第4章-马氏体转变.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 钢的马氏体转变,钢的主要强化手段,产生,M,相变的工艺淬火,M,相变的定义：凡是相变的基本特征属于切变共格型相变都称为,M,相变，产物称,M,，,铜、钛合金中也存在,M,相变,钢的,M,定义,成分、热处理影响,M,形态、亚结构,1,马氏体转变的晶体结构和特点,一、晶体结构,1,、晶胞,C,可能所处的位置及分布：,面心、棱边中点，即扁八面体中心,分布不均匀,80%,位于,Z,轴扁八面体中心,wc,%0.2%,体心正方,正方度,c/a,：,C%,高,c/a,大（线性关系,4-1,公式）,2,、晶格常数,C%,晶体结构,1.4,Bcp,(,体心斜方,),3,、反常正方度,反常正方度：,M,转变时，,c/a,与,C%,的关系不符合,4-1,式,反常低,(,Mn,钢,),低温时,ab,（,正交），碳在,A,中部分无序分布，,c/a,低,室温时，碳在,A,中重新分布，有序度增加，,c/a,接近,4-1,公式。,反常高,(,高,Al,钢,),低温时，碳处于同一组空隙位置（完全有序状态）,c/a,高,室温时，温度回升，碳无序分布，,c/a,下降,二、马氏体转变的特点,1,、表面浮凸和切变共格,共格界面上的原子为,M,和,A,两相共有,Fe,原子协调切变，相邻,Fe,原子位置保持不变,切变推移小于一个原子间距,界面共格弹性应变能大,当弹性应变超过弹性极限共格关系破坏,M,长大停止,2,、无扩散性,-196,仍有,M,转变发生,在,A,与,M,中,C%,相同,速度极快,低碳钢,M,转变存在微量扩散特点，但以,Fe,的切变为主,3,、新,/,母相取向关系及惯习面,（,1,）取向关系,K-S,关系,X,射线极图测定,24,种可能取向，常见形式。,011,111,西山关系,12,种可能取向，一般工业用钢难见,Fe-Ni,合金及,-70,以下形成的,M,存在,011,111,G-T,关系（与,K-S,关系比较）：,011,111,差,1 ,差,2,K-S,关系,（,2,）惯习面（交界面、共格面）,基本不畸变和转动,以母相的晶面指数表示,与,C%,和形成温度有关,不同惯习面上形成的,M,形态不同,存在原因无法解释,Wc,%1.4%,259,Wc,%,居中,225,四、转变不完全性,M%,是温度的函数，,M,增加是新形成,M,的贡献，不需要孕育期,等温,M,相变有时也会出现，但只形成少量,M,残余,A,转变阻力大：低于,M,f,点转变仍然进行不彻底,改善措施冷处理,五、可逆性,加热可以使,M,按照原来的路径转变为母相的现象,有些,Fe,合金或非,Fe,合金中存在,钢中一般观察不到（因为加热分解），加热极快有可能,2,马氏体转变的切变模型,一、,Bain,模型,在,A,的八面体中心恰好存在,bcc,晶胞,压缩,A,的,Z,轴、拉长,X,和,Y,轴，晶体结构即为,M,的,bcc,与,K-S,关系相符合,C,所处的位置被继承,Fe,原子通过简单、小距离切变可以实现晶格改组,局限性：不能解释浮凸；惯习面；应变超过弹性范围,二、,K-S,模型,M（011）,三层M（011）,M,中三层,原子投影,第一次切变,第二次切变,切变过程,取向关系明确,转变前后相邻原子位置不变,局限性：,对,225,、,259,马氏体无法解释,浮凸与实际不符合,三、,G-T,模型,第一次切变：,接近,259,宏观变形,(,浮凸,),三菱结构（非,M,），,它与,M112,晶体结构相同,第二次切变,：,在,M112,面上,111,方向体心正方微观尺度、不均匀产生滑移或孪生,微调形成,M,结构,与实验结果一致，可以解释浮凸、取向、亚结构,C%1.4,的钢不适合,四、,K-N-V,模型,FCC,某些不全位错分解形成层错,（,六方点阵）核胚,M,在层,错,的二维核胚上形成,层错处的堆垛与,hcp,相同层错在相邻面上扩展和点阵微调,M,实验结果得到验证：,Cr-Ni,不锈钢；高,Mn,钢；,Fe-Ni-,Mn,钢,3,M,的组织形态,一、,M,的形态,1,、,板条,M,（,1,）,构成：,板条：,窄而细的单晶；基本单元；条,/,条之间小角度，平行成群分布；有残余,A,薄膜,束：,尺寸相近、平行、成群分布的板条群，它们的惯习面指数相同（,4,个方向对应于,4,个,111,）。,束,/,束之间大角度。,块：,在一个束中黑白相间的板条，有时不存在。惯习面指数、与母相取向关系相同的板条构成。块,/,块之间大角度。,（,2,）亚结构：位错，又称位错,M,（,3,）,晶体学取向：,K-S,（,4,）,惯习面：,111,、,225,（,5,）,形成温度高，又称高温,M,（,6,）,含碳,%,低，又称低碳,M,（,7,）,A,化温度（晶粒大小）对板条宽度影响不大；但对束尺寸有影响,（,8,）板条各自单独形核，随后长大合并,2,、片（针）状,M,形貌,：立体为透镜状、相互不平行，中间分布残余,A,。,形成时容易产生撞击，故韧性差。,亚结构：中脊孪晶（形成温度越低此区大）、边缘少量位错。又称孪晶,M,取向及惯习面：,K-S,；,259,、,225,形成温度低，又称低温,M,碳,%,高，又称高碳,M,3,、其他形态,M,蝶状,M,（,Fe-Ni,合金）,立体,V,型柱状，断面蝶状。两翼为取向不同的片状,M,，,两片之间呈孪晶关系。,片状,M,中是高密度位错,K-S,形成温度在上者之间,3,、其他形态,M,薄片,M,（,Ni,钢）,立体：薄片；平面：细带状，还有交叉、分枝等特征,无中脊,孪晶亚结构,K-S,；,259,3,、其他形态,M,马氏体,不锈钢、高,Mn,钢存在,极薄片状,A,层错能低容易形成,亚结构：大量层错,hcp,结构,111,有时与体心,M,共存，体心,M,在其,内部形成,小结（钢）,0.2,C%,bcc,位错,板条,0.20.6,C%,bct,位错,+,孪晶,板条,+,片状,0.61.0,C%,bct,孪晶,+,位错,板条,+,片状,1.01.4,C%,bct,孪晶,+,位错,片状,1.5C%,bct,孪晶,+,位错,凸透镜状,18-8,不锈钢,hcp,层错,薄片,二、,影响,M,形态及亚结构的因素,1,、成分：,C%,缩小,区的合金元素,板条,M,增加,降低层错能的合金元素,马氏体增加,2,、形成温度（,M,S,）,随温度降低,板条,M,减少,合金钢,M,S,低,板条,M,减少,3,、,A,的层错能,低,不容易形成孪晶,M,容易形成板条,M,4,、,A,与,M,的强度,Ms,点时,A,的屈服强度,206,MPa,强度高的片,M 259,4,马氏体转变的热力学,一、驱动力,1,、驱动力,2,、相变阻力,新相界面能,弹性应变能（维持共格）,宏观均匀切变功,形成亚结构功,相变时邻近,A,协作变形功,综上所述：相变过冷度大,3,、相变,热力学条件深度过冷,母相中缺陷的作用,可能提高母相的强度相变阻力,也可能是相变驱动力,外加应力相变阻力,二、,Ms,意义,M,相变所需要的最小过冷度对应的温度,降温形成,三、影响,Ms,的因素,1,、,A,的成分,碳：,氮：与碳相似,合金：,除,Co,、,Al,外，其余使,Ms,下降,以碳化物形式存在影响不大（比如过共析钢）,各种元素相互影响（经验公式）,2,、应力和塑性变形,拉,应力：,Ms,升高,应变诱发,M,：,M,d,M,s,之间塑性变形,Ms,升高,M,d,M,s,之间增加变形量诱发,M,，但,变形量过大抑制,M,原因：产生的晶体缺陷有利于,M,形核,变形诱发,M,，对,随后继续冷却,M,的转变有抑制,M,s,以下塑性变形影响同上,M,d,以上塑性变形不诱发，少量变形促进后面,M,转变。反之，阻碍,M,d,与,成分、工艺有关,3,、奥氏体化条件,成分均匀 母相强化,Ms,温度、时间,晶粒粗大、碳偏聚少 易切变,Ms,通常完全,A,化，温度升高、时间增加,Ms,略升高,成分一定时，,A,细晶,Ms,降低，但不明显,4,、先形成组织对,M,转变的影响,先,形成,P A,贫碳,Ms,升高,先形成,B A,富碳,Ms,降低,5,马氏体转变的动力学,一、形核（主导）,1,、热形核：可视为同素异构,形核率取决于形核功、核胚长大激活能（能垒）,局限性：不能解释,M,低温形成的原因,2,、缺陷形核：,非均匀形核：颗粒粉实验证实,形核位置：位错等晶体缺陷；夹杂；塑性变形区,3,、自促发形核：,先形成,M,尖端,A,形成位错,可以促使周围,M,转变（此区域这时的温度,Ms,时自发形成,M,（,只存在于表面）,其形态、晶体学与内部形成的,M,不同,等温形成、长大较慢,西山关系、惯习面,111,或,112,条状,形态,原因：表面不受三向压应力,Ms,高于内部,对研究,M,转变有干扰,6,马氏体的机械性能,一、硬度和强度,1,、硬度：,M,中的,C%,硬度,2,、强度高,C%,增加强度升高,强化机理：,固溶强化：碳作用大，,0.4,C%,以上效果；合金作用小,亚结构强化：低,C C,钉扎位错；高,C,孪晶阻碍位错运动,时效强化：低碳钢自回火,C,偏聚或析出引起，,C%,高,效果显著,细晶强化：作用不显著,二、塑性和韧性,C%,增加塑性、韧性降低,位错,M,高塑性、韧性,容易变形,板条相互不碰撞,孪晶,M,塑性、韧性差,滑移系少,显微裂纹,隐晶,M,混合,M,比例对性能影响,三、相变诱发塑性,M,相变过程中塑性增加的现象,原因：,应变诱发,M,相变加工硬化均匀变形,塑性变形发生在应力集中处应变诱发,M,应力松弛开裂和扩展倾向小,M,在,A,缺陷处形核,A,应力松弛贡献塑性,不是所有应变诱发,M,钢都有,以上作用，,A,R,%,在,3040%,的钢效果明显,7,奥氏体的稳定化,一、现象及产生条件,现象：,Ms,下降；残余,A%,增加,产生条件：,冷却过程中，在,Ms,点上、下某温度：,停留,缓冷,一定的塑性变形,二、分类（按稳定性质分）,A,热稳定化：淬火时缓冷或停留,A,机械稳定化：,M,d,点以上,+,大量塑性变形,实际：二者相互影响，综合作用。停留温度低热稳定化作用小。,三、,A,热稳定化,实验：,20,时停留时间,Ms,滞后温度增加、,M%,减少,度量：,滞后温度,残余,A%,增值,影响因素：,停留温度高明显，高于某温度反稳定化,停留时间增加明显,C%,增加明显,冷却速度增加稳定化不明显,原因：,柯氏气团钉扎位错强化,A,C,、,N,钉扎位错面阻碍,M,核坯长大,无法解释无间隙原子合金的稳定化现象,四、,A,的机械稳定化,M,d,点以上,+,大量塑性变形抑制,M,转变,M,d,点以下,+,少量塑性变形诱发,M,转变,形变温度越高变形,%,对稳定化影响越小,原因：,小变形层错、晶界、位错网、胞状结构增加,大变形,A,中高位错密度、亚晶母相强化,M,转变形成压应力,A,稳定化。,M%,多明显,五、应用,1,、减少淬火变形增加残余,A,Ms,以上分级淬火,Ms,以上等温淬火,提高淬火温度降低,Ms,2,、,提高硬度、耐磨性减少残余,A,简单零件快冷,复杂零件在,M s,附近短时分级淬火（,A,稳定化影响小）,冷处理,回火冷却时,A,转变为,M,3,、保证尺寸稳定性减少残余,A,精密零件、工具低于回火温度加热（时效）,A,稳定化,4,、提高强韧性控制残余,A,A,稳定性好的材料受力不容易诱发,M,提高韧性,A,稳定性差的材料受力容易诱发,M,提高强度,8,热弹性马氏体与形状记忆效应,一、热弹性,M,M,随温度升降而消长，形状变化由母相协调,特点,相变引起的变形是弹性的,可逆,界面共格,形成条件,两相比容差小弹性范围维持共格,母相点阵结构具有有序化特征规律完全可逆,母相弹性极限非常高共格容易保持、不破坏,二、热弹性,M,的伪弹性,定义：应力周期变化非线性弹性变形,过程,：,Ms,Md,应力诱发,M,同取向宏观变形,大范围变形,又称超弹性,与前者相比，引起变形的因素是应力,三、形状记忆效应,现象：,M,下塑性变形加热恢复原母相,A,形状再冷却回到原,M,塑性变形后形状,单程记忆,新相,M,状态变形（伪弹性）加热,Af,（,可逆转变）再冷却对,M,无记忆效应,双程记忆,原理,自协作效应,一般,M,多种取向多方向宏观变形形状不变（自协作效应）,特殊结构,M,应力作用孪晶推移某取向,M,长大（择优取向）出现宏观形状变化卸载、加温可逆变形（伪弹性）,单程记忆原理,双程记忆原理,母相转变,M,时加应力（多次训练）母相形成择优取向晶体缺陷,温度变化产生的热弹性,M,不产生自协作效应,形状记忆合金具备的条件,母相具有热弹性,M,转变维持共格,母相孪晶或层错亚结构择优取向,母相具有有序化结构维持特定取向,应用,宇航天线,（,Ni-Ti,）,母相天线形状冷却,M,（,软、团状,）,飞机液压管路接头紧固件,液氮,M,下扩孔装配室温收缩正常孔径,医疗智能关节,热敏装置温控开关,小结及作业,钢的马氏体是碳在,-Fe,中的过饱和固溶体。正方度增加，晶格畸变严重。,马氏体相变是切变；无扩散相变；转变速度极快；转变具有不彻底性。,Ms,主要与材料成分有关，通常碳,%,越高，其值越低。马氏体的性能与其形貌关系密切，低碳,M,形貌为板条状、强韧性好；高碳,M,硬度高，但韧性差。,C%,超过,0.4%,，残余,A%,明显增加，材料的耐磨性下降。冷却速度较慢、冷却过程停留或合金含量高时，残余,A%,含量增加。,作业：,Page 115,：,2,、,4,、,5,、,8,、,9,返回,返回,薄片,M,蝶状,M,返回,返回,马氏体,返回,返回,返回,返回,返回,