材料科学与工程专业《金属热处理原理及工艺》ppt课件第五章马氏体转变.ppt
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1、第五章 马氏体转变,5.1、马氏体的晶体结构和转变特点5.2、马氏体的组织形态5.3、马氏体的性能5.4、马氏体相变的切变模型5.5、马氏体转变的热力学5.6、马氏体转变的动力学5.7、奥氏体的稳定化5.8、热弹性马氏体与形状记忆效应,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 +产 物 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。,M+AR,共析碳钢C曲线分析,马氏体相变:钢铁在经过奥氏体化温度后采取快速
2、冷却,抑制其扩散分解,在较低温度(Ms)下发生的无扩散型相变。,A1,温度(),Ms,P,炉冷,S,空冷,油冷,MAR,水冷,Vk,P,S,T,临界冷却速度,时间(s),A M ( ) fcc 体心正方,5.1、马氏体的晶体结构和转变特点,一.马氏体的晶体结构,马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体,用符号M表示。,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),成分不变结构变化,C原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况,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
3、体的正方度。,轴比c/a 称马氏体的正方度。C% 越高,正方度越大,正方畸变越严重。当0.25%C时,c/a=1,此时马氏体为体心立方晶格。,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,二. 马氏体转变特点1、表面浮凸效应和共格切变,表面浮凸效应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。马氏体转变以切变方式进行 界面上原子为马氏体与奥氏体共有。,马氏体转变切变示意图,马氏体转变产生的表面浮凸,原子切变变化位置,界面推移,M,共格切变,A,母相
4、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。,二. 马氏体转变特点 2、无扩散相变,只有点阵改组,没有成分变化,马氏体无扩散切变相变证据: 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因此:马氏体是碳在-Fe中过饱和固溶体,马氏体是从奥氏体直接转变而来,故马氏体与奥氏体碳含量完全相同。,二. 马氏体转变特点 3、M转变的位向关系及惯
5、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 (1)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。 位向关系有:(1)KS关系 (2)西山(N)关系 (3)GT关系,(1)位向关系: a. K-S关系晶面:011M111A晶向:111M011A,二. 马氏体转变特点 3、M转变的位向关系及惯习面,111A,111A,奥氏体:,马氏体:,奥氏体111晶面族包含4个不同的面,马氏体 110晶面族包含6个不同的面,因此有24种可能的马氏体取向。,b.西山关系 Fe-30%N
6、i合金在冷却至-70以下,奥氏体转变成马氏体时存在如下位向关系(在室温以上形成马氏体仍遵循K-S关系) 晶面:011M111A 晶向:110M112A,12种取向,A,M,111A,011M,K-S关系与西山关系比较,A,晶面平行关系相同晶向相差516,(2)惯习面: 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0.6%时,惯习面为111A ; 碳含量0.61.4%,惯习面为225A ; 碳含量1.51.8%,惯习面为259A,二. 马氏体转变特点 3、M转变的位向关系及惯习面,二. 马氏体转变特点 4、马氏体转变不完全性(非恒温
7、性),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。,马氏体转变量与温度的关系图,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。,由于多数钢的Mf在室温以下,因此钢快冷到室温时仍有部分未转变的奥氏体存在,称之为残余奥氏体,记为Ar或AR。 有残余奥氏体存在的现象,称为马氏体转变不完全性。 要
8、使残余奥氏体继续转变为马氏体,可采用冷处理。,冷却时,奥氏体转变成马氏体 重新加热时,马氏体又能无扩散的向奥氏体转变。 这种特点称为马氏体转变的可逆性。 MA的逆转变也是在一定的温度范围内(AsAf)进行。 形状记忆合金的热弹性马氏体就是利用了这个特点。,二. 马氏体转变特点1、表面浮凸效应和共格切变2、无扩散相变3、M转变具有一定的位向关系及惯习面4、马氏体转变不完全性(非恒温性)5、马氏体转变的可逆性,综上所述,马氏体转变具有很多不同于珠光体的特点,其中最主要的和最基本的只有两个:切变共格性和无扩散性。其他的特点可由这两个特点派生出来。,5.2 马氏体的组织形态 一. 马氏体形态 板条,片
9、状,蝴蝶状、薄板状及薄片状1、板条马氏体,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,窄而细长。板条宽度0.10.2微米,长度小于10微米,板条间往往存在薄膜状的残余奥氏体,光镜下,组织单元:群束板条取向关系:K-S, 惯习面:111,马氏体束,马氏体群,一个奥氏体晶粒内包含几个群,一个群内存在位向差时,也会形成几个束。群和束都是由板条组成。群、束之间均为大角度晶界,板条之间为小角度晶界。,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) 101
10、2/cm3。故称位错马氏体。,亚结构:位错,2、片状马氏体 形态: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。 亚结构:孪晶出现在高碳钢中WC 1.0%,残余奥氏体分布在马氏体片间,3、蝶状马氏体 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。 (书中P95页图4.22) 亚结构:高密度位错。,4、薄片状马氏体 特征:立体形状为薄片状,其金相形态呈很细的带状、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) (书中P95页图4.23),5、马氏体 点阵结构: 密排六方(其它马氏体均为
11、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(书中P96页图4.24),2.影响马氏体形态和亚结构的因素 (1)马氏体形成温度 一般地:在马氏体相变温度Ms Mf范围内,随马氏体形成温度降低,马氏体形态将按,板条状,蝶状,片状,薄片状,亚结构则由位错逐步向孪晶转化。,进行,MS点高的奥氏体,冷却后形成板条马氏体,亚结构为位错; MS点低的奥氏体, 冷却后形成片状马氏体,亚结构为孪晶; MS点不高不低的奥氏体,冷却后形成混合型组织(片状+板条马氏体),亚结构为位错+孪晶。,2.影响马氏体形态和亚结构的因素 (2)化学成分 碳含量: 0.3%,板条马
12、氏体; 0.31.0%,板条马氏体和片状马氏体混合组织, 1.0%,片状马氏体。 合金元素: 缩小相区的,促使板条M形成; 扩大相区的,促使片状M形成; 显著降低层错能的,促使M形成。,不同类型的M,(3)奥氏体层错能 随着奥氏体层错能的降低: 马氏体相变按照孪晶 位错马氏体; (只有层错能足够低时,才形成马氏体),(4)奥氏体和马氏体强度 马氏体的形态与Ms点处奥氏体屈服强度和马氏体强度有关系。,当奥氏体屈服强度200Mpa 若马氏体强度,高,低,片状马氏体,板条马氏体,形成,当奥氏体屈服强度 200Mpa,形成片状马氏体。理论解释:强度低时,滑移变形,在111A形成板条马氏体;强度高时,孪
13、晶变形,在225A、 259A形成片状马氏体。,(5)滑移和孪生变形的临界分切应力,临界分切应力,孪晶型,位错型,孪晶,滑移,Ms,T,Mf,温度,碳钢马氏体形态和晶体学特征与 钢的C含量及MS点的关系,最主要的两个因素是:奥氏体中碳含量和马氏体形成温度。,5.3、马氏体的性能 一. 马氏体的强度和硬度 钢中马氏体的主要特性是高硬度和高强度。 (1)硬度和强度,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,曲线3马氏体的硬度 采用完全淬火(完全奥氏体化)并进行冷处理,使奥氏体全部转化为马氏体,所得即为马氏体硬度和碳含量关系。,曲线2高于Ac1淬火
14、 后钢的硬度是亚共析钢高于AC3、过共析钢高于AC1且低于ACCm的淬火的硬度。对于过共析钢采用的是高于AC1的不完全淬火,所得马氏体中碳含量即为该温度下奥氏体的饱和C浓度,温度不变时均相同,故随碳含量增高,硬度基本不变。,曲线1高于Ac3或Accm 淬火后钢的硬度 即为完全奥氏体化后淬火所得的硬度曲线,当C量低时,淬火后马氏体的硬度随碳量增加而升高;当C量高时,Mf已在0以下,淬火后得到马氏体和奥氏体双相组织。随C量增高,奥氏体量增加,由于奥氏体硬度低,硬度反而下降。,由此可以得出结论:马氏体硬度随碳含量增加而显著升高,但当碳含量超过0.6%时,硬度增长趋势下降。,(2)马氏体高强度高硬度的
15、本质 相变强化 马氏体相变的切变特性,造成马氏体晶体内产生大量的微观缺陷(位错、孪晶、层错等)使马氏体强化,称为相变强化。 请同学们思考位错、孪晶、层错如何实现强化的?,相变强化是指马氏体相变时,在晶体内造成晶格缺陷密度很高的亚结构。如板条马氏体中高密度的位错、片状马氏体中的孪晶或层错等,这些缺陷都将阻碍位错的运动,使马氏体得到强化。这些缺陷的增加,使马氏体强度提高147186 MPa。,固溶强化 马氏体中以间隙式溶入过饱和碳原子将引起强烈点阵畸变,形成以碳原子为中心应力场,并与位错发生交互作用,使碳原子钉扎位错,强化马氏体。 C大于0.4%时,这种作用不明显。,马氏体时效强化 马氏体发生碳原
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