【文章內(nèi)容簡介】 氏體之間的位向關(guān)系為：{0001}εˊ∥{111}γ，1120εˊ∥110γ。εˊ馬氏體內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)為大量層錯(cuò)。馬氏體薄片沿{111}γ呈魏氏組織分布（圖4－21）。 影響馬氏體形態(tài)及內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的因素 鋼中奧氏體可以轉(zhuǎn)變成各種不同形態(tài)的馬氏體。影響馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的因素很多，但到目前為止，還沒有完全弄清楚哪些影響因素是主要的，哪些則是派生的。已經(jīng)考慮到的影響因素有以下一些。一、化學(xué)成分的影響圖4－22 碳含量對(duì)MS點(diǎn)、板條馬氏體量和殘留奧氏體的影響（碳鋼淬至室溫）圖4－23 FeNiC合金的馬氏體形態(tài)與 含碳量與MS點(diǎn)的關(guān)系 母相奧氏體的化學(xué)成分是影響馬氏體形態(tài)及其亞結(jié)構(gòu)的主要因素。在奧氏體的化學(xué)成分中尤以碳含量最為重要。%以下為板條馬氏體，%以上為透鏡片狀馬氏體即片狀馬氏體，~%之間為板條馬氏體與透鏡片狀馬氏體的混合組織，如圖3－22所示。由圖中可見，%的鋼中基本沒有殘留奧氏體，MS隨碳含量的增高而下降，而孿晶馬氏體量和殘留奧氏體則隨之升高。在FeNiC合金中，馬氏體的形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)也與含碳量有關(guān)，如圖23。隨含碳量增加，馬氏體的形態(tài)由板條狀往透鏡片狀及薄板狀轉(zhuǎn)化。按圖中所示，透鏡片狀和薄板狀馬氏體的形成溫度都隨碳含量的增加而升高。 合金元素的影響：凡能縮小g相區(qū)的均促使得到板條馬氏體（如Cr、Mo、W、V等）；凡能擴(kuò)大g相區(qū)的，將促使馬氏體形態(tài)從板條馬氏體轉(zhuǎn)化為透鏡片狀馬氏體（如C、N、Ni、Mn、Cu、Co等）。能顯著降低奧氏體層錯(cuò)能的合金元素將促使轉(zhuǎn)化為薄片狀εˊ馬氏體，如Mn。二、馬氏體形成溫度 持這種觀點(diǎn)的人認(rèn)為馬氏體的形態(tài)取決于MS點(diǎn)。他們認(rèn)為在FeC合金中，含碳量增加MS降低，當(dāng)?shù)陀谀骋粶囟龋?00~320℃）時(shí)，容易產(chǎn)生相變孿晶，因而便形成片狀馬氏體。 馬氏體形態(tài)隨MS點(diǎn)的下降從板條狀向片狀轉(zhuǎn)化的原因可作如下解釋。低碳馬氏體形成溫度高，這時(shí)以切變量較大的（111）γ為慣習(xí)面，同時(shí)在較高的溫度下滑移比孿生易于發(fā)生，而且在面心立方點(diǎn)陣中的{111}γ晶系較少，因此形成馬氏體的起始位向數(shù)少，所以有利于在同一奧氏體中形成群集狀馬氏體。而隨著MS點(diǎn)溫度降低，孿生變得比滑移更易于發(fā)生，同時(shí)以{225}γ或{259}γ為慣習(xí)面形成馬氏體，由于晶系較多，形成馬氏體的起始位向數(shù)增多，因此在同一奧氏體中易于形成相鄰馬氏體片互不平行的孿晶片狀馬氏體。 對(duì)FeNiC系合金可通過改變奧氏體化溫度而使MS發(fā)生變化。利用這種現(xiàn)象，可以在同一成分合金中獲得不同的MS點(diǎn)。觀察冷卻到稍低于相應(yīng)的MS點(diǎn)時(shí)生成的馬氏體形態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著MS點(diǎn)即形成溫度的降低會(huì)發(fā)生從蝶狀→片狀→薄板狀變化，同時(shí)亞結(jié)構(gòu)也從位錯(cuò)轉(zhuǎn)化為孿晶。三、奧氏體的層錯(cuò)能 奧氏體層錯(cuò)能低時(shí)，易于形成薄片狀εˊ馬氏體，這已是大家公認(rèn)的。但是層錯(cuò)能的大小對(duì)其它形態(tài)馬氏體的影響還有爭議。目前比較流行的看法是層錯(cuò)能越低，越難于形成相變孿晶，故越趨向于形成位錯(cuò)板條馬氏體。如層錯(cuò)能很低的FeCr8%%合金要液氮溫度下也只能形成位錯(cuò)板條馬氏體。四、奧氏體和馬氏體的強(qiáng)度 這是由Davis和Magee等提出的假說。他們用合金化的方法改變奧氏體的強(qiáng)度，研究了馬氏體形態(tài)變化和奧氏體強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，馬氏體形態(tài)是以MS點(diǎn)處的奧氏體屈服強(qiáng)度（約為206Mpa）為界限而變化，在這個(gè)界限以上，形成慣習(xí)面為的（259）γ片狀馬氏體，在這個(gè)界限以下，形成慣習(xí)面為（111）γ的板條馬氏體或慣習(xí)面為（225）γ的片狀馬氏體。由此，他們認(rèn)為奧氏體強(qiáng)度是影響馬氏體形態(tài)（慣習(xí)面）的決定性因素。他們還進(jìn)一步研究了馬氏體的強(qiáng)度。當(dāng)奧氏體的強(qiáng)度低于206Mpa時(shí)有兩種情況，形成的馬氏體強(qiáng)度較高時(shí)，為（225）γ馬氏體。而形成的馬氏體強(qiáng)度較低時(shí)為板條狀馬氏體。圖4－24 引起馬氏體滑移或?qū)\生的臨界切應(yīng)力和MSMf溫度對(duì)形成的馬氏體形態(tài) 的影響 這個(gè)假說是建立在這樣的基礎(chǔ)上的，即如果馬氏體內(nèi)相變應(yīng)力的松弛只以孿生變形方式進(jìn)行，則得到慣習(xí)面為（259）γ的馬氏體，如果相變應(yīng)力的松弛一部分在奧氏體內(nèi)以滑移方式進(jìn)行，一部分在馬氏體內(nèi)部以孿生方式進(jìn)行，則得到慣習(xí)面為（225）γ的馬氏體，如果在馬氏體內(nèi)也以滑移方式進(jìn)行，則得到慣習(xí)面為（111）γ的馬氏體。五、馬氏體的滑移和孿生變形的臨界切應(yīng)力大小 這種假說強(qiáng)調(diào)馬氏體內(nèi)部結(jié)構(gòu)取決于相變時(shí)的變形方式是滑移還是孿生，所以歸根到底是受二者的臨界切應(yīng)力大小所支配，圖4－24示意地表示出馬氏體滑移或?qū)\生的臨界切應(yīng)力和MS、Mf溫度對(duì)形成馬氏體形態(tài)的影響。圖中的箭頭表示相應(yīng)線條可能移動(dòng)的方向，這種移動(dòng)是合金成分變化引起的。線條的移動(dòng)將導(dǎo)致滑移孿生曲線交點(diǎn)的移動(dòng)。由圖中可見，對(duì)低碳鋼（MS點(diǎn)和Mf點(diǎn)均較高），引起滑移所需要的臨界切應(yīng)力低于引起孿生所需要的臨界切應(yīng)力，因而得到含高密度位錯(cuò)的板條馬氏體。相反，如果是高碳鋼（MS點(diǎn)和Mf點(diǎn)均較低），引起孿生所需要的臨界切應(yīng)力較小，從而得到含大量孿晶的片狀馬氏體。如果碳量中等，MS點(diǎn)和Mf點(diǎn)恰如圖中所示之位置，在馬氏體相變過程中，先形成板條馬氏體，然后又可形成片狀馬氏體。即形成兩種馬氏體的混合組織。 馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)條件 過去，曾有不少人認(rèn)為，馬氏體轉(zhuǎn)變不是熱學(xué)性的，轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力不是馬氏體與奧氏體的自由能之差。四十年代，人們?cè)诖罅抗ぷ鞯幕A(chǔ)上得出馬氏體轉(zhuǎn)變與液態(tài)金屬的凝固以及鋼的加熱轉(zhuǎn)變等是一樣的，即轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力也來自新舊相的化學(xué)自由能差。但也應(yīng)看到，馬氏體轉(zhuǎn)變確有很多不同于其它轉(zhuǎn)變的在表面上看來難以用熱學(xué)性質(zhì)觀點(diǎn)加以解釋的特點(diǎn)，現(xiàn)已逐步弄清，這些特點(diǎn)是馬氏體轉(zhuǎn)變的特定條件所決定的。一、 相變驅(qū)動(dòng)力圖325 奧氏體和馬氏體的自由焓與溫度的關(guān)系 馬氏體轉(zhuǎn)變和一般相變一樣，相變的驅(qū)動(dòng)力是新相與母相的化學(xué)自由能差。同一成分合金的馬氏體與奧氏體的化學(xué)自由能和溫度的關(guān)系如圖25所示。圖中T0為兩相熱力學(xué)平衡溫度，即溫度為T0時(shí)式中為高溫相之自由能，Gαˊ為馬氏體之自由能。在其它溫度兩相自由能不相等，則當(dāng)上式為正時(shí)，馬氏體自由能高于奧氏體的自由能，奧氏體比馬氏體穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變；反之，當(dāng)上式為負(fù)時(shí)，則馬氏體比奧氏體穩(wěn)定，奧氏體有向馬氏體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，ΔGγ→αˊ即稱為馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力。顯然，在T0溫度處，ΔGγ→αˊ=0。馬氏體轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)MS必定在T0以下，以便由過冷提供相變所需要的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。而逆轉(zhuǎn)變開始點(diǎn)AS必然在T0以上，以便由過熱提供逆轉(zhuǎn)變所需要的化學(xué)驅(qū)動(dòng)力。 通常把MS與T0之差稱為熱滯，T0溫度處，ΔGγ→αˊ=0， MS 為馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度熱滯的大小視合金的種類和成分而異。Fe系合金熱滯可高達(dá)200℃以上，而有的合金的熱滯僅為十幾度到幾十度，如AuCd、AgCd合金。 鐵系合金的馬氏體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)特點(diǎn)是，具有很大的熱滯，即必須在很大的過冷度下才能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，一般的馬氏體轉(zhuǎn)變都需要在降溫過程中不斷進(jìn)行，等溫保持馬氏體轉(zhuǎn)變將立即中止進(jìn)行。 逆轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)特征與冷卻時(shí)的則好相反，相變必須在一定的過熱度下才能進(jìn)行，只有在AS點(diǎn)以上相變才能進(jìn)行，而且轉(zhuǎn)變是在升溫過程中進(jìn)行的，終了點(diǎn)為Af。AS與MS之差的大小視合金各類不同而異。二、MS的定義 母相與馬氏體兩相之間的體積自由能之差達(dá)到相變所需的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度。三、馬氏體相變的阻力 馬氏體相變的驅(qū)動(dòng)力來自馬氏體與奧氏體的化學(xué)自由能之差ΔGV，從一般相變理論的能量方程來看，相變時(shí)自由能變化為：ΔG=ΔGV+ΔGD+ΔGS+ΔGe其中，ΔGV為馬氏體和奧氏體的化學(xué)自由焓差；ΔGD為奧氏體晶體缺陷所提供的能量；兩者為相變的驅(qū)動(dòng)力，過冷度越大ΔGV也越大。而ΔGS（界面能）和ΔGe（彈性能）為相變的阻力。在馬氏體形成時(shí)，除形成新的相界面而消耗界面能，并因相變時(shí)比容增大和維持第二類共格關(guān)系而消耗彈性應(yīng)變能之外，還需克服奧氏體的切變阻力作功。同時(shí)，馬氏體形成時(shí)不僅有宏觀的均勻切變，使周圍的奧氏體發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生表面浮凸，而且還有微觀的不均勻切變，在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生滑移和孿生，形成高密度位錯(cuò)和孿晶。因此，對(duì)馬氏體相變來說，除ΔGS和ΔGe這兩項(xiàng)能量消耗外，還需要在這兩項(xiàng)之后加上若干個(gè)正項(xiàng)，以考慮上述各項(xiàng)能量消耗，可用下式表示：ΔG=ΔGV+ΔGD+ΔGS+ΔGe+ΣΓ 可見，馬氏體相變所以熱滯如此之大，是由于這種相變的切變物性而引起額外的能量消耗所造成的。四、Md、Ad的定義 T0、MS、AS都是合金成分的函數(shù)。不同的合金系A(chǔ)S與MS之差是不同的，例如，F(xiàn)eNi合金中AS較MS高420℃，AuCd合金中AS較MS僅高16℃。實(shí)驗(yàn)證明，AS與MS之間的溫度差可以因?yàn)橐胨苄宰冃味鴾p小。圖326 形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)硎疽鈭D 如果在MS點(diǎn)以上對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形，會(huì)誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變而引起MS點(diǎn)升高到Md，同樣塑性變形也可以使AS下降到點(diǎn)Md。Md和Ad分別稱為形變馬氏體點(diǎn)和形變奧氏體點(diǎn)。因形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的馬氏體，常稱為形變馬氏體，同樣形變誘發(fā)馬氏體逆轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的奧氏體稱為形變奧氏體。 Md的物理意義：可以獲得形變馬氏體的最高溫度。若在高于Md點(diǎn)的溫度對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形，就會(huì)失去誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的作用。 Ad的物理意義：可以獲得形變奧氏體的最低溫度。若在低于Ad點(diǎn)的溫度對(duì)馬氏體進(jìn)行塑性變形，就會(huì)失去誘發(fā)馬氏體逆轉(zhuǎn)變的作用。 按馬氏體相變的熱力學(xué)條件，我們可以知道Md的上限和Ad的下限均為T0。實(shí)驗(yàn)證明，CoNi合金中Md和Ad可以重合，即Md=Ad=T0。如果某合金系中Md和Ad不重合，一般可取T0=（Md+Ad）/2。 形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的原因：根據(jù)MS點(diǎn)的物理意義可知，形變之所以能誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，是因?yàn)樗苄宰冃螢橄嗵峁┝艘欢ǖ南嘧凃?qū)動(dòng)力?？捎脠D326加以說明。ΔGVγ→α是MS時(shí)的相變驅(qū)動(dòng)力，而形變能為相變所提供的能量為機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)T=MS時(shí)，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力剛好等于ΔGVγ→α，圖中ab線代表在化學(xué)驅(qū)動(dòng)力上迭加上去的一部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。在T1溫度下，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力為mn，若該溫度下能提供pm的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力，則pm+mn剛好等于ΔGVγ→α，而T1T0，即在馬氏體熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，所以能發(fā)生馬氏體相變。若機(jī)械驅(qū)動(dòng)力可全部代替化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，Md點(diǎn)已上升到T0，但這要求一種合適的變形方式以提供足夠的機(jī)械驅(qū)動(dòng)力。五、影響鋼MS點(diǎn)的因素Ms點(diǎn)是鋼的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，其高低決定了鋼中奧氏體從高溫冷卻時(shí)所發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍及冷到室溫時(shí)所得的組織狀態(tài)。因此有必要弄清影響因素。一、奧氏體化學(xué)成分的影響 奧氏體化學(xué)成分對(duì)MS的影響十分顯著，般說來，MS主要取決于鋼的化學(xué)成分，其中又以C含量的影響最為顯著。（1）碳的影響 隨奧氏體碳含量的增加，MS和Mf均顯著下降，但二者下降的趨勢(shì)不同，隨C%增加MS基本上呈連續(xù)平緩的下降，而Mf在C%%下降很激烈，在C%%以后，Mf下降又變得很緩慢。C%=%時(shí)，Mf約為0℃?？梢钥闯?，在C%%以前，隨C%的增加，馬氏體形成的溫度間隔增大。 氮（N）對(duì)MS和Mf的影響與碳的影響規(guī)律基本相似。（2）合金元素的影響圖327 碳含量對(duì)Ms點(diǎn)的影響圖328 合金元素對(duì)鋼Ms點(diǎn)的影響 鋼中常見的合金元素，除Al和Co可以提高M(jìn)S外，其它合金元素均使MS點(diǎn)降低。降低MS點(diǎn)的元素，按其影響的強(qiáng)烈順序排列為：Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、V、Ti，鋼中單獨(dú)加入Si對(duì)MS的影響不大，但是在NiCr鋼中Si可以降低鋼的MS點(diǎn)。 原因：主要取決于合金元素對(duì)平衡溫度T0的影響及對(duì)奧氏體的強(qiáng)化效應(yīng)。凡強(qiáng)烈降低T0又強(qiáng)化奧氏體的元素，就強(qiáng)烈降低MS點(diǎn)，如Mn、Cr、Ni、Cu與C類似，即降低T0溫度，又增奧氏體的屈服強(qiáng)度σs，所以降低MS點(diǎn)。Al、Co、Si、Mo、W、V、Ti等均提高T溫度，但也不同程度地增加奧氏體的屈服強(qiáng)度σs，若提高T0的作用大時(shí)，則使MS點(diǎn)升高，如Al、Co；若強(qiáng)化奧氏體的作用大時(shí)，則使MS點(diǎn)降低；若兩方面的作用大致相當(dāng)時(shí)，則對(duì)MS點(diǎn)的影響不大，如Si。鋼中每增加1%合金元素對(duì)MS點(diǎn)產(chǎn)生的影響元素CMnCrNiMoVSiCuCoAlΔT(℃)3304535302625071218 值得注意的是，合金元素的影響程度還與鋼的碳含量有關(guān)，隨C%的增加，合金元素影響程度增大。多種合金元素同時(shí)加入時(shí)的影響更為復(fù)雜。二、加熱規(guī)范的影響 加熱溫度和保溫時(shí)間的影響較為復(fù)雜。加熱溫度高保溫時(shí)間長，有利于奧氏體的合金化，可以提高奧氏體的合金化程度，使MS點(diǎn)下降；但是，溫度高時(shí)間長奧氏體晶粒粗大、晶體學(xué)缺陷減少，這又會(huì)導(dǎo)致MS點(diǎn)的升高。在完全奧氏體化的前提下，提高加熱溫度、延長保溫時(shí)間，將使MS有所提高。三、冷卻速度的影響 在生產(chǎn)條件下，冷卻速度一般對(duì)MS點(diǎn)無影響。在高速淬火時(shí)，MS隨淬火速度增大而升高。對(duì)碳鋼來說，當(dāng)V冷103℃/S時(shí)，MS沒有變化，當(dāng)V冷15103℃/S時(shí)，MS也不再變化，但卻升高80~135℃，103℃/SV冷15103℃/S范圍內(nèi)，MS隨V冷增加而升高。 其原因可做如下解釋：冷卻速度增加，使奧氏體的內(nèi)應(yīng)力增大，促進(jìn)了馬氏體的形成。另一方面，冷卻速度抑制了“碳原子氣團(tuán)”的形成，使奧氏體的強(qiáng)度下降。四、塑性變形的影響 在Md~MS之間對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形，可使MS點(diǎn)升高，馬氏體轉(zhuǎn)變提前發(fā)生。五、應(yīng)力的影響 單向的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力可使進(jìn)馬氏體轉(zhuǎn)變，使MS升高。而多向壓應(yīng)力則陰阻礙馬氏體的形成，使MS點(diǎn)下降。六、磁場的影響 磁場的存在可使MS點(diǎn)升高，在相同的溫度下馬氏體轉(zhuǎn)變量增加，但對(duì)MS點(diǎn)以下的轉(zhuǎn)變行為無影響。 馬氏體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué) 馬氏體轉(zhuǎn)變也是形核和長大過程，鐵合金中馬氏體形成動(dòng)力學(xué)是多種多樣的，大體上可以