【文章內容簡介】 1. 馬氏體轉變的無擴散性 實驗測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℃ 以上才能進行有效擴散 ， 此溫度遠高于相變溫度的下限 196℃ ， 故轉變時不會有擴散發(fā)生 。 馬氏體轉變前后碳濃度不變，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于鐵原子保持不變的間隙位置，把這一特征稱為 馬氏體轉變的無擴散性。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 55 2022/2/15 2. 馬氏體轉變無擴散性證據(jù) : 。 ；即晶格改組 (由 fcc到體心正方晶格 )是通過切變方式完成的 。 ， 轉變速度極快 。 ，且有殘余奧氏體 。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 56 2022/2/15 近年來 ， 通過實驗和計算結果對上述觀點提出了疑問： a) Thomas發(fā)現(xiàn)在含碳 %的碳鋼中 ， 條間奧氏體內含碳量達 %?%， 遠遠大于鋼的平均含碳量 ， 說明碳原子有可能從馬氏體擴散到奧氏體 。 與多數(shù)實驗測定的結果不同 。 b) 上海交大徐祖耀 計算出馬氏體內碳原子擴散需時間為 103 ?107s， 而條狀馬氏體形成時間為 103106s， 比較兩者時間，說明擴散跟得上馬氏體轉變的速度，即轉變時可能有擴散發(fā)生。雖然這二個結果不足以推翻過去的馬氏體相變無擴散的結論，但至少表明尚存有不同的觀點。 馬氏體轉變 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照片 ） 馬氏體轉變的切變共格性和表面浮凸現(xiàn)象 馬氏體轉變 授課 朱世杰 58 2022/2/15 (1) 馬氏體轉變時產生表面浮凸 (鏈接 )。 (2) 馬氏體形成有慣習面 ， 馬氏體轉變時馬氏體與奧氏體之間保持共格關系 。 預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 ， 相界面宏觀上不轉動 ， 也不變形 ， 所以該相界面為 不變平面 。 當相界面為不變平面時 ， 界面上原子既屬于新相 ， 又屬于母相 ， 這種界面為 共格界面 。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 59 2022/2/15 馬氏體轉變時產生表面浮凸示意圖 預先磨光表面的試樣，在馬氏體相變后表面產生突起，這種現(xiàn)象稱之為 表面浮凸現(xiàn)象。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 60 2022/2/15 馬氏體轉變具有一定的位向關系和慣習面 馬氏體轉變時馬氏體與奧氏體存在著嚴格的晶體學關系：位向關系和慣習面 奧氏體與馬氏體保持的晶體學位向關系有： K— S關系 、 西山 (N)關系 、 G— T關系 、 K— V— N關系 。 慣習面隨奧氏體中含碳量及馬氏體形成溫度而變化 。 ● 當 WC %時 ， 慣習面為 {111}γ； ● 當 WC=%?%時 ， 慣習面為 {225}γ； ● 當 WC=%?%時 ， 慣習面為 {259}γ。 隨著馬氏體形成溫度下降，慣習面有向高指數(shù)變化的趨勢。對于碳量較高的鋼，先形成的馬氏體的慣習面為 {225}γ， 后形成的 M的慣習面為 {259}γ。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 61 2022/2/15 馬氏體轉變的可逆性 在某些合金中奧氏體冷卻時 γ →M ，開始點 Ms，終了點 Mf；而重新加熱時馬氏體又能無擴散的逆向轉變?yōu)閵W氏體，開始點為 As，終了點 Af，這種特點稱為 馬氏體轉變的可逆性 。 M→ γ 的逆轉變也是在一定的溫度范圍內 (As— Af)進行。 形狀記憶合金的熱彈性馬氏體就是利用這個特點。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 62 2022/2/15 馬氏體轉變特點小結 綜上 ， 馬氏體轉變具有很多不同于珠光體的特點 ， 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：相變的切變共格性 （ 相變以共格切變的方式進行 ） 和 相變的無擴散性 。 其他的特點均可 由這兩個基本特點派生出來 。 有時 ， 在其它類型相變中也會看到個別特點與馬氏體相變特點相類似 ， 比如在貝氏體轉變中也會觀察到表面浮凸現(xiàn)象 ，但并不能說明它們也是馬氏體相變 。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 63 2022/2/15 馬氏體相變的熱力學 馬氏體轉變 授課 朱世杰 64 2022/2/15 一 . 馬氏體轉變的熱力學條件 (鏈接 ) 馬氏體和奧氏體的自由能均隨溫度上升而下降，到 T0溫度時二者相等。與加熱轉變和珠光體轉變不同，當奧氏體被過冷到略低于 T0時，馬氏體轉變并不發(fā)生 , 必須過冷到 T0以下某一溫度 MS時，才會發(fā)生馬氏體轉變，到Mf點結束轉變。 理論上 相變熱力學條件：△ GV=GM－ Gγ ＜ 0， γ → M ， 需要過冷度但很大，必須降低到 Ms點以下。 馬氏體轉變熱力學 馬氏體轉變 授課 朱世杰 65 2022/2/15 二 . 馬氏體轉變的驅動力 當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動力為： △ Gγ→M =－ (ΔGV＋ ΔGD) 其中 ， △ Gγ→M－ 馬氏體的形成化學驅動力 (MS點處的 ΔGV＋ΔGD)； △ GV為馬氏體相變時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動力 ， 但因缺陷形成一定的組態(tài)而提高母相的強度而增大相變的阻力 ， 即存在兩種相反的效應 。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 66 2022/2/15 三 .馬氏體轉變的阻力及 Ms點很低的原因 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 彈性應變能 ； ΣГ為馬氏體相變時 產生宏觀均勻切變做功 、 產生宏觀不均勻切變形成高密度的位錯時造成的位錯儲存能 、 孿晶界面能 (孿晶儲存能量 )、 層錯能及磁場能 ， 馬氏體形成時 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 (△ GS＋ △ GE＋ △ GP)阻力很大 。 只有當 ΔG≤0時 ， 即化學驅動力 △ Gγ→M (前二項之和 )大于等于阻力 (后三項之和 )時 ， 馬氏體相變才能夠發(fā)生 。 馬氏體轉變 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— 馬氏體開始轉變溫度 (馬氏體轉變開始點 )；表示過冷奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度 。 ? MS的物理意義 是奧氏體與馬氏體兩相的自由能差達到相變所需的最小驅動力時的溫度 ， 即 馬氏體轉變得以進行所需的最小過冷度 。 ? Mf— 馬氏體連續(xù)轉變的最低溫度點 (馬氏體轉變終止點 )。 FeC合金馬氏體轉變與含碳量的關系 ：T0、 MS和 Mf與碳含量的關系。 Wc↑ ， T0↓ 、Ms↓ 、 Mf↓ ； 但下降不一致。 Ms Mf 馬氏體轉變 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轉變 。 ? (2) 深冷 T MS 提供足夠的驅動力 。 馬氏體轉變 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，馬氏體相變不會自動發(fā)生，但如引入塑性變形，使塑變的機械驅動力疊加相變的化學驅動力 (馬氏體與奧氏體二相自由能差 )，并達到馬氏體相變所需的最小驅動力 ΔGγ→M 時，馬氏體相變也會發(fā)生。此時形成的馬氏體稱為 形變誘發(fā)馬氏體 。此時的溫度稱為形變 誘發(fā)馬氏體溫度點 (形變馬氏體點 )， 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 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，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械驅動力 (鏈接 ) ，使馬氏體轉變點升高的緣故。塑性變形相當于提高了系統(tǒng)自由能，由塑性變形提供的機械驅動力補充了化學驅動力的不足，使兩者之和達到發(fā)生馬氏體相變所需的驅動力 ?G???‘。 ? 形變誘發(fā)馬氏體轉變可以進一步提高塑性，稱為 馬氏體誘發(fā)塑性 。其原因是由于應變誘發(fā)馬氏體的產生，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力集中處產生了應變誘發(fā)馬氏體，而馬氏體比容比母相大，使該處的應力集中得到松馳，從而有利于防止微裂紋的形成和擴展，表現(xiàn)為使塑性增強。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 71 2022/2/15 影響鋼的 MS因素 影響 Ms點的因素如下幾個方面： ? 奧氏體的成分 ? 加熱溫度和保溫時間 ? 冷卻速度 ? 應力 ? 塑性變形 ? 存在先馬氏體組織 馬氏體轉變 授課 朱世杰 72 2022/2/15 一 .奧氏體的化學成分 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 ， 使奧氏體的強度 ↑，相變阻力 ↑，切變困難，MS↓。 FeC合金馬氏體轉變與含碳量的關系 馬氏體轉變 授課 朱世杰 73 2022/2/15 右圖為 合金元素對 Ms影響。除Co、 Al以外，大多數(shù)合金元素總是 Ms 、 Mf下降。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 74 2022/2/15 二 . 加熱溫度和保溫時間 加熱溫度和保溫時間的影響是兩方面的 1. 提高奧氏體化加熱溫度和保溫時間 ， 奧氏體晶粒長大 ，缺陷減少 ， 降低了切變強度 ， 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。 若排除化學成分的影響 ， 提高奧氏體化加熱溫度和保溫時間 ，使 MS升高 。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 75 2022/2/15 三 . 淬火冷卻速度 淬火冷卻速度低時， Ms點恒定值；淬火冷卻速度高時， Ms點為另一個恒定值；在中間冷卻速度時 Ms隨冷卻速度的增大而升高。 馬氏體轉變 授課 朱世杰 76 2022/2/15 四 . 應力 在奧氏體狀態(tài)下施加拉應力或單向壓應力會促進馬氏體形成， Ms升高。在奧氏體狀態(tài)下施加多向壓應力會阻礙馬氏體形成， Ms下降。 應力 單向拉伸 單向壓縮 三向壓縮 合金成分 Fe30Ni 每 7MPa應力下 Ms點的變化 +℃ (實驗值 ) +℃ (計算值 ) +℃ (實驗值 ) +℃ (計算值 ) ℃ (實驗值 ) ℃ (計算值 ) 應力對合金 Ms點的影響 馬氏體