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1、7.5 马氏体转变 l钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解，在较 低温度下（低于Ms点）发生的转变为马氏体转变。 l马氏体转变属于低温转变。 l转变产物为马氏体组织。 l马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。 l具有很高的强度和硬度。 l马氏体转变是典型的非扩散型相变。 l马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。 l马氏体转变过程中Fe的晶格改组是通过切变方式完成 的。 一、M的组织形态和晶体结构 l多种多样，其中板条马氏体和片状马氏体最为常见。 1 板条马氏体：低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢 等铁基合金中形成的一种典型马氏体组织。 图7.32是低碳钢中的板条马氏体组织，是有许多成 群的、相
2、互平行排列的板条组成，故称为板条马氏体 。 一、M的组织形态和晶体结构 l板条马氏体的空间形态是扁条状的。 l每个板条为一个单晶体，板条间为A（残余）。 l许多条组成一束。 l亚结构主要为高密度的位错。 2 片状马氏体 l中、高碳钢及FeNi 合金中形成的一种典 型马氏体组织。 2 片状马氏体 l片状M的空间形态呈双凸透镜状，在光 学显微镜下则呈针状或竹叶状，故又称 针状M。 lM片之间互不平行，呈一定角度分布。 在原A中先形成的M片贯穿整个晶粒， 如图。 lM片周围存在残余奥氏体。M最大尺寸 取决于原始A晶粒大小。 l晶粒越粗大，则M片越大，当最大尺寸 的M片小到光学显微镜无法分辨时，称 为
3、隐晶M。 2 片状马氏体 l片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。 l在片的边缘为位错网络。 中脊面与显微裂纹 l含碳量大于1.4%的钢中可以看到片状M的中脊面，它 是微细孪晶区。 l片状M中存在大量显微裂纹。 3 影响M形态的因素 l取决于M的形成温度，而M的形成温度又主要取决于A 的化学成分，即碳和合金元素的含量。 l碳的影响最大，随着含碳量的增加，板条马氏体数量 相对减少，片状马氏体的数量相对增加，如图。 4 M的晶体结构 lMC在-Fe中的过饱和固溶体。 l碳分布在-Fe体心立方晶格的 c轴上，引起 c轴伸长， a 轴缩短，使-Fe体心立方晶格发生正方畸变。 l因此，M具有体心正方结构，如
4、图7.41。轴比c/a称为 马氏体的正方度。 二 马氏体的性能 1 马氏体的硬度和强度： 主要取决于马氏体的含 碳量，如图。 l强化机制： l（1）固溶强化 l过饱和的间隙原子碳在 相晶格中造成晶格的正 方畸变，形成强应力场 与位错发生强烈的交互 作用，阻碍位错的运动 ，从而提高M的硬度和 强度。 1 马氏体的硬度和强度 l（2） 相变强化 M转变时，在晶体内造成晶格缺陷 密度很高的亚结构，阻碍位错的运动，使马氏体强化 。 l（3） 时效强化 碳原子和合金元素的原子向位错及 其他晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉轧 位错，使位错难以运动，从而造成马氏体时效强化。 l（4） 原始奥氏体晶粒
5、大小及板条马氏体束大小对马 氏体强度的影响。这是由于相界面阻碍位错的运动造 成的马氏体强化。 2 马氏体的塑性和韧性 l主要取决于M的亚结构。 l片状M具有高强度、高硬度，但韧性很差，其特点是 硬而脆。板条M韧性好得多。 l片状M中孪晶亚结构的存在大大减少了有效滑移系； 同时在回火时，碳化物沿孪晶面不均匀析出使脆性增 大；此外，片状M中含碳量高，晶格畸变大，淬火应 力大，以及存在大量的显微裂纹也是其韧性差的原因 。 l而板条M中碳化物分布均匀，位错有低密度区，活动 有余地，其运动可以缓和局部应力。 3 马氏体的物理性能：比容最大，具有铁磁性和高的矫 顽力，电阻高。 三 马氏体的转变特点 1 M
6、转变的热力学特点： l条件：（1）VVc， （2）深度过冷。 lG=Gv+(Gs+Ge) G总自由能变化； Gv体积自由能差； Gs表面能； Ge弹性应变能； MsA和M两项自由能差达到相变所需 要的最小驱动力值时的温度，即开始发生 M转变的温度。 2 M转变的晶体学特点 （1）无扩散性。 铁原子晶格改组通过原子集体的有 规律的近程的迁动完成，转变前后成分相同。 （2）切变性。 面心立方变成体心立方晶格，在预先 抛 光的式样表面上M形成的地方出现宏观倾斜隆起形 成表面浮凸。 2 M转变的晶体学特点 （3）共格性。相界面上的原子即属于M又属于A。 （4）严格的位向关系和惯习面。 马氏体和奥氏体之
7、间有下列位向关系： 110111 111110 惯习面M在 A 的特定晶面上形成，这个晶面称 为惯习面。 在相变过程中惯习面不变形也不转动，通常以母相 的指数来表示，随含碳量及M的形成温度而变化。 3 M转变的动力学特点 （1）降温转变（一般）；等温（特殊）。 l相变没有孕育期，瞬间形核，瞬间长大。 lA（残余）淬火冷却到室温时保留的未转变A。 l冷处理低于室温冷却的处理方法。 （2）A的稳定化。在外界因素作用下，由于内部结构 发生了某种变化，而使奥氏体向马氏体转变温度降低 和残余奥氏体量增加的转变迟滞现象。 l分两类： a 热稳定化：因等温停留引起A稳定性提高，而使M 转变滞迟的现象。 b
8、机械稳定化：机械强化作用使A稳定化的现象。 4 M转变的可逆性 l相变强化机械稳定化，M转变量增高，体积膨胀。 l形变强化机械稳定化，Md点以上对A塑变产生。 l在Ms点以上对A进行塑变，引起A转变量增多，此现 象称为形变诱发M相变。某温度Md以上塑变不能发生 此现象。 4 M转变的可逆性： l冷却和升温时A、M的相互转变（一般碳钢中不发生） 。 四 M转变应用实例 l发展强韧化热处理工艺 低碳钢或低合金钢采用强烈淬火，获得板条马氏体。 中碳低合金钢或中碳合金钢进行高温加热淬火，可提高钢的 韧性。 高碳钢工件，采用较低温度快速、短时加热淬火，提高韧性 。 l防止焊接冷裂纹 焊接结构件用钢，希望低碳，C曲线左移，过冷A不稳定， 不易形成M。 中碳高强度焊接结构件，采用预热、缓冷措施，防止片状M 形成。 l中锰耐磨铸铁 Mn扩大奥氏体相区、降低Ms点、使C曲线右移，可获得M 。