体和母相的相界面，中脊面都可能成为惯习面。 钢中：0.5%C，惯习面为111，0.51.4%C，为225，1.51.8%C，为259。 直线划痕在倾动面处改变方向，但仍保持连续，且不发生扭曲。说明马氏体与母相保持切变共格，惯习面未经宏观可测的应变和转动，即惯习面为不变平面。,授课：XXX,12, 不变平面应变,倾动面一直保持为平面。 发生马氏体相变时，虽发生了变形，但原来母相中

4、的任一直线仍为直线，任一平面仍为平面，这种变形即为均匀切变。 造成均匀切变且惯习面为不变平面的应变即为不变平面应变。,授课：XXX,13,图4-5 三种不变平面应变 a）膨胀 b）孪生时的切变 c）马氏体相变时-切变 + 膨胀,授课：XXX,14,（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系,相变以共格切变方式进行所至。,K-S 关系： 111110M ; M 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）。,授课：XXX,15,图4-6 奥氏体 (111)面上马氏体的六种不同K-S取向,授课：

5、XXX,16,西山关系：,111110M ; M 按西山关系，在每个111面上，马氏体可能有3种取向，故马氏体共有12种取 向（变体）。,授课：XXX,17,图4-7 奥氏体 (111)面上马氏体的三种不同西山取向,授课：XXX,18,G-T关系： 和 K-S关系略有偏差 111110M 差10 M 差20 K-S关系和西山关系的比较： 晶面关系相同，只是晶面内的方向相差 5016。,授课：XXX,19,图4-8-1 K-S关系和西山关系的比较,授课：XXX,20,图4-8-2 K-S关系和西山关系的比较,授课：XXX,21,图4-9 K-S关系和西山关系的比较,授课：XXX,22,（4）马氏

6、体相变的变温性,图4-10 转变量-时间关系,授课：XXX,23,图4-11 转变量-温度关系,在Mf点以下，虽然转变量未达到100%，但转变已不能进行。 如Mf点低于室温，则淬火到室温将保留相当数量的未转变奥氏体，称为残余奥氏体。,授课：XXX,24,（5）马氏体相变的可逆性,A M Ms , Mf ; As , Af ; As Ms 钢中马氏体加热时，容易发生回火分解， 从马氏体中析出碳化物。 Fe-0.8%C钢以5000/S快速加热，抑制回火转变，则在590600发生逆转变。,授课：XXX,25,3. 马氏体的形态及其亚结构,3.1 板条马氏体 在低、中碳钢，马氏体时效钢中出现，形成温度

7、较高。 基本单元板条为一个个单晶体。,图4-12 板条马氏体示意图,授课：XXX,26,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。 板条马氏体的惯习面为111，位向关系为K-S关系。由于有四个不同的111面，所以一个奥氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束。 每个惯习面上可能有六种不同的取向，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。,授课：XXX,27,板条马氏体的亚结构为高密度位错，所以板条马氏体也称为位错马氏体 。 不呈孪晶关系的板条间存在一层残余奥氏体簿膜，这种微量的残余奥氏体对板条马氏体的韧性贡献很大。 呈孪晶关系的板条间就不存在这种残余奥氏体薄膜。,授

8、课：XXX,28,图4-13 （a）板条马氏体 （b）片状马氏体,授课：XXX,29,3.2 片状马氏体,图4-14 片状马氏体示意图,在中、高碳钢，高镍的Fe-Ni合金中出现，形成温度较低。,授课：XXX,30,先形成的第一片马氏体横贯整个奥氏体晶粒，使后形成的马氏体片的大小受到限制。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，所以后形成的马氏体片越来越短小。 片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多数马氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏体片互不平行，大小不一，片的周围有一定量的残余奥氏体。,授课：XXX,31,惯习面：随形成温度的下降，由225变为259，位向关系由K-S关系变为西

9、山关系。 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。 马氏体片互成交角，后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用，接触处产生显微裂纹。,授课：XXX,32,3.3 影响马氏体形态及其亚结构的因素,（1）Ms点 Ms点高 - 形成板条马氏体。 Ms点低 - 形成片状马氏体。 C% Ms 板条M 板条M+片状M 片状M 位错M 孪晶M,授课：XXX,33,（2）奥氏体与马氏体的强度,图4-15 滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系,授课：XXX,34,当马氏体在较高温度形成时，滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易于发生，从而在亚结构中留下大量位错，形

10、成亚结构为位错的板条马氏体。 由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均较低。相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏体和马氏体中以滑移方式进行，故惯习面为 (111) 。,授课：XXX,35,随着形成温度的下降，孪生的临界分切应力较低，变形方式逐渐过渡为以孪生进行，形成亚结构为孪晶的片状马氏体。 若奥氏体的S低于206MPa，应力在奥氏体中以滑移方式松弛。由于形成的马氏体强度较高，应力在马氏体中只能以孪生方式松弛，则形成惯习面为 (225)的片状马氏体。 若奥氏体的S超过206MPa，相变应力在两相中均以孪生方式松弛，则形成惯习面为 (259)的片状马氏体。,授课：XXX,36,3.4 工业用钢淬火马

11、氏体的金相形态,C%0.2%的低碳钢、低碳低合金 钢，如20#、15MnVB钢等，组织为板条马氏体，具有高强度、高韧性、低的冷脆转化温度。,（1）低碳钢中的马氏体,授课：XXX,37,（2）中碳结构钢中的马氏体,如45#、40Cr 钢等，淬火后为板条马氏体+片状马氏体的混合组织。 由于通常选用较低的奥氏体化温度，淬火后获得的组织极细，光学显微镜较难分辨。,授课：XXX,38,（3）高碳工具钢中的马氏体,如 T8、T12钢，为片状马氏体。 通常采用不完全加热淬火（在Ac1稍上加热，保留一定量未溶渗碳体颗粒），获得隐晶马氏体+渗碳体颗粒的混合组织。 隐晶马氏体极细，光学显微镜较难分辨。,授课：XX

12、X,39,4. 马氏体相变热力学,T0为相同成分的马氏体和奥氏体两相热力学平衡温度，此时 G = 0 G 称为马氏体相变驱动力。,图4-16 自由能-温度关系,4.1 相变驱动力,授课：XXX,40,图4-17 无扩散相变 的T0温度,相变化学驱动力用来提供切变能量、亚结构储存能、膨胀应变能、共格应变能、界面能等，所以要有足够大的相变驱动力。 Ms点为奥氏体和马氏体两相自由能之差达到相变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。,授课：XXX,41,4.2 影响钢的Ms 点的因素,碳含量 C% Ms ，Mf ,图4-18 Ms 与碳含量关系,（1）奥氏体的化学成分,授课：XXX,42,合金元素

13、除 Co、Al外，其它合金元素均降低Ms 点。 解释： 碳或者合金元素降低A3点，降低奥氏体的自由能并提高马氏体（过饱和铁素体）的自由能，也降低了T0 温度，从而降低Ms 点。 碳或者合金元素固溶强化了奥氏体，s ，使切变所需能量增高，Ms 。,授课：XXX,43,图4-19 奥氏体与马氏体的自由能-温度曲线示意图,授课：XXX,44,（2）其它因素对Ms 点的影响,奥氏体的晶粒大小 奥氏体晶粒细化 Ms 晶粒细化 s 切变阻力 Ms 弹性极限以内的应力 多向压应力阻碍马氏体转变， Ms 拉应力促进马氏体转变， Ms ,授课：XXX,45,4.3 应变诱发马氏体,在Ms点以上一定温度范围内，因

14、塑性变形而促生的马氏体称为应变诱发马氏体。 塑性变形能促生马氏体的最高温度称为Md 点，高于此温度的塑性变形将不会产生应变诱发马氏体。,授课：XXX,46,在MsMd之间对奥氏体进行塑性变形，为向马氏体转变提供了机械驱动力，从而使相变可以在较高的温度发生，即相当于升高了Ms温度。 在MsMd温度范围的塑性变形度越大，由形变诱发的马氏体量越大。但对未转变的奥氏体，在随后的冷却过程中，马氏体相变却受到了抑制（发生了机械稳定化）。,授课：XXX,47,图4-20 应变诱发马氏体相变热力学条件,授课：XXX,48,4.4 奥氏体的机械稳定化,在 Md 点以上，对奥氏体进行塑性变形，当形变量足够大时，将

15、抑制随后冷却时的马氏体转变，Ms点降低，残余奥氏体量增多，称为奥氏体的机械稳定化。 少量塑性变形对马氏体转变有促进作用，而超过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作用。,授课：XXX,49,原因：,当变形度小时，增加了奥氏体中有利于马氏体形核的晶体缺陷。 当变形度较大时，在奥氏体中形成大量亚晶界和高密度位错区，奥氏体产生加工硬化，屈服强度提高，阻碍切变过程，从而使奥氏体稳定化。,授课：XXX,50,5. 马氏体相变动力学,5.1 马氏体的变温形成,马氏体相变也是通过形核与长大进行。 变温时，在Ms点以下，无孕育期，瞬时形核，瞬时长大。 马氏体量随温度下降而增加。,授课：XXX,51,降温时，

16、马氏体量的增加是靠新马氏体的不断产生，而不是靠先形成马氏体的长大。,授课：XXX,52,5.2 残余奥氏体,马氏体转变通常不能进行到底，有一部分未转变的奥氏体残留下来，称为残余奥氏体。 AR - retained austenite 通常淬火只淬到室温为止，高于很多钢的Mf 点，冷却不充分，形成AR 。,授课：XXX,53,授课：XXX,54,残余奥氏体的作用：,因本身较软，会降低淬火钢的硬度； 不稳定，易使零件产生变形开裂； 降低硬磁钢的磁感应强度； 可提高某些钢的韧性和塑性。,授课：XXX,55,5.3 奥氏体的热稳定化,授课：XXX,56,淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留而引起的奥氏体

17、稳定化，称为热稳定化。,图4-21 奥氏体热稳定化现象示意图 在Ms 点以下等温停留,将引起点降低以及 AR 量增多。,授课：XXX,57,奥氏体热稳定化的本质：,奥氏体的热稳定化是由于在适当温度停留过程中，奥氏体中的碳、氮原子与位错发生交互作用形成柯氏气团，从而强化了奥氏体，使马氏体相变的阻力增大所致。,授课：XXX,58,6. 马氏体相变晶体学模型,6.1 K-S 均匀切变模型,三个步骤： 第一次较大量的均匀切变 (主切变)：,授课：XXX,59,第二次小量切变：,晶格调整：,授课：XXX,60,图4-22 K-S 切变模型,授课：XXX,61,图4-23 马氏体与奥氏体的共格关系及其破坏

18、,随马氏体长大，靠近界面的奥氏体弹性切应变也愈来愈大，当应力值超过奥氏体的屈服极限时，将发生塑性变形，界面共格联系被破坏。这时的马氏体要通过扩散才能继续长大，实际上马氏体已停止长大。,授课：XXX,62,6.2 G-T 模型,G-T 模型为两次切变模型： 第一次切变 为宏观均匀切变，发生宏观变形，产生表面浮凸；并发生点阵改组，形成马氏体点阵结构。,授课：XXX,63,第二次切变,为微观不均匀切变，也称为晶格不变切变，可以是滑移，也可以是孪生。 切变的结果，无宏观变形，晶格不变。同时，降低了应变能（应力松弛），在马氏体内产生位错或孪晶亚结构。,授课：XXX,64,图4-24 晶格不变切变示意图,

19、授课：XXX,65,7. 马氏体的性能特点,C% 硬度 C 0.6%以后，淬火钢硬度下降的原因主要是由于残余奥氏体量的增加。,7.1 马氏体的强度和硬度,授课：XXX,66,马氏体的强化机制：,固溶强化 间隙式碳原子造成的点阵不对称畸变，产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用。 时效强化 自回火，碳原子在马氏体晶体缺陷处（位错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。,授课：XXX,67,相变强化 亚结构强化，高密度位错以及微细孪 晶，阻碍位错运动。 马氏体晶体（原奥氏体晶粒）尺寸越 细小，强度越高。,授课：XXX,68,7.2 马氏体的塑性与韧性,低碳位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳孪晶型马氏体具有高的强度但韧性极差。 高碳孪晶型马氏体高脆性的原因： 亚结构为细小孪晶 容易产生显微裂纹,授课：XXX,69,7.3 马氏体的物理性能,马氏体的比容远大于奥氏体 钢在淬火时要发生体积膨胀，产生内应力、 变形、开裂。 马氏体具有铁磁性 钢在淬火后，矫顽力升高，导磁率下降。马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。,授课：XXX,70,谢谢,71,Thank you!,