1、耿 林哈爾濱工業大學材料科學與工程學院材料科學基礎（材料相變原理）第4章 馬氏體轉變鋼經過奧氏體化后，快速冷卻到珠光體轉變溫度以下，不發生珠光體轉變，在較低的溫度下發生非擴散型相變，稱為馬氏體相變。馬氏體相變是鋼中最主要的相變，是鋼熱處理強化的重要手段。凡相變的基本特征屬于馬氏體型的轉變產物都稱為馬氏體。本章主要內容包括：馬氏體的晶體結構、組織形態、轉變特點、轉變機理、熱力學、動力學、強化機理和性能特點。第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構一、馬氏體的點陣結構與碳原子的分布：奧氏體是面心立方晶體結構，其正八面體間隙尺寸較大，因此碳原子占據奧氏體中的正八面體間隙所產生的畸變能較小，因此

2、奧氏體對碳原子的溶解度較高，在1148時可以達到2.11。所以在奧氏體狀態下，鋼中的碳可以全部溶入奧氏體，形成穩定固溶體。間隙半徑是原子半徑的0.414倍第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構一、馬氏體的點陣結構與碳原子的分布：鐵素體是體心立方晶體結構，其八面體間隙尺寸在一個方向上較小，導致碳原子占據鐵素體中扁八面體間隙時，產生較大的極性畸變能，因此鐵素體對碳原子的溶解度較低，在727時可以達到0.0218。所以在鐵素體狀態下，鋼中大多數碳不能溶入鐵素體，否則將形成不穩定的過飽和固溶體。間隙半徑是原子半徑的0.154倍第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構一、馬氏體的點陣結構與

3、碳原子的分布：馬氏體轉變是在較低的溫度進行的，轉變時鐵原子和碳原子都不能擴散，鐵原子從奧氏體的面心立方晶格相鐵素體的體心立方晶格的轉變是依靠非擴散的共格切變來完成，但碳原子不能從鐵原子的晶格中擴散出去，而被過飽和地固溶在鐵素體中，形成了過飽和的-Fe固溶體，這就是馬氏體。從上面分析看出，馬氏體應該是具有體心立方晶體結構，但實際上馬氏體的晶體結構是體心正方。第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構一、馬氏體的點陣結構與碳原子的分布：馬氏體體心立方晶體的八面體間隙可以分成三組，每一組中的間隙位置加入碳原子后，都使一個方向的晶格參數被拉長。如果80的碳原子都占據三組中的一組，則體心立方點陣的一

4、個軸被拉長，稱為體心正方晶體。這就是馬氏體是體心正方結構的原因。XYZ第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構二、馬氏體的點陣常數與碳含量的關系：既然馬氏體的體心正方結構是由于碳原子的特殊分布造成的，體心正方結構的c軸一定大于a軸和b軸。c軸和a軸晶格常數之比為馬氏體的正方度(c/a)。隨碳含量提高，馬氏體的點陣常數中c線性增大，a線性降低，c/a線性增大。一般來說，碳含量低于0.25%的板條馬氏體的正方度接近1，為體心立方結構。合金元素對馬氏體的正方度幾乎沒有影響。馬氏體的點陣常數與碳含量的關系第4章 馬氏體轉變4.1 鋼中馬氏體的晶體結構三、新生馬氏體的異常正方度：一些新生馬氏體的正

5、方度與碳含量的關系不符合理論計算結果。有的與計算結果相比非常低，稱為異常低正方度，其原因可能是碳原子在三個亞點陣中無序分布，導致abc各不相等，形成正交點陣。有的與計算結果相比非常高，稱為異常高正方度，其原因可能是碳原子全部占據某一個亞點陣，這時ab，形成正方點陣。四、馬氏體中的點陣畸變：馬氏體中的八面體間隙是扁八面體間隙，間隙半徑只有0.019nm，而碳原子半徑為0.077nm。所以碳原子溶入后使鐵原子間隙短軸方向間距拉長36，另外兩個方向收縮4，并產生非常嚴重的非對稱畸變，稱為畸變偶極，形成強烈的應力場。第4章 馬氏體轉變4.2 馬氏體相變的主要特點一、切變共格和表面浮凸現象：奧氏體向馬氏

6、體晶體結構的轉變是靠切變進行的，由于切變使相界面始終保持共格關系，因此稱為切變共格。由于切變導致在拋光試樣表面在馬氏體相變之后產生凸起，即表面浮凸現象。二、馬氏體轉變的無擴散性：原子不發生擴散，但發生集體運動，原子間相對運動距離不超過一個原子間距，原子相鄰關系不變。轉變過程不發生成分變化，但卻發生了晶體結構的變化。轉變溫度很低，但轉變速度極快。第4章 馬氏體轉變4.2 馬氏體相變的主要特點三、具有一定的位向關系和慣習面：位向關系：K-S關系：111/011，101/111，可有24種取向西山關系：111/011，110/211，可有12種取向慣習面：隨碳含量提高和轉變溫度降低: (111) ,

7、 (225) , (259) 第4章 馬氏體轉變4.2 馬氏體相變的主要特點四、馬氏體轉變是在一個溫度范圍內完成的：馬氏體轉變是奧氏體冷卻的某一溫度時才開始的，這一溫度稱為馬氏體轉變開始溫度，簡稱Ms點。馬氏體轉變開始后，必須在不斷降低溫度的條件下才能使轉變繼續進行，如冷卻中斷，則轉變立即停止。當冷卻到某一溫度時，馬氏體轉變基本完成，轉變不再進行，這一溫度稱為馬氏體轉變結束溫度，簡稱Mf點。從以上分析可以看出，馬氏體轉變需要在一個溫度范圍內連續冷卻才能完成。如果Mf點低于室溫，則冷卻到室溫時，將仍保留一定數量的未轉變奧氏體，稱之為殘余奧氏體。第4章 馬氏體轉變4.2 馬氏體相變的主要特點五、馬

8、氏體轉變的可逆性：在某些合金中，奧氏體冷卻轉變為馬氏體后，重新加熱時，已經形成的馬氏體又可以通過逆向馬氏體轉變機構轉變為奧氏體。這就是馬氏體轉變的可逆性。將馬氏體直接向奧氏體轉變的稱為逆轉變。逆轉變開始溫度為As點，終了溫度為Af點。Fe-C合金很難發生馬氏體逆轉變，因為馬氏體加熱尚未達到As點時，馬氏體就發生了分解，析出碳化物，因此得不到馬氏體逆轉變。最基本特點：共格切變，無擴散性第4章 馬氏體轉變4.3 鋼中馬氏體的組織形態一、板條狀馬氏體：在一個原奧氏體晶粒內部有幾個（35個）馬氏體板條束，板條束間取向隨意；在一個板條束內有若干個相互平行的板條塊，塊間是大角晶界；在一個板條塊內是若干個相

9、互平行的馬氏體板條，板條間是小角晶界。馬氏體板條內存在大量的位錯，所以板條馬氏體的亞結構是高密度的位錯和位錯纏結。板條狀馬氏體也稱為位錯型馬氏體。板條馬氏體是低、中碳鋼中形成的一種典型馬氏體組織，其形貌特征可描述如下：第4章 馬氏體轉變4.3 鋼中馬氏體的組織形態二、片狀馬氏體：在一個原奧氏體晶粒內部有許多相互有一定角度的馬氏體片。馬氏體片的空間形態為雙凸透鏡狀，橫截面為針狀或竹葉狀。在原奧氏體晶粒中首先形成的馬氏體片貫穿整個晶粒，將奧氏體晶粒分割，以后陸續形成的馬氏體片越來越小，所以馬氏體片的尺寸取決于原始奧氏體晶粒的尺寸。片狀馬氏體是中、高碳鋼中形成的一種典型馬氏體組織，其形貌特征可描述如

10、下：片狀馬氏體的形成溫度較低，在馬氏體片的周圍往往存在著殘余奧氏體。片狀馬氏體的內部亞結構主要是孿晶。當碳含量較高時，在馬氏體片中可以看到中脊，中脊面是密度很高的微孿晶區。由于馬氏體片形成時的相互撞擊，馬氏體片中存在大量的纖維裂紋。第4章 馬氏體轉變4.3 鋼中馬氏體的組織形態三、板條狀馬氏體和片狀馬氏體的比較：特征板條狀馬氏體片狀馬氏體碳含量350Ms100200Ms100慣習面(111)(225)(259)位向關系K-S關系西山關系K-S關系西山關系亞結構位錯孿晶其它馬氏體形態：蝶狀馬氏體，薄片狀馬氏體，馬氏體第4章 馬氏體轉變4.3 鋼中馬氏體的組織形態四、影響馬氏體形態的因素：馬氏體點形態主要取決于馬氏體的形成溫度，而馬氏體的形成溫度有主要取決于馬氏體中碳和合金元素含量。隨馬氏體中碳含量的提高，馬氏體形成溫度降低，板條馬氏體數量相對減少，片狀馬氏體數量相對增多。除Co和Al外，合金元