【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1. 馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性 實(shí)驗(yàn)測(cè)定出母相與新相成分一致 。 且馬氏體形成速度極快 ，一片馬氏體在 5 105?5 107秒內(nèi)生成 。 即使在 20?196℃ 以下也是同樣快速 ， 而碳原子在 60℃ 以上才能進(jìn)行有效擴(kuò)散 ， 此溫度遠(yuǎn)高于相變溫度的下限 196℃ ， 故轉(zhuǎn)變時(shí)不會(huì)有擴(kuò)散發(fā)生 。 馬氏體轉(zhuǎn)變前后碳濃度不變，即馬氏體中的碳濃度與原奧氏體中的碳濃度完全相同。且碳原子在馬氏體和奧氏體中的相對(duì)于鐵原子保持不變的間隙位置，把這一特征稱為 馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 55 2022/2/15 2. 馬氏體轉(zhuǎn)變無(wú)擴(kuò)散性證據(jù) : 。 ；即晶格改組 (由 fcc到體心正方晶格 )是通過(guò)切變方式完成的 。 ， 轉(zhuǎn)變速度極快 。 ，且有殘余奧氏體 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 56 2022/2/15 近年來(lái) ， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果對(duì)上述觀點(diǎn)提出了疑問(wèn)： a) Thomas發(fā)現(xiàn)在含碳 %的碳鋼中 ， 條間奧氏體內(nèi)含碳量達(dá) %?%， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼的平均含碳量 ， 說(shuō)明碳原子有可能從馬氏體擴(kuò)散到奧氏體 。 與多數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果不同 。 b) 上海交大徐祖耀 計(jì)算出馬氏體內(nèi)碳原子擴(kuò)散需時(shí)間為 103 ?107s， 而條狀馬氏體形成時(shí)間為 103106s， 比較兩者時(shí)間，說(shuō)明擴(kuò)散跟得上馬氏體轉(zhuǎn)變的速度，即轉(zhuǎn)變時(shí)可能有擴(kuò)散發(fā)生。雖然這二個(gè)結(jié)果不足以推翻過(guò)去的馬氏體相變無(wú)擴(kuò)散的結(jié)論，但至少表明尚存有不同的觀點(diǎn)。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 57 2022/2/15 高碳馬氏體的表面浮凸（ FeNiCo合金中的片狀馬氏體光學(xué)照片 ） 馬氏體轉(zhuǎn)變的切變共格性和表面浮凸現(xiàn)象 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 58 2022/2/15 (1) 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生表面浮凸 (鏈接 )。 (2) 馬氏體形成有慣習(xí)面 ， 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)馬氏體與奧氏體之間保持共格關(guān)系 。 預(yù)先在磨光表面上劃一直線劃痕，相變后直線變?yōu)檎劬€ ，直線在新相、母相的界面不折斷，在新相晶內(nèi)不彎曲。表明馬氏體相變就像形變中的切變一樣。切變使得發(fā)生宏觀形變。 在馬氏體相變時(shí) ， 相界面宏觀上不轉(zhuǎn)動(dòng) ， 也不變形 ， 所以該相界面為 不變平面 。 當(dāng)相界面為不變平面時(shí) ， 界面上原子既屬于新相 ， 又屬于母相 ， 這種界面為 共格界面 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 59 2022/2/15 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生表面浮凸示意圖 預(yù)先磨光表面的試樣，在馬氏體相變后表面產(chǎn)生突起，這種現(xiàn)象稱之為 表面浮凸現(xiàn)象。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 60 2022/2/15 馬氏體轉(zhuǎn)變具有一定的位向關(guān)系和慣習(xí)面 馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)馬氏體與奧氏體存在著嚴(yán)格的晶體學(xué)關(guān)系：位向關(guān)系和慣習(xí)面 奧氏體與馬氏體保持的晶體學(xué)位向關(guān)系有： K— S關(guān)系 、 西山 (N)關(guān)系 、 G— T關(guān)系 、 K— V— N關(guān)系 。 慣習(xí)面隨奧氏體中含碳量及馬氏體形成溫度而變化 。 ● 當(dāng) WC %時(shí) ， 慣習(xí)面為 {111}γ； ● 當(dāng) WC=%?%時(shí) ， 慣習(xí)面為 {225}γ； ● 當(dāng) WC=%?%時(shí) ， 慣習(xí)面為 {259}γ。 隨著馬氏體形成溫度下降，慣習(xí)面有向高指數(shù)變化的趨勢(shì)。對(duì)于碳量較高的鋼，先形成的馬氏體的慣習(xí)面為 {225}γ， 后形成的 M的慣習(xí)面為 {259}γ。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 61 2022/2/15 馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性 在某些合金中奧氏體冷卻時(shí) γ →M ，開(kāi)始點(diǎn) Ms，終了點(diǎn) Mf；而重新加熱時(shí)馬氏體又能無(wú)擴(kuò)散的逆向轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，開(kāi)始點(diǎn)為 As，終了點(diǎn) Af，這種特點(diǎn)稱為 馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性 。 M→ γ 的逆轉(zhuǎn)變也是在一定的溫度范圍內(nèi) (As— Af)進(jìn)行。 形狀記憶合金的熱彈性馬氏體就是利用這個(gè)特點(diǎn)。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 62 2022/2/15 馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn)小結(jié) 綜上 ， 馬氏體轉(zhuǎn)變具有很多不同于珠光體的特點(diǎn) ， 其中馬氏體相變區(qū)別于其他相變最主要的 ， 也是最基本的只有兩個(gè)：相變的切變共格性 （ 相變以共格切變的方式進(jìn)行 ） 和 相變的無(wú)擴(kuò)散性 。 其他的特點(diǎn)均可 由這兩個(gè)基本特點(diǎn)派生出來(lái) 。 有時(shí) ， 在其它類型相變中也會(huì)看到個(gè)別特點(diǎn)與馬氏體相變特點(diǎn)相類似 ， 比如在貝氏體轉(zhuǎn)變中也會(huì)觀察到表面浮凸現(xiàn)象 ，但并不能說(shuō)明它們也是馬氏體相變 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 63 2022/2/15 馬氏體相變的熱力學(xué) 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 64 2022/2/15 一 . 馬氏體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件 (鏈接 ) 馬氏體和奧氏體的自由能均隨溫度上升而下降，到 T0溫度時(shí)二者相等。與加熱轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變不同，當(dāng)奧氏體被過(guò)冷到略低于 T0時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變并不發(fā)生 , 必須過(guò)冷到 T0以下某一溫度 MS時(shí)，才會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，到Mf點(diǎn)結(jié)束轉(zhuǎn)變。 理論上 相變熱力學(xué)條件：△ GV=GM－ Gγ ＜ 0， γ → M ， 需要過(guò)冷度但很大，必須降低到 Ms點(diǎn)以下。 馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué) 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 65 2022/2/15 二 . 馬氏體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力 當(dāng)奧氏體具有一般大小的晶粒度 ， 完全奧氏體化后 ， 奧氏體向馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力為： △ Gγ→M =－ (ΔGV＋ ΔGD) 其中 ， △ Gγ→M－ 馬氏體的形成化學(xué)驅(qū)動(dòng)力 (MS點(diǎn)處的 ΔGV＋ΔGD)； △ GV為馬氏體相變時(shí)馬氏體和奧氏體的自由能差 ， △ GV=GM－ Gγ； ΔGD為奧氏體晶體缺陷消失所提供的能量作為驅(qū)動(dòng)力 ， 但因缺陷形成一定的組態(tài)而提高母相的強(qiáng)度而增大相變的阻力 ， 即存在兩種相反的效應(yīng) 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 66 2022/2/15 三 .馬氏體轉(zhuǎn)變的阻力及 Ms點(diǎn)很低的原因 奧氏體向馬氏體相變的自由能的變化為： ΔG = － (ΔGV＋ ΔGD)+△ GS ＋ △ GE +ΣГ 0 式中 △ GS— 形成新相馬氏體 ， 產(chǎn)生新界面 ， 增加了 表面能 ， △ GS = Sγ； △ GE— 馬氏體與奧氏體維持共格界面 、 比容增大引起 彈性應(yīng)變能 ； ΣГ為馬氏體相變時(shí) 產(chǎn)生宏觀均勻切變做功 、 產(chǎn)生宏觀不均勻切變形成高密度的位錯(cuò)時(shí)造成的位錯(cuò)儲(chǔ)存能 、 孿晶界面能 (孿晶儲(chǔ)存能量 )、 層錯(cuò)能及磁場(chǎng)能 ， 馬氏體形成時(shí) 鄰近原子發(fā)生協(xié)作變形而作功 等 其它能量 之和 。 后三項(xiàng) (△ GS＋ △ GE＋ △ GP)阻力很大 。 只有當(dāng) ΔG≤0時(shí) ， 即化學(xué)驅(qū)動(dòng)力 △ Gγ→M (前二項(xiàng)之和 )大于等于阻力 (后三項(xiàng)之和 )時(shí) ， 馬氏體相變才能夠發(fā)生 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 67 2022/2/15 四 . MS的物理意義 ? T0— 奧氏體自由能與馬氏體自由能相等的溫度； ? MS— 馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度 (馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn) )；表示過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度 。 ? MS的物理意義 是奧氏體與馬氏體兩相的自由能差達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力時(shí)的溫度 ， 即 馬氏體轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行所需的最小過(guò)冷度 。 ? Mf— 馬氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變的最低溫度點(diǎn) (馬氏體轉(zhuǎn)變終止點(diǎn) )。 FeC合金馬氏體轉(zhuǎn)變與含碳量的關(guān)系 ：T0、 MS和 Mf與碳含量的關(guān)系。 Wc↑ ， T0↓ 、Ms↓ 、 Mf↓ ； 但下降不一致。 Ms Mf 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 68 2022/2/15 五 . 馬氏體的形成條件 ? (1) 快冷 V Vc(Vc為 臨界淬火冷卻速度 ) 避免奧氏體向 P、 B轉(zhuǎn)變 。 ? (2) 深冷 T MS 提供足夠的驅(qū)動(dòng)力 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 69 2022/2/15 六 . 形變誘發(fā)馬氏體 ? 形變誘發(fā)馬氏體 是指在 T0與 Ms之間，由于奧氏體受到塑性變形而形成的馬氏體。 ? 在 T0到 MS之間，馬氏體相變不會(huì)自動(dòng)發(fā)生，但如引入塑性變形，使塑變的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力疊加相變的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力 (馬氏體與奧氏體二相自由能差 )，并達(dá)到馬氏體相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力 ΔGγ→M 時(shí)，馬氏體相變也會(huì)發(fā)生。此時(shí)形成的馬氏體稱為 形變誘發(fā)馬氏體 。此時(shí)的溫度稱為形變 誘發(fā)馬氏體溫度點(diǎn) (形變馬氏體點(diǎn) )， 記為 Md。 Md不能大于T0。 形變馬氏體的形態(tài)與前述的馬氏體相同。 ? 形變馬氏體點(diǎn) Md的意義是塑性變形促使馬氏體形成的最高溫度。 ? 馬氏體量與形變溫度有關(guān)，溫度越高，形變能誘發(fā)的馬氏體量越少。高于某一溫度，形變不再能誘發(fā)馬氏體。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 70 2022/2/15 ? 發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體的原因是由于塑性變形提供了機(jī)械驅(qū)動(dòng)力 (鏈接 ) ，使馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)升高的緣故。塑性變形相當(dāng)于提高了系統(tǒng)自由能，由塑性變形提供的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力補(bǔ)充了化學(xué)驅(qū)動(dòng)力的不足，使兩者之和達(dá)到發(fā)生馬氏體相變所需的驅(qū)動(dòng)力 ?G???‘。 ? 形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變可以進(jìn)一步提高塑性，稱為 馬氏體誘發(fā)塑性 。其原因是由于應(yīng)變誘發(fā)馬氏體的產(chǎn)生，提高了加工硬化率，使已發(fā)生塑性變形的區(qū)域難于繼續(xù)發(fā)生形變，阻抑了頸縮，即提高了均勻形變的塑性；由于塑性形變而引起的應(yīng)力集中處產(chǎn)生了應(yīng)變誘發(fā)馬氏體，而馬氏體比容比母相大，使該處的應(yīng)力集中得到松馳，從而有利于防止微裂紋的形成和擴(kuò)展，表現(xiàn)為使塑性增強(qiáng)。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 71 2022/2/15 影響鋼的 MS因素 影響 Ms點(diǎn)的因素如下幾個(gè)方面： ? 奧氏體的成分 ? 加熱溫度和保溫時(shí)間 ? 冷卻速度 ? 應(yīng)力 ? 塑性變形 ? 存在先馬氏體組織 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 72 2022/2/15 一 .奧氏體的化學(xué)成分 1. 碳含量 (鏈接 ) Wc↑， Ms↓、 Mf↓； Ms和 Mf下降不一致。 Wc%， Mf比 Ms下降得快。Wc↑， Wc%， Ms顯著下降；Wc%， Ms直線下降。 Wc%， Mf顯著下降；Wc%， Mf下降緩慢， Mf0℃ (低于室溫 )。 原因： 碳含量升高 ， 使奧氏體的強(qiáng)度 ↑，相變阻力 ↑，切變困難，MS↓。 FeC合金馬氏體轉(zhuǎn)變與含碳量的關(guān)系 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 73 2022/2/15 右圖為 合金元素對(duì) Ms影響。除Co、 Al以外，大多數(shù)合金元素總是 Ms 、 Mf下降。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 74 2022/2/15 二 . 加熱溫度和保溫時(shí)間 加熱溫度和保溫時(shí)間的影響是兩方面的 1. 提高奧氏體化加熱溫度和保溫時(shí)間 ， 奧氏體晶粒長(zhǎng)大 ，缺陷減少 ， 降低了切變強(qiáng)度 ， 馬氏體形成的阻力減小 ， Ms升高 。 2. 提高奧氏體化加熱溫度和保溫時(shí)間，有利于碳和合金元素溶入奧氏體中，奧氏體均勻化。Ms下降。 若排除化學(xué)成分的影響 ， 提高奧氏體化加熱溫度和保溫時(shí)間 ，使 MS升高 。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 75 2022/2/15 三 . 淬火冷卻速度 淬火冷卻速度低時(shí)， Ms點(diǎn)恒定值；淬火冷卻速度高時(shí)， Ms點(diǎn)為另一個(gè)恒定值；在中間冷卻速度時(shí) Ms隨冷卻速度的增大而升高。 馬氏體轉(zhuǎn)變 授課 朱世杰 76 2022/2/15 四 . 應(yīng)力 在奧氏體狀態(tài)下施加拉應(yīng)力或單向壓應(yīng)力會(huì)促進(jìn)馬氏體形成， Ms升高。在奧氏體狀態(tài)下施加多向壓應(yīng)力會(huì)阻礙馬氏體形成， Ms下降。 應(yīng)力 單向拉伸 單向壓縮 三向壓縮 合金成分 Fe30Ni 每 7MPa應(yīng)力下 Ms點(diǎn)的變化 +℃ (實(shí)驗(yàn)值 ) +℃ (計(jì)算值 ) +℃ (實(shí)驗(yàn)值 ) +℃ (計(jì)算值 ) ℃ (實(shí)驗(yàn)值 ) ℃ (計(jì)算值 ) 應(yīng)力對(duì)合金 Ms點(diǎn)的影響 馬氏體