热弹性马氏体相变.ppt

第四章 马氏体相变随着科学技术的发展和人们对材料性能的要求越来越高，材料相变的研究也成为了一个热门的领域。

其中，固态相变是最为基础和广泛的相变形式之一。

在这其中，马氏体相变是一个相对特殊和有意义的相变过程。

一、马氏体相变的定义和分类马氏体相变，是指在含碳钢中，当钢经过一定的热处理过程后，在室温下形成一种具有变形性能的组织结构。

其核心原理是在高温下形成一种奥氏体，然后通过快速冷却过程，在室温下形成一种具有弹性、变形及塑性的马氏体组织结构。

根据马氏体相变的不同起始组织结构，其可以分为两种类型：一类是由完全奥氏体组成的马氏体相变，另一类是由贝氏体（以及在贝氏体上产生马氏体）组成的马氏体相变。

1.完全奥氏体马氏体相变当钢经过高温处理后，在其细小的晶粒中，完全转化为奥氏体组织。

通过钢的快速冷却 （通常在水、油、盐水等介质中进行），奥氏体中的部分碳原子被固溶，在马氏体的组织中重新排列，最终形成一种具有高强度和塑性的马氏体组织结构。

这种马氏体相变过程，称为完全奥氏体马氏体相变。

2.贝氏体马氏体相变贝氏体正常情况下是由冷却慢、回火温度低的钢中形成的。

它是由一种由铁与铁素体间化合物构成的细小晶粒组成的组织，这种组织强度比较低，韧性高，且具有较高的弹性变形和形变能力。

当这种钢经过高温处理后，由于组织发生了相变，大量贝氏体消失，而代替它的则是奥氏体组织。

这样在快速冷却的过程中，就会在奥氏体中形成一定数量的针状马氏体组织结构。

二、马氏体相变的影响因素马氏体相变的过程涉及到多个变量和影响因素，其中最重要的一些因素包括：1.冷却速度作为一种固态相变过程，马氏体相变的核心就是快速冷却过程。

通常来说，冷却速度越快，产生的马氏体组织也就越细小，强度也就越高。

2.合金元素含量合金元素在钢制造中有着重要的作用。

它们可以调节钢的合金成分和钢的性能，使钢的性能得到提升。

其中，加入Cr、Ni、Mn等元素可以有效地提高马氏体相变的开始和结束温度，这有利于得到良好的马氏体组织结构。

什么是马氏体转变：研究简史19世纪中叶，英国人索尔拜首次用显微镜观察了淬硬钢的金相组织，后对此种针状组织物命名为马氏体。

图1示出高碳钢淬火态的金相组织，针状物(其空间形态为板片状)为马氏体，基底为残留奥氏体。

20世纪20年代，美国人芬克和苏联人库尔久莫夫分别(独立地)用x射线衍射技术确定了钢中马氏体的本质：体心正方结构，碳在a-Fe中的过饱和固溶体，奥氏体在非平衡(大过冷)条件下转变成的一种介稳相。

到50年代，不但积累了大量有关钢中马氏体转变的技术资料，而且还发现在一系列有色合金及某几种纯金属中也发生相似的转变。

在此基础上，逐渐认识到，以钢中马氏体形成为代表的相变，是一种与历来了解的固态扩散型晶型转变具有本质区别的固态一级相变——非扩散的晶型转变，定名为马氏体转变。

各种合金系中经马氏体转变形成的低温产物皆称为马氏体，如钛合金中马氏体、铜合金中马氏体等。

马氏体转变是金属热处理时发生的相变的基本类型之一，对钢的强化热处理及形状记忆合金的应用技术具有重要意义。

非平衡条件下，金属和合金中发生的非扩散的晶型转变。

是固态一级相变的一种基本类型。

产物称为马氏体，通常具有板、片状的外形。

主要特征(1)宏观形状效应。

不但有体积变化，而且有形状变化。

如图2所示，在母相的自由表(平)面上，转变成马氏体的那块面积发生一定角度的倾斜，并仍保持为平面。

由此带动邻近的母相呈山峰状凸起(另一侧下凹)，原始态表面的直线刻痕转入新相后仍为直线，在界面处不断开，保持连续。

(2)非扩散。

生成相与母相成分相同，以共格或半共格界面为生长相界面，故不存在相界面迁移的热激活机制。

形核率和长大速度皆与扩散型转变的热动力学处理结果显著不符。

(3)惯习现象。

生成相的片、板的空间取向不是任意的，而是平行于母相的某个晶面(称为惯习面)。

作为母相的一个原子面，惯习面在相变过程中既不畸变，也不转动，是不变平面。

图3是对图2的局部作进一步标注，a’b’曲面发生转动，面积也有变化；但AB线段长度不变，方向也不变。

§ 1—4 马氏体转变钢经奥氏体化后，快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下发生的转变，为马氏体转变。

马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段之一。

因此，马氏体转变理论的研究与热处理实践有着十分密切的关系。

早在战国时期，人们已经知道可以用淬火，即将钢加热到高温后淬入水或油中急冷的方法提高钢的硬度。

经过淬火的钢制宝剑可以“销铁如泥” 。

但是在当时，对于淬火能提高钢的硬度的本质还不清楚。

直到十九世纪未期，人们才知道，钢在加热与冷却过程中，内部相组成发生了变化，因而引起了钢的性能的改变。

为了纪念在这一发展过程中作出杰出贡献的德国冶金学家Adolph Marte ns （阿道夫，马顿斯），法国著名的冶金学家Osmo nd （奥斯门德）建议将钢经淬火所得高硬度相称为马氏体，并因此而将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。

马氏体的英文名称为-Martensite，常用M表示。

由于钢在生产上得到了最广泛的应用以及马氏体转变最先在钢的淬火过程中发展，因此，在十九世纪未，二十世纪初对马氏体的研究，主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得的马氏体。

二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析方法测得钢中马氏体是C溶于a -Fe而形成的过饱和固溶体。

马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳。

因此，曾一度认为所谓马氏体即碳在中a -Fe 的过饱和间隙固溶体。

对于马氏体转变的研究，初期着重于了解马氏体转变与钢中其它转变的不同点，正是由于观察到了一系列不同于其它转变的特点，曾经有人认为马氏体转变与其它转变不同，是一个由快冷造成的内应力场所引起的切变过程。

四十年代后，在Fe-Ni、Fe-Mn 合金以及许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。

不仅观察到了冷却过程中发生的马氏体转变，还观察到了加热过程中所发生的马氏体转变。

新观察到的马氏体转变的特征和钢中马氏体转变的特征相似，基于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修正为：凡相变的基本特征属于马氏体型的产物统称为马氏体。