10.2.1 钢中马氏体的晶体结构

马氏体转变的晶体学（一）马氏体的晶体结构1、马氏体的晶格类型Fe-C 合金的马氏体是C 在中的过饱和间隙固溶体。

X-射线衍射分析证实，马氏体具有体心正方点阵（点阵常数之间的关系为：a=b ≠c ，α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。

人们通过X-射线衍射分析法，测定不同碳含量马氏体的点阵常数，得出c 、a 及c/a 与钢中碳含量成线性关系，由图7可见，随钢中碳含量升高，马氏体点阵常数c 增大，a 减小，正方度c/a 增大。

图中a γ为奥氏体的点阵常数。

马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：⎪⎭⎪⎬⎫+=-=+=γρβραρ1/00a c a a a c式中 a 0为α-Fe 的点阵常数， a 0=2.861Å；α=0.116±0.002；β=0.113±0.002；γ=0.046±0.001；ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。

显然，系数α和β的数值确定着C 原子在α-Fe 点阵中引起的局部畸变。

上式所表示的马氏体点阵常数和碳含量的关系，长期图8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构及溶于其中的碳原子所在的位置以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。

马氏体的正方度c/a，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。

2、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布C 原子在中α-Fe 可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。

在单胞中就是各边中央和面心位置，如图8所示。

体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a ，短轴为c 。

根据计算，α-Fe 中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19Å，而C 原子的有效半径为0.77Å。

因此，在平衡状态下，C 在α-Fe 中的溶解度极小（0.006%）。

一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。

因此，势必引起点阵发生畸变。

图9中只指出了C 原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C 原子存在。

马氏体名词解释：
马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称，是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。

最先由德国冶金学家Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。

马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。

马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。

在中、高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。

高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。

板条状马氏体是低碳钢,马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金形成的一种典型的马氏体组织，因其单元立体形状为板条状，故称板条状马氏体。

由于它的亚结构主要是由高密度的位错组成，所以又称位错马氏体。

片状马氏体则常见于高，中碳钢，每个马氏体晶体的厚度与径向尺寸相比很小其断面形状呈针片状，故称片状马氏体或针状马氏体.由于其亚结构主要为细小孪晶,所以又称为孪晶马氏体.一般当Wc<0.3%时，钢在马氏体形态几乎全为板条马氏体;当Wc>1.0%时，则几乎全为片状马氏体；当Wc=0.3%-1.0%时，为板条马氏体和片状马氏体的混合物，随含碳量的升高，淬火钢中板条马氏体的量下降，片状马氏体的量上升.高碳钢在正常温度淬火时，细小的奥氏体晶粒和碳化物都能使其获得细针状马氏体组，这种组织在光学显微镜下无法分辨称为隐针马氏体。

实验 钢中马氏体组织观察马氏体是钢和一些铁合金的重要的基本组织。

随着合金种类和成份的变化马氏体的形态和内部精细结构等也跟着变化，这些变化对马氏本的机械性能会产生很大影响。

因此掌握马氏体的组织形态特征并了解影响组织形态的各种因素是十分必要的。

一、马氏体的组织形态近年来，随着薄膜透射电子显微技术的发展，人们对马氏体的形态及其精细结构进行了详细的研究，发现钢中的马氏体组织形态虽然是多种多样，但就其特征而言，大体可分为板条群集状马氏体、透镜片状马氏体、蝶状马氏体、薄片状马氏体、ε—马氏体等。

其中最常见的是板条群集状马氏体和透镜片状马氏体。

下面对这两种常见的马氏体形态进行较详细的介绍，其他马氏体形态只作一般介绍。

1.板条群集状马氏体 板条群集状马氏体是在低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁系合金中生成的一种典型的马氏体组织。

这种马氏体在光学显微镜下的组织特征主要是由尺寸大致相同平行排列的板条状马氏体群组成。

所以称此马氏体为群集状马氏体（参看图1-61）。

近年来用电子显微镜研究的结果，发现板条内有密度很高的位错，位错密度约为（0.3～0.9）×1012cm -1，为此，有时也称板条群集状马氏体为位错型马氏体（见图1～62）。

此外，在板条内的局部地区也有孪晶存在，但数量很少，不是主要的晶格缺陷。

板条群集状马氏体与母相奥氏体的晶体学位向关系是K ～S 关系，惯习面为（111）γ；18～8型奥氏体不锈钢中的板条群集状马氏体的惯习面是(225)Γ。

应用透射电子显微镜测定板条宽度范围在0.025～2.25μ之间，大多数板条的宽度为0.1～0.2μ之间。

相同方向的板条马氏体群之内，相邻板条之间并不严格平行而是以小角度晶界相间，板条群之间以大角度晶界相间。

实验证明，改变奥氏体化温度，即改变奥氏体晶粒大小，对板条宽度几乎没有影响，图1-61板条马氏体在光学显微镜下的组织形态 图1-62板条马氏体在电子显微镜下的组织形态但板条群的大小却随奥氏体晶粒的增大而增大，两者之间的比大致不变。

马氏体转变的晶体学（一）马氏体的晶体结构1、马氏体的晶格类型Fe-C 合金的马氏体是C 在中的过饱和间隙固溶体。

X-射线衍射分析证实，马氏体具有体心正方点阵（点阵常数之间的关系为：a=b ≠c ，α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。

人们通过X-射线衍射分析法，测定不同碳含量马氏体的点阵常数，得出c 、a 及c/a 与钢中碳含量成线性关系，由图7可见，随钢中碳含量升高，马氏体点阵常数c 增大，a 减小，正方度c/a 增大。

图中a γ为奥氏体的点阵常数。

马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：⎪⎭⎪⎬⎫+=-=+=γρβραρ1/00a c a a a c式中 a 0为α-Fe 的点阵常数， a 0=2.861Å；α=0.116±0.002；β=0.113±0.002；γ=0.046±0.001；ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。

显然，系数α和β的数值确定着C 原子在α-Fe 点阵中引起的局部畸变。

上式所表示的马氏体点阵常数和碳含量的关系，长期图8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构及溶于其中的碳原子所在的位置以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。

马氏体的正方度c/a，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。

2、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布C 原子在中α-Fe 可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。

在单胞中就是各边中央和面心位置，如图8所示。

体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a ，短轴为c 。

根据计算，α-Fe 中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19Å，而C 原子的有效半径为0.77Å。

因此，在平衡状态下，C 在α-Fe 中的溶解度极小（0.006%）。

一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。

因此，势必引起点阵发生畸变。

图9中只指出了C 原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C 原子存在。

马氏体的组织形态马氏体的组织形态与合金的化学成分及转变温度有密切关系，钢中的马氏体有两种基本类型：板条状马氏体和片状马氏体。

1、板条状马氏体板条状马氏体是在低、中碳钢或低、中碳合金钢淬火时形成的典型组织，实验已经证实其内部亚结构为高密度位错，故又称为位错马氏体，由因为它主要形成于低碳钢中，也称为低碳马氏体。

板条状马氏体的显微组织如图，为一束束平行排列的微细组织；电子显微镜观察发现，每一束马氏体是由细长的板条组成。

低碳钢淬火得到的板条状马氏体图是板条状马氏体的组织示意图。

板条状马氏体主要特征可归纳如下。

①显微组织：一个奥氏体晶粒通常由3～5个马氏体板条群组成（图A区），板条群之间有明显的界面分开，板条群又可分成一个或几个平行的马氏体同位向束，同位向束之间呈同位向束之间呈大角度界面（图B区）；一个板条群也可以只由一个同位向束组成（图C区）；每个同位向束是由平行的板条组成，板条间为小角度界面（图D区）。

板条状马氏体的尺寸由大到小依次为板条群、同位向束及板条。

②空间形态：马氏体为细长的板条状，每一个板条为一个单晶体，横界面近似为椭圆形，马氏体的惯习面为③亚结构：马氏体板条内部为高密度位错，相当于经剧烈冷塑性变形金属的位错密度。

实验证实马氏体板条之间有连续的残余奥氏体薄膜，薄膜的含碳量较高，表明相变时C原子曾发生微量的扩散。

2、片状马氏体▪片状马氏体是在中、高碳钢或中、高碳合金钢淬火时形成的典型组织，与位错马氏体不同，其内部亚结构主要是孪晶，故又称为孪晶马氏体。

▪由于它总出现在高碳钢中，也称为高碳马氏体。

▪实际中也经常按其形态称为透镜片状马氏体或针状及竹叶状马氏体。

T10钢淬火后的片状马氏体片状马氏体的显微组织（a）和孪晶亚结构（b）片状马氏体的主要特征可概括为以下几方面：▪①显微组织：马氏体呈片状、针状或竹叶状，相互间相交成一定的角度。

在一个奥氏体晶粒内，首先生成的马氏体片一般横贯整个晶粒，随后生成的马氏体片尺寸依次减小。

钢中马氏体的孪晶亚结构及形成机制计云萍，刘宗昌，任慧平（内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010）摘要：研究钢中马氏体的孪晶亚结构具有重要的理论意义。

选用含0.029%La纯铁、40Cr、60Si2CrV、CrWMn和Mn13钢，分别将其加热奥氏体化后淬火，得到马氏体组织。

采用JEM-2100高分辨透射电镜观察马氏体组织中的孪晶亚结构，并探讨其形成机制。

观察表明，从超低碳钢到高碳钢，淬火马氏体中均能够产生孪晶，碳含量提高则马氏体中孪晶增加。

马氏体相变过程中形成的孪晶亚结构属于相变孪晶，其形貌和形成机制与形变孪晶有所区别。

孪晶亚结构的形成与马氏体相变的应变能有关，随着转变温度降低，应变能增大，马氏体长大过程中形成精细孪晶以调节应变能，这是形成相变孪晶的重要原因之一。

关键词：马氏体；孪晶；高分辨电镜；应变能1 试验材料及方法选用含0.029%La纯铁、40Cr、60Si2CrV、CrWMn和Mn13钢，分别将其加热奥氏体化后淬火，得到马氏体组织。

采用QUANTA-400型环境扫描电镜观察马氏体组织，采用JEM-2100高分辨透射电镜观察马氏体组织中的孪晶亚结构，并探讨孪晶亚结构的形成机制。

2 结果与分析2.1钢中马氏体孪晶亚结构的观察图1 钢中马氏体的亚结构（a）、（b）含0.029%La纯铁马氏体组织及孪晶（TEM）；（c）40Cr钢马氏体及少量孪晶（TEM）；（d）60Si2CrV钢马氏体中的孪晶（TEM）；（e）CrWMn钢马氏体片内的孪晶（TEM）；（f）Mn13钢马氏体片及内部孪晶（TEM）图1是钢中火马氏体亚结构观察的照片。

将3 mm厚的含0.029%La纯铁试样于1100℃加热保温后，立即在冰盐水中激冷，然后制备薄膜样品，采用JEM-2010透射电镜进行观察，发现板条状马氏体中存在着细小的孪晶片条。

将40Cr钢加热到1200 ℃后淬火获得马氏体组织，观察发现，板条马氏体内部存在高密度位错，同时可见存在少量孪晶亚结构，如图1（c）中箭头所指。

钢在冷却时的转变之马氏体晶体结构、组织、性能马氏体晶体结构、组织、性能一、定义（1）马氏体转变：钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解（低于M S点发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。

值得注意的是基本特征属于马氏体转变的相变，其相变产物都称为马氏体。

（2）马氏体：钢中的马氏体就其本质来说，是碳在α-Fe中过饱和的间隙固溶体。

二、马氏体的晶体结构三、马氏体的组织形态钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体（位错马氏体）、片状马氏体（又称针状马氏体）。

（1）板条马氏体板条马氏体是在低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成一种典型的马氏体组织。

a）结构形态：马氏体板条（D）→马氏体束（B-2条;C-1条）→板条群（3~5个）→板条马氏体；b）密集的板条之间通常由含碳量较高的残余奥氏体分割开，这一薄层残留奥氏体存在显著地改善钢的力学性能；c）板条马氏体内有大量位错，这些位错分布不均匀。

形成胞状亚结构，称为位错胞，所以又称位错马氏体。

（2）片状马氏体高碳钢（ωC＞0.6%）、ωNi=30%的不锈钢及一些有色金属和合金，淬火时形成的片状马氏体组织。

a）结构形态：片状马氏体的空间形态呈凸透镜状，由于试样抛磨与其截面相截，因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故片状马氏体又称针状马氏体或竹叶状马氏体；b）显微组织特征：马氏体片互相不平行，在一个奥氏体晶粒内，第一片形成的马氏体往往贯穿整个奥氏体晶粒，并将其分割成两半，使以后形成的马氏体片尺寸越来越小。

c）尺寸：最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越大，则马氏体片越粗大。

d）隐晶马氏体：当最大的马氏体片细小到光学显微镜不能分辨时，便成为“隐晶马氏体”在生产中正常淬火得到的马氏体，一般都是隐晶马氏体；e) 片状马氏体的亚结构主要是孪晶，因此片状马氏体又称孪晶马氏体。

孪晶通常分布在马氏体的中部，不扩展到马氏体片的边缘区，在边缘区有高密度的位错。

在含碳量ωC＞1.4%的钢中可见到马氏体片中的中脊线，它是高密度的细的微细孪晶区；f) 显微裂纹：马氏体形成速度极快，在其相互碰撞或奥氏体晶界相撞时将产生相当大的应力场，片状马氏体本身硬而脆，不能通过滑移或孪生变形使应力得以松弛，因此容易形成撞击裂纹。

第二节　马氏体转变的晶体学一、马氏体的晶体结构： （一）、钢中马氏体的本质： 马氏体是碳溶于α-Fe中的过饱和间隙式固溶体，记为M或α'。

其中的碳择优分布在c轴方向上的八面体间隙位置。

这使得c轴伸长，a轴缩短，晶体结构为体心正方。

其轴比c/a称为正方度，马氏体含碳量愈高，正方度愈大。

（二）、马氏体的晶体结构类型：马氏体的晶体结构类型有两种：体心立方结构（W C<0.2%）、体心正方结构（W C>0.2%） 。

奥氏体具有面心立方点阵，溶入的碳原子位于铁原子所组成的正八面体中心(图4-8a)。

（a）　C原子在马氏体的晶胞中可能存在的位置； （b）　C原子在马氏体的晶胞中一组扁八面体间隙位置可能存在的情况；图4-8　马氏体的晶胞模型 M转变时，面心立方的A通过切变转变为体心立方的α-Fe，此时，马氏体中的碳原子仍停留在六个铁原子所组成的八面体中心。

由图4－8可见，C原子位于面心或棱边中心，即扁八面体的中心，C原子溶入后，会使短轴（c轴）伸长，长轴（a轴）缩短。

其轴比c/a不再等于1，称为马氏体的正方度。

(c，a为点阵参数)。

马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度愈大，即： c/a=1＋0.046w c 即：AA'=BB'=CC' 马氏体转变时，面心立方的A通过切变转变为体心立方的α-Fe，此时，碳原子仍停留在六个铁原子所组成的八面体中心(图4-8b)。

由上图可见，C原子位于面心或棱边中心，即扁八面体的中心，因为B1B1'= C1C1'>A1A1'，C原子溶入后，会使短轴A1A1'=伸长，长轴B1B1'和C1C1'缩短。

c/a不再等于1，称为正方度。

(c，a为点阵参数，A1A1'=c，B1B1'=a，C1C1'=b)C含量对c，a的影响可见式(4-1)。

c =α0+αρ (4-1a) a =α0+βρ (4-1b) c/a=1+γρ (4-1c)式中：α0＝0.2861nm (α-Fe点阵参数)； α= 0.116±0.002； γ=0.046±0.001； β= 0.013±0.002；图4－9　马氏体点阵参数与C含量的关系 ρ-马氏体碳含量(重量%)。

马氏体的晶体结构
晶体结构:马氏体是由fe元素和c元素组成的单向结构,其中fe 原子构成了体心立方,c原子分布在八面体间隙中。

产生原因:c原子在马氏体点阵中可能位置为由fe原子组成的扁八面体空隙中,c原子有效半径>扁八面体孔隙在短轴方向上的半径,故在平衡状态下,C的溶解度极小,然而一般钢中马氏体碳含量远远超过这个数值,引起点阵畸变,C溶入点阵扁八面体空隙后,力图使其变为正八面体,结果使短轴伸长,另外两个方向收缩,从而使体心立方转向体心正方点阵。

马氏体的组织形态淬火获得马氏体组织，是钢件达到强韧化的重要基础。

由于钢的种类、成分不同，以及热处理条件的差异，会使淬火马氏体的形态和内部精细结构及形成显微裂纹的倾向性等发生很大变化。

这些变化对马氏体的机械性能影响很大。

因此，掌握马氏体组织形态特征并进而了解影响马氏体形态的各种因素是十分重要的。

（一）马氏体的形态近年，随着薄透射电子显微技术的发展，人们对马氏体的形态及其精细结构进行了详细的研究，发现钢中马氏体形态虽然多种多样，但就其特征而言，大体上可以分为以下几类。

1、板条状马氏体板条状马氏体是低、中碳钢，马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金中形成的一种典型的马氏体组织。

低碳钢中的典组织如图14所示。

（1）显微组织马氏体呈板条状，一束束排列在原奥氏体晶粒内。

因其显微组织是由许多成群的板条组成，故称为板条马氏体。

对图14 20CrMnTi 钢的淬火组织，板条马氏体 （1150℃加热，水淬）400×某些钢因板条不易浸蚀显现出来，而往往呈现为块状，所以有时也之为块状马氏体。

又因为这种马氏体的亚结构主要为位错，通常也称为位错型马氏体。

这种马氏体是由若干个板条群组成的，也有群状马氏体之称。

每个板条群是由若干个尺寸大致相同的板条所组织，这些板条成大致平行且方向一定的排列。

（2）晶体学特征板条马氏体与母相奥氏体的晶体学位向关系是K —S 关系，惯习面为（111）γ，而18-8不锈钢中板条状马氏体的惯习面是（225）γ。

根据近年来的研究，板条马氏体显微组织的晶体学特征可以用图15表示。

其中A 是平行排列的板条状马氏体束组织的较大的区域，称为板条群。

一个原始奥氏体晶粒可以包含几个板条群（通常为3~5）。

在一个板条群内又可分成几个平行的像图中B 那样的区域。

当用某些溶液腐蚀时，此区域有时仅显现出板条群的边界，而使显微组织呈现为块状，块状马氏体即由此而得名。

当采用着色浸蚀时（如用100ccHCl+5gCaCl 2+100ccCH 3CH 溶液），可在板条群内显现出黑白色调。