第07节 钢的马氏体转变

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主要是钢的马氏体转变温度Mf和含碳量。马氏体转变温度越低,越容易得到马氏体组织;含碳量越高,马氏体转变温度越低。含碳量低的钢,马氏体转变温度就较高,就不容易得到马氏体组织;反之,钢的含碳量越高,马氏体转变温度就较低,就会容易得到马氏体组织,而且硬度随之也会增高www.07swz.com防采集请勿采集本网。

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淬火就是从奥氏体变成了马氏zhidao体,奥氏体是面心结构,马氏体是体心结构,当由面心结构的晶胞转变成体心结构的晶胞时体积就会增加,虽然变化不大但反内映到宏观上就能看到体积的变化了。至于

金属材料学

Metal Material and Heat Treatment

对固态的铁基合金(钢铁及其他铁基合金)以及非铁金属及合金而言,是无扩散的共格切变型相转变,即马氏体转变的产物。就铁基合金而言,是过冷奥氏体发生无扩散的共格切变型相转变即马氏体转变所

主讲教师:曾燕屏

马氏体由奥氏体中国速冷却(淬火)形种情况奥氏体固溶碳原没间扩散晶胞奥氏体达马氏体转变温度(Ms)马氏体转变始产母相奥氏体组织始稳定Ms某温度保持变少部奥氏体组织迅速转变继续温度进步降低更奥氏体才

2016年9月27日

Ms主要取决于钢的化学成分,其中又以碳含量的影响最为显著,随着碳含量的增加,马氏体转变温度下降,但碳含量对Ms点和Mf点的影响并不完全一致,对Ms点的影响基本上呈连续的下降趋势,对Mf点的

北京科技大学 曾燕屏 §2-4 钢的马氏体转变

应该由奥氏体转变成马氏体。奥氏体不锈钢在冷加工因受冲击容易产生马氏体组织。经冷形变时,其中部分奥氏体会发生马氏体转变?这时候面心立方的舆氏体就变成体心立方(或密排六方)的马氏体,并与原奥氏体

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图2-30 共析碳钢的C曲线

北京科技大学 曾燕屏 一、马氏体的晶体结构及转变特点

1. 马氏体的晶体结构

(1) 碳原子在马氏体点阵中的位置及分布

图2-31 碳原子在马氏体 点阵中的可能位置示意图

可 能 位 置 是 : α-Fe 体心立方单胞的各 棱边中央和面心位 置,即由铁原子组 成的扁八面体空隙 之中。

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北京科技大学 曾燕屏 图2-32 碳原子在马氏体点阵中 的可能位置构成的亚点阵

Fe原子;

C原子可能的位置

马氏体点阵为:体心正方(w(C)> 0.2%);

c/a称为马氏体的正方度。

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北京科技大学 曾燕屏 (2) 马氏体的点阵常数和碳含量的关系

图2-33 含碳量对马氏体点阵常数的影响

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北京科技大学 曾燕屏 2. 马氏体转变的主要特点 (1) 表面浮凸现象和切变共格性

图2-34 钢因马氏体转变而产生的表面浮凸

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北京科技大学 曾燕屏 图2-35 马氏体转变时引起表面浮凸的示意图

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北京科技大学 曾燕屏 ? 马氏体是以切变方式形成的;

? 马氏体与奥氏体界面上的原子既属于 马氏体,又属于奥氏体,是共有的;

? 整个相界面是互相牵制的;

? 这种界面称之为“切变共格”界面。

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北京科技大学 曾燕屏 (2) 无扩散性

? 马氏体转变可以在相当低的温度范 围内进行,并且转变速度极快。

? 这一事实足以证明,马氏体转变不 可能以扩散方式进行。

?马氏体转变属无扩散型相变。

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北京科技大学 曾燕屏 (3) 新相与母相之间具有特定的晶体学 取向关系

① K-S关系

{011}α′∥{111}γ <111>α′∥<101>γ

按照这样的位向关系, 马氏体在母相中可以有 24个不同的取向。

图2-36 K-S位向 关系示意图

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图2-37 钢中马氏体在(111)γ面 上形成时可能有的取向

北京科技大学 曾燕屏 ② 西山关系

(011)α′∥ (111)γ [01-1]α′∥[1-21]γ

按照西山关系,在每个 {111}γ面 上 , 马 氏 体 只 可能有三种不同的取向, 所以总共只有12种可能 的马氏体取向。

图2-38 西山关系 示意图

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北京科技大学 曾燕屏 图2-39 西山关系和K-S关系的比较

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北京科技大学 曾燕屏 (4) 惯习现象

? 马氏体转变时,新相总是在母相的某 个晶面族上形成,这种晶面称为惯习面。

? 在相变过程中从宏观上看,惯习面是 不发生转动和不畸变的平面,用它在母 相中的晶面指数来表示。

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北京科技大学 曾燕屏 ? 钢中马氏体的惯习面随碳含量及形成温度 不同而异,常见的有以下几种:

? 碳含量小于0.2%时,为近{111}γ或{557}γ ;

? 碳含量在0.2%~0.6%之间时,为{557}γ或{225}γ ;

? 碳含量在0.6%~1.0%之间时,为{225}γ ;

? 碳含量在1.0%~1.4%之间时,为{225}γ或{259}γ;

? 碳含量高于1.4%后,为{259}γ。

随马氏体形成温度下降,惯习面有向 高指数变化的趋势。

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北京科技大学 曾燕屏 (5) 马氏体转变的可逆性

? 在某些铁合金中,奥氏体冷却转变为马 氏体,重新加热时,已形成的马氏体又可 以逆马氏体转变为奥氏体,这就是马氏体 转变的可逆性。

? 一般将马氏体直接向奥氏体转变称为逆 转变。

? 逆转变开始点用As表示,逆转变终了点 用Af表示。

? 通常As温度比Ms温度高。

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北京科技大学 曾燕屏 二、马氏体的组织形态及性能特点

1. 马氏体的组织形态 (1) 板条状马氏体

? 板条状马氏体是低、中碳钢等铁系合 金中形成的一种典型马氏体组织。

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图2-40 板条状马氏体 ×500

(15钢:1350℃奥氏体化,15℃盐水淬火)

北京科技大学 曾燕屏 ? 对于碳钢,板条状马氏体通常在碳含 量 ≤ 0.2% 时 单 独 存 在 , 碳 含 量 在 0.2%~1.0%之间时与片状马氏体共存。

? 板条状马氏体与母相奥氏体的晶体学 取向关系是K-S关系,惯习面为{111}γ。

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图2-41 板条状马氏体显微 组织的晶体学特征示意图

北京科技大学 曾燕屏 目前认为板条状马氏体的立体形 态有两种:

(a) 横截面为椭圆形,呈扁条状,a>>b>c, 一般a比b大10倍以上。

(b) 横截面为矩形,呈薄板状,a>b>>c。

板条状马氏体的亚结构主要是: 高密度缠结的位错,位错密度一般 为0.3~0.9×1012cm/cm3。

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北京科技大学 曾燕屏 (2) 片状马氏体

? 片状马氏体是中、高碳钢,高 镍的铁镍合金等铁系合金中出现 的另一种典型马氏体组织。

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图2-42 片状马氏体 ×280

(T12钢:930℃奥氏体化,水淬)

北京科技大学 曾燕屏 ? 对于碳钢,片状马氏体只在碳含量 >1.0%时才单独存在,碳含量在0.2~1.0% 之间时与板条状马氏体共存。

? 片状马氏体与母相奥氏体的晶体学位 向关系是K-S关系或西山关系,惯习面为 {225}γ或{259}γ。

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北京科技大学 曾燕屏 图2-43 片状马氏体显微组织示意图

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图2-44 具有中脊的片状马氏体

(0.5C-24Ni钢:惯析面为{259}γ,×6000)

北京科技大学 曾燕屏 ? 在一个马氏体片中间常有一条 明显的筋,称为中脊。

它的厚度 一 般 约 为 0.5~1?m , 是 {112}α′ 型 孪晶。

? 片状马氏体的亚结构主要是: 平行的细小孪晶。

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北京科技大学 曾燕屏 2. 马氏体的性能特点

(1) 马氏体的硬度和强度

? 钢中马氏体最主要的特性 就是高硬度和高强度。

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北京科技大学 曾燕屏 图2-45 马氏体的硬度与碳含量的关系

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北京科技大学 曾燕屏 马氏体具有高强度和高硬度的原因如下:

① 固溶强化:过饱和碳原子间隙式固溶于马氏体中 引起强烈的正方畸变,形成以碳原子为中心的应力场, 这种应力场与位错交互作用使马氏体显著强化。

② 亚结构强化:马氏体相变的切变特性造成晶体内 产生大量的微观缺陷(位错和孪晶等),这些缺陷交互 作用,使马氏体得到强化。

③ 时效强化:马氏体形成过程中发生自回火,使钢 中碳原子沿晶格缺陷偏聚或碳化物弥散析出,从而使 马氏体得到强化。

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北京科技大学 曾燕屏 (2) 马氏体的塑性与韧性

? 马氏体的塑性与韧性主要决定于它 的亚结构。

? 位错马氏体既具有高的强度和硬度, 又具有良好的塑性与韧性;

? 孪晶马氏体虽具有高的强度和硬度, 但其塑性与韧性却很低。

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北京科技大学 曾燕屏 三、马氏体转变的动力学特点

1. 马氏体的变温形成

马氏体变温形 成的动力学特 点为:

图2-46 连续冷却时马氏体转变 动力学曲线

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? 降温形成 ? 瞬时成核 ? 瞬时长大 ? 转变速度极快 2. 马氏体的等温形成

对 于 某 些 Ms 点 在 0℃ 以 下 的Fe-Ni-Mn、 Fe-Ni-Cr和FeMn-C 合 金 , 其马氏体转变 可完全在等温 过程中进行。

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图2-47 Fe-Ni-Mn合金马氏 体等温转变动力学曲线

北京科技大学 曾燕屏 四、马氏体转变的热力学条件

1. 马氏体转变的驱动力

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图2-48 马氏体与奥氏体的化学 自由能随温度变化的示意图

北京科技大学 曾燕屏 马氏体转变的热力学特点是:相变需 要很大的驱动力。

其原因如下:

(1) 因形成新的界面而消耗界面能;

(2) 因产生宏观均匀切变而消耗塑性应变能;

(3) 因新相比容增大和维持切变共格而消耗弹 性应变能;

(4) 因产生微观不均匀切变,在马氏体中形成 高密度位错和细小孪晶(以能量的形式储存于 马氏体中)而作功等。

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北京科技大学 曾燕屏 2. Ms点的物理意义

? Ms点的物理意义:奥氏体和马氏体两 相自由能之差达到相变所需的最小化学 驱动力值时的温度。

3. 碳与合金元素对Ms点的影响

? 碳与合金元素对Ms点的影响主要决定 于它们对马氏体-奥氏体两相平衡温度T0 的影响和对奥氏体的固溶强化作用。

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北京科技大学 曾燕屏 ? 碳既剧裂降低T0温度又显著增高奥氏 体的屈服强度,故碳剧烈降低Ms点;

? Mn、Ni、Cr也既降低T0温度,又稍增 高奥氏体的屈服强度,故它们也降低Ms 点;

? V、Ti、Mo、W、Si、Co、Al等虽不 同程度地增加奥氏体的屈服强度,但却 提高T0温度。

? 若强化奥氏体的作用大,则使Ms点降 低,如V、Ti、Mo、W;

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北京科技大学 曾燕屏 ? 若提高T0的作用大,则使Ms点升高,如 Co、Al;

? 若这两种作用大致相当,则对Ms点影响 不大,如Si。

? 就碳与合金元素对Ms点的影响而言,除 钴、铝能提高Ms点以外,所有常用合金元 素,只要溶于奥氏体,都不同程度地降低 Ms点。

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北京科技大学 曾燕屏 ? 其中碳的作用最强烈,锰、铬、钒的 作用次之, 镍、钼、钨的作用再次之, 硅和硼则基本不影响Ms点。

? 凡降低Ms点的合金元素均降低Mf点, 只不过对Mf点的影响较弱而已,尤其是 在碳含量不高时更是如此。

? 钢中加入合金元素都增大形成孪晶马 氏体的倾向,使室温下的残余奥氏体量 增多。

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北京科技大学 曾燕屏 五、马氏体转变模型简介

1. 马氏体转变的晶体学经典模型

(1) Bain畸变模型 (2) K-S切变模型 (3) G-T切变模型

2. 马氏体转变的位错理论 3. 马氏体转变的唯象理论

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北京科技大学 曾燕屏 六、奥氏体的稳定化

使奥氏体转变为马氏体的 能力减弱(表现为Ms点降低及马 氏体量减少)的一切现象,均可 称为奥氏体的稳定化。

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北京科技大学 曾燕屏 按其机理(或本质)的不同,可将 其分为三大类:

(1) 因化学成分变化而引起奥氏体的稳定化, 称为化学稳定化;

(2) 由于塑性变形而引起的奥氏体稳定化, 称为机械稳定化;

(3) 因淬火冷却过程中冷却缓慢或中途停留 而引起的奥氏体稳定化,称为热稳定化。

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北京科技大学 曾燕屏 图2-49 高碳铬钢中奥氏体的热稳定化

(1.1C-1.5Cr钢;

奥氏体化温度为1040℃)

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北京科技大学 曾燕屏 思考题

1. 简述马氏体的晶体结构与转变特点。

2. 概述板条马氏体和片状马氏体的组织 形态、亚结构与力学性能有何不同。

3. 简述Ms点的物理意义及影响Ms点的主 要因素。

4. 试分析产生奥氏体稳定化的条件及奥 氏体稳定化对马氏体转变的影响。

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北京科技大学 曾燕屏 主讲教师:曾燕屏 联系电话:13601138554 办公地点:主楼308

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北京科技大学 曾燕屏

首先钢中马氏体即为马氏体即为碳在a-Fe(阿尔法铁)中的过饱和固溶体,形成机理是钢在奥氏体状态快速冷却,抑制其扩散性分解,在较低温度下(Ms)下发生M转变。所以加热到奥氏体化温度以上(所加热达到的温度越高,保温的时间越长,A话过程越彻底,形成经历越粗大会使得Ms升高,加快M转变,冷却时转变形成珠光体则变困难晶粒度对贝氏体影响不大)再者考虑淬火冷却过程,单纯油冷效果不明显的话可以考虑:1.双液淬火,先以冷却能力强的淬火介质快速冷却到Ms点附近,避免过冷A发生P转变和B转变(珠光,贝氏体)然后转入冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却2.分级淬火,A状态的工件先放入高于改钢点Ms的热浴中停留一段时间,待工件各部分温度稳定和热浴一样了取出空冷一家之言仅供参考~内容来自www.07swz.com请勿采集。

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