第5章--马氏体相变复习过程.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5章-马氏体相变,钢中马氏体：,C,原子在,-Fe,中形成的过饱和固溶体。,马氏体定义：凡相变的基本特性属于马氏体型的转变产物都称为马氏体。,形成条件：淬火。,淬火：将钢加热到,A,c3,或,A,c1,以上，保温后以大于,临界冷却速度,的速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体的热处理工艺。,马氏体转变的临界冷却速度：抑制所有非马氏体转变的最小冷却速度。,马氏体的力学性能：高硬度、高强度。,C1.0%,时为片状马氏体；,第一节 马氏体相变的主要特征,一、切变共格和表面浮突现象,M,相变过程中，在被抛光的试样表面上出现倾动或表面浮凸，说明,M,相变是通过奥氏体,均匀切变,方式进行的，,M,和,A,之间的界面称为,切变共格界面。,结 论：,M,相变是通过原子的协调运动使晶体结构发生变化的相变。,马氏体形成是以切变方式实现的，马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，整个界面是互相牵制的，且是以,母相切变,来维持共格的。,表面浮凸：由相变过程中均匀应变而导致的形状改变,，,是切变位移的特征。,相界面：在相变中未发生转动，将此不应变平面称之为,M,相变的,惯习面,(habit plan),，,说明,M,相的产生是通过母相的切变而获得的。,亚结构：位错、孪晶、层错等，是,M,相变时局部切变的产物。,二、马氏体相变的无扩散性,在较低温度下，碳原子和合金元素的原子扩散已很困难，马氏体相变是在原子基本不发生扩散的情况下发生的，原子之间的相对位移不超过一个原子间距。,无扩散型相变,所有参与转变的原子的运动是协调一致的，原有原子的邻居关系不被破坏。,结构,：晶体点阵发生改组。,条件,：低温下，原子已不能扩散。,特点,：新相和母相的化学成分相同；新相和母相间有一定的晶体学位相关系。,马氏体相变无扩散的原因：,C,原子在,-Fe,中形成的过饱和固溶体，体心正方结构，正方度随碳含量增加而线性增大。,Fe-C,合金中，,A,和,M,中碳原子相对铁原子的间隙位置没变。,Fe-C,合金中，在,-20-195C,之间，每片,M,的形成时间约为：,0.55,10,-7,s,。,转变结果：降低了系统能量，形成低温亚稳定相。,形成条件：冷却速度大到能避免扩散型相变，所有金属及合金的高温相均可发生,M,相变。,马氏体相变时，新相和母相界面始终保持着切变共格，相变后两相之间的,位向关系,仍然保持；,K,S,关系：,1.4%C,钢中马氏体和奥氏体之间的位向关系，,111,/110,，,110,/111,可见：,M,在,A,中可能有,24,种不同的取向。,西山关系：,111,/110,，,112,/110,三、有一定的位向关系和惯习面,(110),钢中马氏体的惯习面随碳含量和形成温度的不同而异，有,111,、,225,、,259,。,惯习面是无畸变不转动的平面。,四、在一个温度范围内完成相变,当奥氏体过冷到马氏体,相变开始点,Ms,点以下时，马氏体即刻开始转变，且转变速度极快，但需继续降温，否则转变停止。,马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关。,当,A,过冷到马氏体相变终了点,M,f,以下时，马氏体停止转变，此时未转变的奥氏体称为,残余奥氏体,。,马氏体转变的不彻底性。,Ms,点低于室温时淬火得,A,冷处理：若,Ms,点高于室温，,Mf,点低于室温，须冷却到室温以下，,A,M,五、马氏体转变有可逆性,逆相变：加热时马氏体向奥氏体的相变。,A,s,：马氏体逆转变开始点，马氏体和奥氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。,六、亚结构,相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶（高碳,M,）、位错（低碳,M,）、层错。,马氏体相变的判据：,1,、相变以切变共格方式进行,2,、相变的无扩散性,3,、相变伴生极高密度的晶体缺陷：孪晶、位错、层错,马氏体定义：,马氏体是原子经无需扩散切变位移的晶格改组过程、得到具有严格晶体学位向关系和惯习面的、形成相中伴生极高密度晶体缺陷的组织。,第,2,节 马氏体相变热力学,一、马氏体相变热力学条件,相变驱动力,：新相与母相的自由能之差，由过冷提供。,T,o,：两相热力学平衡温度。,相变的阻力,：新相形成时的界面能和应变能。切变和晶体缺陷等均使马氏体相变阻力增大。,M,s,点,：奥氏体和马氏体两相自由能差达到相变所需最小驱动力值时的温度。,T,o,一定时，,M,s,点越低，相变所需的驱动力越大。,G,=S(T,0,-M,S,),A,s,点：马氏体和奥氏体两相自由能差达到,逆相变,所需最小驱动力值时的温度。,G,=S(A,S,-T,0,),T,o,、,M,s,、,A,s,与合金成分的关系如图。,M,s,、,A,s,之间的温度差因引入塑性变形而减小，使,M,s,点上升到,M,d,、使,A,s,点下降到,A,d,M,d,和,A,d,分别称为形变诱发马氏体相变开始点和形变诱发奥氏体相变开始点。,M,d,和,A,d,的上下限为,T,0,Md,Ad,当温度为,M,s,时，相变的化学驱动力刚好使马氏体发生相变；,形变所提供的能量为机械驱动力；,引入形变使,M,s,提高到,T,1,但小于,T,0,结论：对奥氏体进行塑性变性可诱发马氏体相变。,塑性变形诱发马氏体相变的原因,二、影响钢中,M,s,点的主要因素,1,、化学成分的影响,M,s,点主要取决于钢的化学成分。,碳含量的影响最显著，随钢中碳含量的增加，,M,s,点和,M,f,点的变化并不完全一致。,N,和,C,一样在钢中形成间隙固溶体，对,相均有固溶强化作用，所以使马氏体相变阻力增大，且,C,、,N,还是稳定相的元素，所以,强烈地降低,M,s,点。,钢中常见的合金元素只有,Al,、,Co,使,M,s,点升高，其余均使,M,s,点降低。,合金元素对,M,s,点的影响主要取决于它们对平衡温度的影响以及对奥氏体的强化作用。,凡是剧烈降低,T,o,温度及强化奥氏体的元素均剧烈地降低,M,s,点。,在,MdMs,之间进行塑性变形时会,诱发,马氏体相变，在,Ms Mf,之间进行塑性变形时会,促进,马氏体相变。,马氏体相变时产生体积膨胀，故,多向压应力,阻止马氏体的形成，降低,M,s,点；,拉,应力,或,单向压应力,有利于马氏体形成，使,M,s,点升高。,2,、形变与应力的影响,Md,Ad,3,、奥氏体化条件的影响,完全奥氏体化时，提高加热温度和延长保温时间，一方面有利于碳及合金元素溶入奥氏体使,M,s,点下降，另一方面又引起奥氏体晶粒长大，相变阻力减小使,M,s,点升高，综合作用结果将使,M,s,点有所升高；,不完全奥氏体化时，提高加热温度和延长保温时间使,M,s,下降；,晶粒细化，则切变阻力增大，也使,M,s,下降。,如图：在淬火速度较低或较高时，出现,M,s,点保持恒定的台阶，在两种淬火速度之间，,M,s,随淬火速度的增大而升高。,4,、淬火冷却速度的影响,5,、磁场的影响,钢在磁场中淬火冷却时将诱发马氏体相变，但马氏体最终转变量不发生变化。,外加磁场使马氏体的自由能降低，实际上是用磁能补偿了一部分化学驱动力。,第三节 马氏体相变晶体学的经典模型,马氏体相变仍是一个,形核,和,核长大,的过程。,马氏体的形核：,由于能量起伏和结构起伏，在奥氏体的晶体缺陷处存在具有马氏体结构的微区,核胚。,奥氏体被过冷到某一温度时，尺寸大于,该温度下,临界晶核的核胚将成为晶核，长成一片马氏体。,只有进一步降温才能使更小的核胚成为晶核而长大。即马氏体,瞬时形核、瞬时长大。,在等温时，某些尺寸小的核胚也有可能通过热激活长大到临界尺寸，即,等温形核，瞬时长大,。,第四节 钢中马氏体的晶体结构,马氏体点阵常数和碳含量的关系,如图,钢中的马氏体是碳在,Fe,中的过饱和固溶体，具有体心,正,方点阵。,随碳含量增大，正方度增大。,低碳钢,淬火马氏体具有体心立方结构,马氏体的点阵结构及其畸变,碳原子在马氏体点阵中的可能位置如图：,碳在,Fe,中的含量远远超过了其溶解度，所以引起点阵畸变，使体心立方点阵变成体心正方点阵。,第五节 马氏体相变动力学,马氏体相变速度：取决于形核率和长大速度,1,、,降温瞬时形核、瞬时长大,：,(,碳钢、低合金钢,),当奥氏体过冷到,Ms,点以下时，能形核的晶核瞬时形成，瞬时长大。需不断降温，晶核才能不断形成，形核速度极快。,马氏体相变驱动力很大，原子近程迁移所需的激活能极小，所以形核后长大速度极快。,10,-4,10,-7,S,马氏体晶粒长大到一定尺寸就不再长大，随温度降低，马氏体继续形核、长大。,结论：,降温瞬时形核、瞬时长大,的,马氏体相变速度仅取决于由冷却速度所决定的形核率，与长大速度无关；,马氏体转变量仅取决于冷却时所达到的温度，与该温度下的停留时间无关；,是碳钢和低合金钢马氏体相变的类型；,当,Ms,点高于,100,C,，则在,Ms,点以下的相变过程相似,。,2,、等温形核、瞬时长大,晶核形成过程,：,等温过程中，某些尺寸小于该温度下临界晶核尺寸的核胚有可能通过热激活而长大到临界尺寸。,相变特点,：,马氏体晶核可等温形成；,晶核形成有孕育期；,形核率随过冷度增大而先增后减；,马氏体晶核形成后长大速度极快，且长大到一定尺寸后也不再长大，所以转变量取决于形核率，与长大速度无关；,马氏体的转变量随等温时间的延长而增加；,马氏体,等温转变,动力学,“,C,”,曲线，随合金元素含量增加右移。形核率随过冷度增大而先增后减；相变速度随时间延长而先增后减、随等温温度降低也先增后减。形核后长大速度极快，且只长大到一定尺寸。,时间,等温马氏体相变的特点：,相变不能进行到底，只有部分奥氏体可以等温转变为马氏体，需增大过冷度才能继续进行。,等温马氏体相变可以被快速冷却所抑制。,等温马氏体的形成，可以是原有马氏体片等温继续长大，也可以从奥氏体中重新形核长大。,3,、自触发形核、瞬时长大,Md,：爆发转变温度；,相变突然发生，伴有响声，放出相变潜热使试样温度升高；,一片,M,形成时，其尖端应力可使另一片马氏体形核和长大；,转变量可达,70%,，继续降温才能继续转变，但转变量减小；,马氏体,长大速度,极快，且与温度无关；,细晶粒合金爆发转变量较小。,上述三种相变的差别：,形核和形核率,4,、表面马氏体相变,条件：稍高于,Ms,点等温，在试样表面形成,M,；,原因：表面形成马氏体时可以不受三向压应力的阻碍，所以表面的相变开始点较高；,形核过程也需要孕育期，但长大速度极慢。,小 结,1,）,降温瞬时形核、瞬时长大,是变温马氏体相变，如碳钢、低合金钢；,2,）,等温形核、瞬时长大,是等温马氏体相变，如某些高碳钢、高合金钢,3,）,自触发形核、瞬时长大,是爆发型马氏体相变，如,Fe-Ni-C,合金。,钢的成分、晶粒粗细、热处理条件不同,马氏体的组织形态、晶体结构、亚结构不同,钢的组织、性能不同,一、板条状,(,位错型,),马氏体,常见于：低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢等,亚结构：高密度的,位错,第六节 钢及铁合金中马氏体的组织形态,显微组织,：,条状排列分布，相邻的马氏体条大致平行，位向差较小，,平行的马氏体条组成一个,板条群,一个奥氏体晶粒内可以形成几个板条群。,20,钢淬火,板条状马氏体由若干,2035,m,、位向大致平行的板条群组成,(A),一个板条群可分成几个呈大角晶界的平行的区域,同位向束,(B),一个板条群也可只由一种同位向束组成,(C),每个同位向束由若干个平行板条所组成,(D),每一个板条为一个马氏体单晶体，,0.5,5.0,20,m,马氏体板条具有平直界面，界面平行于奥氏体的,111,-,惯习面,相同惯习面的,M,板条平行排列构成马氏体板条群,马氏体板条多被连续的高度变形,残余,A,薄膜,隔开,一个奥氏体晶粒内可有,35,个板条群,相邻马氏体板条一般以,小角晶界,相间,同位向束之间呈,大角晶界,.,M,板条内具有,高密度位错,板条状,M,的纤维组织构成随钢的成分而变化，随碳含量升高，板条状马氏体组织的同位向束趋于消失,一个,A,晶粒内生成的,M,板条群的数量、板条宽度基本不变，但大小随奥氏体晶粒变化,淬火时,加速冷却,有细化板条状马氏体组织的作用,二、片状马氏体,常见于淬火高、中碳钢及高镍合金钢中,.,显微组织呈双凸,透镜,片状，且马氏体片间不平行,片状马氏体的亚结构主要为,孪晶,特征：,M,片间不平行,先形成的第一片,M,贯穿整个,A,晶粒，因此片状,M,的大小不一。,有明显的,中脊,片状,M,的亚结构主要是,孪晶,亚结构可分为：,以中脊为中心的相变孪晶区、无孪晶区，随,Ms,点降低，孪晶区增大,惯习面,:225,、,259,T12,钢淬火,45,钢淬火,蝶状马氏体,Fe-Ni,、,Fe-Ni-C,形成条件：在板条状和片状马氏体的形成温度范围之间的温度区域形成,亚结构为高密度位错，无孪晶存在,惯习面：,225,形成温度：,-30,度,薄片状马氏体,在,Ms,点极低的,Fe-Ni-C,合金中形成,内部亚结构是,孪晶,形成温度：,-150,度以下,-,马氏体,具有密排六方点阵结构,极薄的片状,亚结构为高密度,层错,18-8,不锈钢、,Fe-Mn,合金钢,三、影响马氏体形态及其内部亚结构的因素,1,、化学成分,奥氏体的含碳量是主要影响因素,Fe-C,合金中，,C1.0%,时为片状马氏体，之间为混合组织。,合金元素中，凡能,缩小,相区的合金元素均能促使得到板条状马氏体，反之得到片状马氏体。,能显著降低马氏体层错能的合金元素将促使转化为马氏体。,2,、马氏体的形成温度,随形成温度降低，马氏体的形状按照板条状,混合,片状,薄片状的顺序转化；亚结构由位错逐步转化为孪晶。,由于马氏体相变是在一定的温度范围内进行的，所以可能转变为几种不同形态的马氏体。,3,、奥氏体的层错能,奥氏体的层错能低时，易于形成,马氏体或位错型马氏体,.,4,、奥氏体与马氏体的强度,在,Ms,点处，当奥氏体的屈服强度小于,200MPa,时，形成的低强度马氏体为板条状，高强度马氏体为片状；当奥氏体的屈服强度大于,200MPa,时，形成的马氏体为强度较高的片状。,5,、滑移和孪生变形的临界分切应力的大小,马氏体内部的亚结构取决于相变时的变形方式是滑移变形还是孪生变形,合金成分和温度决定临界分切应力的大小，,所以滑移变形和孪生变形的临界分切应力的大小是控制马氏体亚结构及其形态的因素,碳含量,%,晶体结构,位向关系,惯习面,Ms,点,M,形态,亚结构,350,板条状,位错,0.31.0,体心正方,K-S,关系,板,(111)r,针,(225)r,350,200,混合,M,位错,孪晶,1.01.4,体心正方,K-S,关系,(225)r,200,片状,M,位错,孪晶,1.41.8,体心正方,西山关系,(259)r,0.4%,时，碳原子可通过时效强化使马氏体强度升高，,时效强化由碳原子扩散偏聚钉扎位错引起。,Ms,点高于室温的钢，在淬火过程中伴随着自回火现象。,3,、时效强化：,淬火形成的马氏体在室温下通过碳原子的扩散，产生碳原子,偏聚,和,析出,，从而产生的强化现象。,4,、,形变强化：,马氏体在外力作用下因塑性变形而产生的加工硬化现象,碳含量越高，加工硬化率越高,5,、孪晶对马氏体强度的贡献,C0.3%,的马氏体，除了碳原子的固溶强化以外，还附加了孪晶对强度的贡献。,孪晶使有效滑移系减少，引起强化。,6,、原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响,原始奥氏体晶粒越细小，板条马氏体束越小，则马氏体的强度越高,-,细晶强化,；但提高不大。,当奥氏体晶粒细化到,15,级以上时，才能明显的提高马氏体的强度。,小 结,：,1,）,Fe-C,合金马氏体的强化主要靠其中的,C,原子的固溶强化作用；,2,）淬火过程中伴随马氏体的时效（自回火）有显著的强化作用；,3,）马氏体的相变强化可使屈服强度提高一倍多,4,）随马氏体中碳和合金元素含量的增加，孪晶亚结构将有附加的强化作用。,结 论：马氏体的强度主要取决于它的含碳量,二、马氏体的韧性,低碳,位错型,马氏体具有良好的韧性、较高的强度、较低的脆性转折温度和缺口敏感性；,高碳,孪晶型,马氏体具有高的强度，但韧性很差；,结论：马氏体的,强度,主要取决于它的,含碳量,，,马氏体的,韧性,主要取决于它的,亚结构,；,马氏体的强韧化途径：,以各种途径强化马氏体，使其亚结构仍然保持,位错型,。,马氏体的形态和,Ms,点直接有关，,Ms,点越高，马氏体的韧性和塑性越好。,三、马氏体的相变诱发塑性,相变诱发塑性：金属及合金在,M,相变,过程中塑性增大，往往在低于母相屈服极限的条件下即发生了塑性变形的现象,发生在高强度亚稳,A,中,图中,A,的屈服强度为,137MPa,马氏体相变诱发的塑性可以显著提高钢的韧性,马氏体相变诱发塑性的原因：,马氏体形成可减小塑性变形引起的应力集中，可防止裂纹的形成和抑制裂纹扩展,发生塑性变形的区域，有马氏体的形变强化作用，使已变形的区域难以继续变形，可抑制颈缩现象。,应 用：,Md20,CMs,的钢，具有高的强度和塑性,第九节 马氏体可逆转变和形状记忆效应,马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相的转变称为,逆转变,或,反相变,；,已发现具有可逆马氏体转变的合金有：,Fe-Ni,，,Fe-Mn,，,Au-Cd,，,Cu-Al,，,Cu-Au,，,Ni-Ti,等,一、马氏体的逆转变,Fe-Ni,合金：,As,比,Ms,高,420,C,，,Ms=-30,C,，,马氏体相变驱动力很大,Au-Cd,合金：,As,比,Ms,高,16,C,，,Ms=58,C,，马氏体相变的驱动力很小，马氏体核胚突然形成并迅速长大到一定尺寸。,如果相变驱动力不足以克服使一片马氏体充分成长时所需的,弹性变形能,及其他的能量消耗时，马氏体片在未长大到其极限尺寸之前就会停止长大，共格关系不被破坏，当温度继续降低时，马氏体随之长大。,Au-Cd,合金中，在马氏体片形成之后，由于新相和母相的比容不同，在新相和母相之间产生的弹性变形随着马氏体片的长大而增大,，在一定温度下，,当弹性应变能和共格界面能与相变的化学驱动力相等时，新相和母相即达到了一种,热弹性,平衡状态，这时相变会自然停止。,因形变未超过弹性极限，若继续降温，马氏体片又继续长大；当温度升高时，马氏体片又会缩小，称这种马氏体为,热弹性马氏体,。,热弹性马氏体相界面推移很快，并能够,和降温同步,二、热弹性马氏体,马氏体相变为热弹性的重要条件是：,在相变的全过程中，新相和母相必须,始终维持共格，,所以相变时应具有较小的体积变化、较小的形状应变切应力，母相具有高的弹性。,较小的相变驱动力。,相变应是,完全可逆,的，即逆相变可以恢复到母相原来的点阵结构和原来的位向，所以要求晶体为有序点阵结构。,三、伪弹性,具有热弹性马氏体相变的合金，在,Ms,点以上，,Md,点以下施加应力，会诱发马氏体相变，并产生宏观应变；当应力减少或撤销时，立即发生逆转变，同时宏观应变消失，这种现象称为,伪弹性,。,若应力诱发马氏体相变的逆转变滞后，当外加应力降低到零时，不能完全逆转变，则剩余的马氏体可通过加热使其发生逆转变，同时宏观应变继续恢复。,四、形状记忆效应,形状记忆效应：,将完全或部分马氏体相变的试样加热到,A,f,点以上时，则其恢复到原来母相状态下所给予的形状。被记忆住的只是母相。,即：一定形状的合金在某种条件下经任意塑性变形，然后加热到该种材料固有的某一临界点以上时，又完全恢复其原来的形状的现象。,大多数形状记忆合金，由应力诱发相变所产生的塑性应变，部分以伪弹性恢复，部分在形状记忆阶段恢复。,具有热弹性马氏体可逆转变的合金中，马氏体内部的变形方式一般为,孪生,(,即非滑移变形）,变形，这种界面的反向移动容易导致原来位向的完全恢复，所以产生记忆效应。,记忆材料的三个条件：,必须是热弹性的马氏体,马氏体的塑性变形方式为孪生,奥氏体与马氏体必须都是有序点阵,该合金的特点：母相时很硬，马氏体时很软。,记忆材料的用途：,宇宙飞船的,形状记忆合金,天线,形状记忆合金,结构件,形状记忆合金人工心脏,热敏装置和安全装置：火灾报警器、记忆铆钉等,应用举例：,1970,年，美国将,Ti-Ni,记忆合金制成宇宙飞船天线,步骤：,在母相状态下制成一定形状,使温度下降，发生马氏体相变,发射时天线在马氏体状态下折叠成很小的形状，放到宇宙飞船的某一小空间,当飞船到达一定位置后，天线受太阳光的热而伴随着马氏体的逆转变，形状渐渐完全恢复到原来的形状,要求：天线的使用温度应高于记忆效应的发生温度，可通过调整合金的化学成分来满足要求。,思考题：,1.,简述马氏体相变的几种类型,2.,简述板条状马氏体、片状马氏体的组织形态，影响二者形态及其亚结构的因素？,3.,简述影响,M,s,点的主要因素,4.,简述马氏体相变的主要特征,5.,何谓钢中奥氏体热稳定化现象？何谓反稳定化？,6.,简述马氏体具有高硬度、高强度的原因,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,