3马氏体转变(一)

马氏体转变(一)
陈德华;许雯;李响妹;朱祖昌
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2011(032)005
【摘要】马氏体转变是一种切变型的,无成份改变的,无扩散的和无热激活的位移型相变.马氏体是应用于物理冶金上表示无扩散相变产物的通称.在铁基材料、有色金属材料和一些非金属晶体材料中都会发生马氏体转变.马氏体转变是许多重要工程材料进行强化的极其重要手段,因而受到极大的重视.马氏体转变的研究进展很快.本文吸取近一二十年来国内外的研究成果从其相变特征、形态、热力学、动力学、晶体学、性能和有色金属、陶瓷材料、形状记忆合金中的马氏体相变诸方面加以叙述,以期人们有较深刻的认识和了解.
【总页数】7页(P60-66)
【作者】陈德华;许雯;李响妹;朱祖昌
【作者单位】上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海200070;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海200070;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海200070;上海市机械制造工艺研究所有限公司,上海200070;上海工程技术大学,上海201620
【正文语种】中文
【中图分类】TGll1.5
【相关文献】
1.Ni50Mn38-xIn12Fex多晶合金的马氏体转变和磁转变特性 [J], 吴志刚;任晓兵;刘义农
2.热处理和转变循环对NiTi合金马氏体转变影响的热力学分析 [J], 唐逸伦
3.利用电镜研究经过时效的Ti—5lat%Ni形状记忆合金中的预马氏体和马氏体转变[J], 陶正兴
4.马氏体转变温度对奥氏体不锈钢的马氏体转变的影响 [J], 浦江;陈挺;王步美
5.预转变马氏体对GCr15钢贝氏体转变动力学的影响 [J], 李超;汪建利;刘金芳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

马氏体转变的晶体学特点马氏体转变是指在钢铁中从奥氏体转变为马氏体的过程。

这个过程是由于钢铁受到了高温和快速冷却的影响，使得奥氏体晶格结构发生变化，形成了马氏体晶格结构。

马氏体转变对于钢铁的力学性能和物理性能具有很大的影响，因此研究马氏体转变的晶体学特点非常重要。

一、马氏体转变的基本原理1.1 马氏体转变的定义马氏体是指由奥氏体通过快速冷却而形成的一种新晶相。

其特点是硬度高、脆性强、磁性强等。

1.2 马氏体转变的条件（1）合适的成分：合金元素含量应该适中，过高或过低都会影响马氏体转变。

（2）适当的温度：温度过高或过低都会影响马氏体转变。

（3）快速冷却：只有在快速冷却条件下才能形成马氏体。

二、马氏体晶格结构2.1 马氏体晶格结构马氏体晶格结构是由六方最密堆积结构变形而来的。

其具有三种不同的变体：板条马氏体、针状马氏体和双相马氏体。

2.2 马氏体晶格结构的特点（1）硬度高：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其硬度非常高。

（2）脆性强：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其韧性非常差，容易发生断裂。

（3）磁性强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。

三、马氏体转变的影响3.1 马氏体转变对力学性能的影响（1）硬度增加：由于马氏体具有较高的硬度，所以钢铁经过马氏体转变后，硬度会明显增加。

（2）韧性降低：由于马氏体具有较高的脆性，所以钢铁经过马氏体转变后，韧性会明显降低。

（3）延展性降低：由于钢铁经过马氏体转变后，延展性会明显降低。

3.2 马氏体转变对物理性能的影响（1）磁性增强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。

（2）导电性降低：由于马氏体具有较高的硬度，所以其导电性会明显降低。

四、马氏体转变的应用4.1 马氏体转变在钢铁生产中的应用钢铁生产中经常采用马氏体转变来改善钢铁的力学性能和物理性能。

例如，在汽车制造业中，常使用高强度钢来提高汽车的安全性能。

而这些高强度钢通常是经过马氏体转变处理后得到的。

马氏体转变马氏体转变的发展过程早在战国时代人们已经知道用淬火(即将钢加热到高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的硬度，经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。

十九世纪末期，人们才知道钢在“加热和冷却”过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的变化。

为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的德国冶金学家Adolph Martens 法国著名的冶金学家Osmond 建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏体”并因此将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。

Martensite M—马氏体十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得产物—马氏体。

二十世纪三十年代，人们用X 射线结构分析的方法测得钢中马氏体是碳溶于α-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α—Fe 中的过饱和固溶”。

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”。

四十年代前后，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。

不仅观察到冷却过程中发生的马氏体转变；同时也观察到了在加热过程中所发生的马氏体转变。

由于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修定为：“在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体”。

近年来，由于实验技术的进一步发展，使人们对马氏体的结构以及马转变的特征又有了进一步的了解，对许多现象的认识也有了很大的进步，并因此而推动了热处理新工艺及新材料的发展，其中最为脍炙人口的是在热弹性马氏体基础上发展起来的形状记忆合金。

1.奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，它是γ－Fe的面心立方结构，其溶碳能力较大。

2.马氏体是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相，是母相奥氏体快速冷却时形成的新相，为体心四方结构，其溶碳能力较小。

3.马氏体相变：从奥氏体到马氏体的转变，为无扩散型相变。

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。

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。

(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。

马氏体转变的热力学过去，曾有不少人认为，马氏体转变不是热学性的，转变的驱动力不是马氏体与奥氏体的自由能之差。

四十年代，人们在大量工作的基础上得出马氏体转变与液态金属的凝固以及钢的加热转变等是一样的，即转变的驱动力也来自新旧相的化学自由能差。

但也应看到，马氏体转变确有很多不同于其它转变的在表面上看来难以用热学性质观点加以解释的特点，现已逐步弄清，这些特点是马氏体转变的特定条件所决定的。

（一）马氏体转变热力学条件1、相变驱动力马氏体转变和一般相变一样，相变的驱动力是新相与母相的化学自由能差。

同一成分合金的马氏体与奥氏体的化学自由能和温度的关系如图25所示。

图中T 0为两相热力学平衡温度，即温度为T 0时αγ'=G G式中为高温相之自由能，G αˊ为马氏体之自由能。

在其它温度两相自由能不相等，则γααγG G G -=∆''→当上式为正时，马氏体自由能高于奥氏体的自由能，奥氏体比马氏体稳定，不会发生奥氏体向马氏体转变；反之，当上式为负时，则马氏体比奥氏体稳定，奥氏体有向马氏体转变的趋势，ΔGγ→αˊ即称为马氏体相变的驱动力。

显然，在T0温度处，ΔGγ→αˊ=0。

马氏体转变开始点M S必定在T0以下，以便由过冷提供相变所需要的化学驱动力。

而逆转变开始点A S必然在T0以上，以便由过热提供逆转变所需要的化学驱动力。

通常把M S与T0之差称为热滞，热滞的大小视合金的各类和成分而异。

Fe系合金热滞可高达200℃以上，而有的合金的热滞仅十几度到几十度，如Au-Cd、Ag-Cd合金。

铁系合金观马氏体转变的热力学特点是，具有很大的热滞，即必须在很大的过冷度下才能发生马氏体转变，一般的马氏体转变都需要在降温过程中不断进行，等温保持马氏体转变将立即中止进行。

逆转变的热力学特征与冷却时的则好相反，相变必须在一定的过热度下才能进行，只有在A S点以上相变才能进行，而且转变是在升温过程中进行的，终了点为A f。