n 马氏体马氏体-碳在碳在-Fe 中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。n 成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。成分与母相奥氏体相同，为一种亚稳相。n 碳碳原原子子位位于于-Fe的的bcc扁扁八八面面体体间间隙隙中中心心，即点阵各棱边中央和面心位置。即点阵各棱边中央和面心位置。n 体心正方点阵体心正方点阵 bct - 马氏体。马氏体。第第4 4章章 马氏体相变马氏体相变4.1 马氏体的晶体结构马氏体的晶体结构1图图4-1 a) 奥氏体的正八面体间隙奥氏体的正八面体间隙 b)马氏体的扁八面体间隙马氏体的扁八面体间隙2n 马氏体点阵常数和碳含量的关系马氏体点阵常数和碳含量的关系c、a、及、及 正方度正方度 c/a 与钢中碳含量成线性关系：与钢中碳含量成线性关系： c = a0 + P a = a0 - P （4-1） c/a = 1 + P 其中：其中： a0 = 2.861 （-Fe点点阵阵常数）常数） 、 为为常数常数 P - 马马氏体的含碳量（氏体的含碳量（wt%）3图图4-2 点阵常数与碳含量的关系点阵常数与碳含量的关系4 c/a = 1 + 0.046 P （4-2）n 碳原子在马氏体点阵中的分布：碳原子在马氏体点阵中的分布：碳碳原原子子发发生生有有序序分分布布，80%优优先先占占据据c轴轴方方向向的的八八面面体体间间隙隙位位置置，20%占占据据其其它它两两个个方方向向的的八八面面体体间间隙隙位位置置，此此时时出出现现（4-2）式式的的正正方度。方度。n 马氏体的正方度5（1）马氏体相变的无扩散性）马氏体相变的无扩散性n 钢钢中中马马氏氏体体相相变变时时无无成成分分变变化化，仅仅发发生生点点阵改组。阵改组。n 可可以以在在很很低低的的温温度度范范围围内内进进行行，并并且且相相变变速度极快。速度极快。n 原原子子以以切切变变方方式式移移动动，相相邻邻原原子子的的相相对对位位移不超过原子间距，近邻关系不变。移不超过原子间距，近邻关系不变。4.2 马氏体相变的主要特征马氏体相变的主要特征6图图4-3 马氏体形成时引起的表面倾动马氏体形成时引起的表面倾动 表面浮凸现象表面浮凸现象倾动面倾动面（2）表面浮凸现象和不变平面应变7图图4-4 直线划痕的变形情况直线划痕的变形情况 （a）实验结果）实验结果 （b）在界面处失去共格）在界面处失去共格 （c）划痕扭曲）划痕扭曲8 马马氏氏体体往往往往在在母母相相的的一一定定晶晶面面上上开开始始形形成成，这这一一定定的的晶晶面面即即称称为为惯惯习习面面。马马氏氏体体和和母母相相的的相相界界面，中脊面都可能成为惯习面。面，中脊面都可能成为惯习面。 钢钢 中中 ： 0.5%C， 惯惯 习习 面面 为为 111， 0.51.4%C，为为225，1.51.8%C，为，为259。 直直线线划划痕痕在在倾倾动动面面处处改改变变方方向向，但但仍仍保保持持连连续续，且且不不发发生生扭扭曲曲。说说明明马马氏氏体体与与母母相相保保持持切切变变共共格格，惯惯习习面面未未经经宏宏观观可可测测的的应应变变和和转转动动，即即惯惯习习面面为为不变平面不变平面。 惯习面和不变平面9 倾动面一直保持为平面。倾动面一直保持为平面。 发发生生马马氏氏体体相相变变时时，虽虽发发生生了了变变形形，但但原原来来母母相相中中的的任任一一直直线线仍仍为为直直线线，任任一一平平面面仍仍为平面，这种变形即为均匀切变。为平面，这种变形即为均匀切变。 造造成成均均匀匀切切变变且且惯惯习习面面为为不不变变平平面面的的应应变变即为不变平面应变。即为不变平面应变。 不变平面应变 10不变平面不变平面图图4-5 三种不变平面应变三种不变平面应变 a）膨胀）膨胀 b）孪生时的切变）孪生时的切变 c）马氏体相变时）马氏体相变时-切变切变 + 膨胀膨胀11n 相变以共格切变方式进行所至。相变以共格切变方式进行所至。 K-S 关系：关系： 111110M ; M n由由于于3个个奥奥氏氏体体方方向向上上(每每个个方方向向上上有有2种种马马氏氏体体取取向向)可可能能有有6种种不不同同的的马马氏氏体体取取向向,而而奥奥氏氏体体的的 111 晶晶面面族族中中又又有有4种种晶晶面面，从而马氏体共有从而马氏体共有24种取向种取向（变体）。（变体）。（3）马氏体和奥氏体具有一定的位向关系12 111110M ; M n 按按西西山山关关系系，在在每每个个111面面上上，马马氏氏体体可可能能有有3种种取取向向，故故马马氏氏体体共共有有12种种取取 向向（变体）。（变体）。 西山关系：西山关系：13 G-T关系：关系： 和和 K-S关系略有偏差关系略有偏差 111110M 差差10 M 差差20 K-S关系和西山关系的比较：关系和西山关系的比较： 晶面关系相同，只是晶面内的方向相差晶面关系相同，只是晶面内的方向相差 5016。14图图4-10 转变量转变量-时间关系时间关系 （4）马氏体相变的变温性）马氏体相变的变温性MS-马氏体相变开始点。马氏体相变开始点。Mf -马氏体相变终了点。马氏体相变终了点。n MS 点点以以下下，无无需需孕孕育育，转转变变立立即即开开始始，且且以以极极大大速速度度进进行行，但但很很快快停停止止，不不能能进进行行到到终终了了，需需进进一一步降温。步降温。15图图4-11 转变量转变量-温度关系温度关系n 在在Mf点点以以下下，虽虽然然 转转 变变 量量 未未 达达 到到100%，但但转转变变已已不不能进行。能进行。n 如如Mf点点低低于于室室温温，则则淬淬火火到到室室温温将将保保留留相相当当数数量量的的未未转转变变奥奥氏氏体体，称称为为残残余奥氏体。余奥氏体。16n A M Ms , Mf ; As , Af ; As Ms n 钢中中马氏氏体体加加热时，容容易易发生生回回火火分分解解， 从从马氏体中析出碳化物。氏体中析出碳化物。n Fe-0.8%C钢以以5000/S快快速速加加热，抑抑制制回回火火转变，则在在590600发生逆生逆转变。（5）马氏体相变的可逆性174.3.1 板条马氏体板条马氏体n 在在低低、中中碳碳钢钢，马马氏氏体体时时效效钢钢中中出出现现，形成温度较高。形成温度较高。n 基基本本单单元元板板条条为为一一个个单晶体。个个单晶体。图图4-12 板条马氏体示意图板条马氏体示意图4.3 马氏体的形态及其亚结构18 许许多多相相互互平平行行的的板板条条组组成成一一个个板板条条束束，它它们们具具有相同的惯习面。有相同的惯习面。 板板条条马马氏氏体体的的惯惯习习面面为为111，位位向向关关系系为为K-S关关系系。由由于于有有四四个个不不同同的的111面面，所所以以一一个个奥奥氏体晶粒内可能形成四种氏体晶粒内可能形成四种马氏体板条束马氏体板条束。 每每个个惯惯习习面面上上可可能能有有六六种种不不同同的的取取向向，板板条条束束内内具具有有相相同同取取向向的的小小块块称称为为板板条条块块，常常常常呈呈现现为为黑白相间的块。黑白相间的块。19 板板条条马马氏氏体体的的亚亚结结构构为为高高密密度度位位错错，所所以以板板条马氏体也称为位错马氏体条马氏体也称为位错马氏体 。 不不呈呈孪孪晶晶关关系系的的板板条条间间存存在在一一层层残残余余奥奥氏氏体体薄薄膜膜，这这种种微微量量的的残残余余奥奥氏氏体体对对板板条条马马氏氏体体的的韧性贡献很大。韧性贡献很大。 呈呈孪孪晶晶关关系系的的板板条条间间就就不不存存在在这这种种残残余余奥奥氏氏体薄膜。体薄膜。20图图4-13 （a）板条马氏体）板条马氏体 （b）片状马氏体）片状马氏体21图图4-14 片状马氏体示意图片状马氏体示意图225或或 259n 在在中中、高高碳碳钢钢，高高镍镍的的Fe-Ni合合金金中中出出现现，形形成成温温度较低。度较低。4.3.2 片状马氏体片状马氏体形成22 先先形形成成的的第第一一片片马马氏氏体体横横贯贯整整个个奥奥氏氏体体晶晶粒粒，使使后后形形成成的的马马氏氏体体片片的的大大小小受受到到限限制制。后后形形成成的的马马氏氏体体片片，则则在在奥奥氏氏体体晶晶粒粒内内进进一一步步分分割割奥奥氏氏体体晶晶粒粒，所所以以后后形形成成的的马马氏氏体体片片越来越短小。越来越短小。 片片状状马马氏氏体体的的立立体体外外形形呈呈双双凸凸透透镜镜状状，多多数数马马氏氏体体片片的的中中间间有有一一条条中中脊脊面面，相相邻邻马马氏氏体体片片互互不不平平行行，大大小小不不一一，片片的的周周围围有有一一定定量的残余奥氏体。量的残余奥氏体。23 惯惯习习面面：随随形形成成温温度度的的下下降降，由由225变变为为259，位向关系由，位向关系由K-S关系变为西山关系。关系变为西山关系。 亚亚结结构构为为细细小小孪孪晶晶，一一般般集集中中在在中中脊脊面面附附近近，片片的的边边缘缘为为位位错错。随随形形成成温温度度下下降降，孪孪晶区扩大。晶区扩大。 马马氏氏体体片片互互成成交交角角，后后形形成成的的马马氏氏体体片片对对先先形形成成的的马马氏氏体体片片有有撞撞击击作作用用，接接触触处处产产生生显微裂纹。显微裂纹。24（1）Ms点点n Ms点高点高 - 形成板条马氏体。形成板条马氏体。 Ms点低点低 - 形成片状马氏体。形成片状马氏体。n C% Ms 板条板条M 板条板条M+片状片状M 片状片状M 位错位错M 孪晶孪晶M4.3.3 影响马氏体形态及其亚结构的因素影响马氏体形态及其亚结构的因素25图图4-15 滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系 （2）奥氏体与马氏体的强度26n 当当马马氏氏体体在在较较高高温温度度形形成成时时，滑滑移移的的临临界界分分切切应应力力较较低低，滑滑移移比比孪孪生生更更易易于于发发生生，从从而而在在亚亚结结构构中中留留下下大大量量位位错错，形形成成亚亚结结构构为位错的板条马氏体为位错的板条马氏体。n 由由于于温温度度较较高高，奥奥氏氏体体和和马马氏氏体体的的强强度度均均较较低低。相相变变时时，相相变变应应力力的的松松驰驰可可以以同同时时在在奥奥氏氏体体和和马马氏氏体体中中以以滑滑移移方方式式进进行行，故故惯惯习面为习面为 (111) 。 27n 随随着着形形成成温温度度的的下下降降，孪孪生生的的临临界界分分切切应应力力较较低低，变变形形方方式式逐逐渐渐过过渡渡为为以以孪孪生生进进行行，形形成成亚结构为孪晶的片状马氏体。亚结构为孪晶的片状马氏体。n 若若奥奥氏氏体体的的S低低于于206MPa，应应力力在在奥奥氏氏体体中中以以滑滑移移方方式式松松弛弛。由由于于形形成成的的马马氏氏体体强强度度较较高高，应应力力在在马马氏氏体体中中只只能能以以孪孪生生方方式式松松弛弛，则则形成惯习面为形成惯习面为 (225)的片状马氏体。的片状马氏体。n 若若奥奥氏氏体体的的S超超过过206MPa，相相变变应应力力在在两两相相中中均均以以孪孪生生方方式式松松弛弛，则则形形成成惯惯习习面面为为 (259)的片状马氏体。的片状马氏体。 28n C% 0.2%的的 低低 碳碳 钢钢 、 低低 碳碳 低低 合合 金金 钢钢，如如20#、15MnVB钢钢等等，组组织织为为板板条条马马氏氏体体，具具有有高高强强度度、高高韧韧性性、低的冷脆转化温度。低的冷脆转化温度。4.3.4 工业用钢淬火马氏体的金相形态工业用钢淬火马氏体的金相形态（1）低碳钢中的马氏体）低碳钢中的马氏体29 如如45#、40Cr 钢钢等等，淬淬火火后后为为板板条马氏体条马氏体+片状马氏体的混合组织。片状马氏体的混合组织。 由由于于通通常常选选用用较较低低的的奥奥氏氏体体化化温温度度，淬淬火火后后获获得得的的组组织织极极细细，光光学学显微镜较难分辨。显微镜较难分辨。（2）中碳结构钢中的马氏体）中碳结构钢中的马氏体30n 如如 T8、T12钢，为片状马氏体。钢，为片状马氏体。n 通通常常采采用用不不完完全全加加热热淬淬火火（在在Ac1稍稍上上加加热热，保保留留一一定定量量未未溶溶渗渗碳碳体体颗颗粒粒），获获得得隐隐晶晶马马氏氏体体+渗渗碳碳体体颗颗粒粒的的混混合合组织。组织。n 隐隐晶晶马马氏氏体体极极细细，光光学学显显微微镜镜较较难难分辨。分辨。（3）高碳工具钢中的马氏体）高碳工具钢中的马氏体31n T0为为相相同同成成分分的的马马氏氏体体和和奥奥氏氏体体两两相相热热力学平衡温度，此时力学平衡温度，此时 G = 0G 称称为为马马氏氏体体相相变驱动力。变驱动力。图图4-16 自由能自由能-温度关系温度关系4.4 马氏体相变热力学马氏体相变热力学4.4.1 相变驱动力相变驱动力32n 相相变变化化学学驱驱动动力力用用来来提提供供切切变变能能量量、亚亚结结构构储储存存能能、膨膨胀胀应应变变能能、共共格格应应变变能能、界界面面能能等等，所所以要有足够大的相变驱动力。以要有足够大的相变驱动力。n Ms点点为为奥奥氏氏体体和和马马氏氏体体两两相相自自由由能能之之差差达达到到相相变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。变所需的最小驱动力（临界驱动力）时的温度。33 碳含量碳含量C% Ms ，Mf 图图4-18 Ms 与碳含量关系与碳含量关系A3无扩散无扩散转变转变4.4.2 影响钢的影响钢的Ms 点的因素点的因素（1）奥氏体的化学成分）奥氏体的化学成分34 合金元素合金元素 除除 Co、Al外，其它合金元素均降低外，其它合金元素均降低Ms 点。点。 解释：解释：n 碳碳或或者者合合金金元元素素降降低低A3点点，降降低低奥奥氏氏体体的的自自由由能能并并提提高高马马氏氏体体（过过饱饱和和铁铁素素体体）的的自自由由能能，也降低了也降低了T0 温度，从而降低温度，从而降低Ms 点。点。n碳碳或或者者合合金金元元素素固固溶溶强强化化了了奥奥氏氏体体，s ，使使切切变所需能量增高，所需能量增高，Ms 。35 奥氏体的晶粒大小奥氏体的晶粒大小 奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒细化 Ms 晶粒细化晶粒细化 s 切切变阻力阻力 Ms 弹性极限以内的性极限以内的应力力 多向多向压应力阻碍力阻碍马氏体氏体转变， Ms 拉拉应力促力促进马氏体氏体转变， Ms （2）其它因素对）其它因素对Ms 点的影响点的影响36n 在在 Ms 点点以以上上，对对奥奥氏氏体体进进行行塑塑性性变变形形，当当形形变变量量足足够够大大时时，将将抑抑制制随随后后冷冷却却时时的的马马氏氏体体转转变变，Ms点点降降低低，残残余余奥奥氏氏体体量量增增多多，称为奥氏体的机械稳定化。称为奥氏体的机械稳定化。n 少少量量塑塑性性变变形形对对马马氏氏体体转转变变有有促促进进作作用用，而而超超过过一一定定量量的的塑塑性性变变形形将将对对马马氏氏体体转转变变产产生抑制作用。生抑制作用。4.4.4 奥氏体的机械稳定化奥氏体的机械稳定化37n 当当变变形形度度小小时时，增增加加了了奥奥氏氏体体中中有有利利于马氏体形核的晶体缺陷。于马氏体形核的晶体缺陷。n 当当变变形形度度较较大大时时，在在奥奥氏氏体体中中形形成成大大量量亚亚晶晶界界和和高高密密度度位位错错区区，奥奥氏氏体体产产生生加加工工硬硬化化，屈屈服服强强度度提提高高，阻阻碍碍切切变变过过程，从而使奥氏体稳定化。程，从而使奥氏体稳定化。原因：原因：384.5.1 马氏体的变温形成马氏体的变温形成n 马氏体相变也是通过形核与长大进行。马氏体相变也是通过形核与长大进行。n 变变温温时时，在在Ms点点以以下下，无无孕孕育育期期，瞬瞬时时形核，瞬时长大。形核，瞬时长大。n 马氏体量随温度下降而增加。马氏体量随温度下降而增加。 4.5 马氏体相变动力学马氏体相变动力学39n 降降温温时时，马马氏氏体体量量的的增增加加是是靠靠新新马马氏氏体体的的不不断断产产生生，而而不不是是靠靠先先形形成成马马氏体的长大。氏体的长大。40n 马马氏氏体体转转变变通通常常不不能能进进行行到到底底，有有一一部部分分未未转转变变的的奥奥氏氏体体残残留留下下来来，称称为为残残余余奥奥氏体。氏体。 AR - retained austeniten 通通常常淬淬火火只只淬淬到到室室温温为为止止，高高于于很很多多钢钢的的Mf 点，冷却不充分，形成点，冷却不充分，形成AR 。4.5.2 残余奥氏体残余奥氏体41n 为为了了减减少少淬淬火火至至室室温温后后钢钢中中的的AR量量，可可将将其其继继续续冷冷却却至至零零下下（Mf 点点以以下下）进进行行处处理理，称称为为冷处理。冷处理。n 凡是降低凡是降低Ms 点的因素均提高点的因素均提高AR 量。量。n AR量量和和Ms 点点一一样样，主主要要取取决决于于奥奥氏氏体体的的化化学学成分：成分： C% Ms AR 合金元素合金元素 Ms AR 42 因本身较软，会降低淬火钢的硬度；因本身较软，会降低淬火钢的硬度； 不稳定，易使零件产生变形开裂；不稳定，易使零件产生变形开裂； 降低硬磁钢的磁感应强度；降低硬磁钢的磁感应强度； 可提高某些钢的韧性和塑性。可提高某些钢的韧性和塑性。n 残余奥氏体的作用：434.5.3 奥氏体的热稳定化奥氏体的热稳定化n定定义义：使使奥奥氏氏体体转转变变为为马马氏氏体体能能力力减减低低的的一一切切现现象象，称称为为奥奥氏氏体体的的稳稳定定化化。表表现现为为点降低、点降低、AR 量增多。量增多。n有三大类：有三大类： 化学稳定化化学稳定化-化学成分引起化学成分引起 机械稳定化机械稳定化-塑性变形引起塑性变形引起 热稳定化热稳定化44n 淬淬火火时时因因缓缓慢慢冷冷却却或或在在冷冷却却过过程程中中停停留留而引起的奥氏体稳定化，称为热稳定化。而引起的奥氏体稳定化，称为热稳定化。图图4-21 奥氏体热稳定化现象示意图奥氏体热稳定化现象示意图 在在Ms 点以下等温停留点以下等温停留n 将将引引起起点点降降低低以及以及 AR 量增多。量增多。等温停留45 奥奥氏氏体体的的热热稳稳定定化化是是由由于于在在适适当当温温度度停停留留过过程程中中，奥奥氏氏体体中中的的碳碳、氮氮原原子子与与位位错错发发生生交交互互作作用用形形成成柯柯氏氏气气团团，从从而而强强化化了了奥奥氏氏体体，使使马马氏氏体体相相变的阻力增大所致。变的阻力增大所致。 奥氏体热稳定化的本质：奥氏体热稳定化的本质：46n C% 硬度硬度n C 0.6%以以后后，淬淬火火钢钢硬硬度度下下降降的的原原因因主主要要是是由由于于残残余余奥奥氏氏体体量的增加。量的增加。4.6 马氏体的性能特点马氏体的性能特点4.6.1 马氏体的强度和硬度马氏体的强度和硬度47 固溶强化固溶强化 间间隙隙式式碳碳原原子子造造成成的的点点阵阵不不对对称称畸畸变变，产产生生一一个个强强应应力力场场，该该应应力力场场与与位位错错产产生生强强烈烈的的交互作用。交互作用。 时效强化时效强化 自自回回火火，碳碳原原子子在在马马氏氏体体晶晶体体缺缺陷陷处处（位位错错、孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。孪晶界）的偏聚，以及碳化物的弥散析出。n 马氏体的强化机制：马氏体的强化机制：48 相变强化相变强化 亚亚结结构构强强化化，高高密密度度位位错错以以及及微微细细孪孪 晶，阻碍位错运动。晶，阻碍位错运动。 马马氏氏体体晶晶体体（原原奥奥氏氏体体晶晶粒粒）尺尺寸寸越越 细小，强度越高。细小，强度越高。49n 低低碳碳位位错错型型马马氏氏体体具具有有相相当当高高的的强强度度和和良良好好的的韧韧性性，高高碳碳孪孪晶晶型型马马氏氏体体具具有有高高的的强强度度但韧性极差但韧性极差。n 高碳孪晶型马氏体高碳孪晶型马氏体高脆性的原因：高脆性的原因： 亚结构为细小孪晶亚结构为细小孪晶 容易产生显微裂纹容易产生显微裂纹4.6.2 马氏体的塑性与韧性马氏体的塑性与韧性50 马氏体的比容远大于奥氏体马氏体的比容远大于奥氏体 钢钢在在淬淬火火时时要要发发生生体体积积膨膨胀胀，产产生生内内应应力力、 变形、开裂。变形、开裂。 马氏体具有铁磁性马氏体具有铁磁性 钢钢在在淬淬火火后后，矫矫顽顽力力升升高高，导导磁磁率率下下降降。马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。马氏体的含碳量越高，矫顽力越高。4.6.3 马氏体的物理性能马氏体的物理性能马氏体的形成51