材料成型基础教学课件.ppt
7.5 马氏体转变,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。马氏体转变属于低温转变。转变产物为马氏体组织。马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体。具有很高的强度和硬度。马氏体转变是典型的非扩散型相变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。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,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,板条马氏体的空间形态是扁条状的。每个板条为一个单晶体，板条间为A（残余）。许多条组成一束。亚结构主要为高密度的位错。,2 片状马氏体,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,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。M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。M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。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，称为隐晶M。,2 片状马氏体,片状马氏体内部的亚结构主要是孪晶。在片的边缘为位错网络。,中脊面与显微裂纹,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。片状M中存在大量显微裂纹。,3 影响M形态的因素,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。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,MC在-Fe中的过饱和固溶体。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。因此，M具有体心正方结构，如图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。强化机制：（1）固溶强化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,（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。（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。（4）原始奥氏体晶粒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,主要取决于M的亚结构。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。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。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转变的热力学特点：条件：（1）VVc，（2）深度过冷。G=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）。相变没有孕育期，瞬间形核，瞬间长大。A（残余）淬火冷却到室温时保留的未转变A。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。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 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,相变强化机械稳定化，M转变量增高，体积膨胀。形变强化机械稳定化，Md点以上对A塑变产生。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：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,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。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。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。,
