由于形成马氏体时,尚需考虑进行不变平面切变,不均匀切变的切变能,马氏体的储存能等。故相变温度必然低于T0,在Ms:ΔGγ→M∣Ms的差值(选为正值)称为相变驱动力。
① 相变驱动力较大的相变
一般达10J/mol数量级,如钢中的相变,驱动力均在1100J/mol 以上。 ② 相变驱动力较小的相变
一般达10-102J/mol 数量级,如Fe-Ru形成ε马氏体的相变驱动力只有210J/mol ,而弹性马氏体的相变驱动力则只有10~20J/mol。
(2)按形成方式分类
① 变温马氏体 转变量是温度的单值函数。 ② 等温马氏体 转变量是温度和时间的函数:具有马氏体的长大;新马氏体的形核。
③ 爆发式转变 低碳镍钢、铬钢、锰钢,Ms<0℃。
在MB(MB< Ms<0℃)以下,瞬间(几分之一秒内)剧烈地形成大量马氏体,有的高达70%M。
④ 弹性马氏体相变
热弹性:相变驱动力小,相变热滞小;相变形状应变为弹性协作,相界面 能往复(正、逆向)运动。
半热弹性:部分满足上述条件。
非热弹性:完全不符合其中条件的,即相变滞热大;一片马氏体瞬间长至完整大小(形状);界面呈不动界面;常形成位错来协作相变所产生的形状应变。 4.马氏体的类型
① 按形貌分类
条状马氏体 构成马氏体的最小单元为条状马氏体,其交界面为平面。 片状马氏体 针片状,大小不一,互成交角。 其它马氏体 蝶状、薄片状、ε等。
② 按亚结构分类 位错型和孪晶型马氏体 ③按晶体结构类型分类
钢中马氏体是碳在αFe中的过饱和固溶体,由于碳的溶入,使马氏体的点阵常驻数发生了变化,<0.2%马氏体为体心立方,而高碳钢中的马氏体为体心正方结构。这是由于碳沿C轴方向择优分布的缘故。
轴比c/a称为马氏体的立方度。c/a=1+γρ 其中ρ为马氏体含碳量(wt%),γ=0.046±0.001?
α马氏体:bcc bct一般钢的淬火组织均为α马氏体
ε马氏体:hcp,在Fe-Mn Fe-Ru Fe-Ir及18-8型不锈钢中看到
εˊ马氏体:由18层菱面构成,为一种密排结构,一般在-50℃以下形成。 Kˊ马氏体:具有反常轴比的马氏体,存在于低温,加热时转变为正常轴比的α马氏体。
二、马氏体的形态及其亚结构
3
1.马氏体的形态及其亚结构 (1)低碳条状马氏体
典型的低碳钢淬火组织为条状马氏体及条间残余奥氏体。
当奥氏体转变为条状马氏体时,每一个奥氏体晶粒被分割为几个马氏体群,每个马氏体群又由数个马氏体块(束)组成。构成马氏体块的最小单元即为条状马氏体的微观惯习面为{111}γ,(111)γ,(T11)γ,(1T1)γ,
板条状马氏体组织构成示意图
(11T)γ,马氏体群则是惯习面相同的条状马氏体,在
马氏体相变时,可以形成(在一个奥氏体晶粒内),4组惯习面指数不同的马氏体群。
若以惯习面为(111)γ,的马氏体群的形成为例,则在该惯习面上,{110} m,可有6个取向。即(110)m, (101)m,(011)m, (T10)m, (T01)m, (0T1)m,它们在空间的位向关系不是互成600就是垂直,从而在金相观察时,若侵蚀适当,可看到黑白相间的马氏体块。
由透射电镜分析知,条状马氏体的亚结构大多为高密度位错,ρ达1010~1012/㎝2位错形成位错胞,胞内位错密度较低,胞界则为高密度位错区。但在某些合金中的条状马氏体中亦发现相变孪晶。
不呈孪晶关系的条状马氏体中存在残条奥氏体,这种微量的奥氏体对条状马氏体的韧性贡献很大。这种残余奥氏体是由于相邻马氏体条切应变产生的压应力而导致的机械稳定性及碳原子迁移造成的化学稳定化造成的。其厚度约为100~200A0。
呈孪晶关系的条状马氏体中不存在这种残余奥氏体薄膜。 (2)高碳片状马氏体
高碳马氏体呈片状,由于高碳马氏体的形成温度较低,故在片状马氏体中存在大量的残余奥氏体。
高碳片状马氏体形成时,先形成的第一片马氏体往往横贯整个奥氏体晶粒,将奥氏体晶粒一分为二,使后形成的马氏体片的大小受到限制。所有的马氏体片既不相互穿越,也不穿过母相的晶界和孪晶界,后形成的马氏体片,则在奥氏体晶粒内进一步分割奥氏体晶粒。高碳马氏体呈凸透镜状,系数马氏体片的中间有一条中脊面,相邻马氏体片互不平行,旦大小不一,片的周围有一定量的残余奥氏体。
片状马氏体的惯习面,随形成温度的下降,由{225}γ变为{259}γ。
高碳马氏体组织示意图 亚结构为细的孪晶,它们一般集中在中脊面附近,随形成温度的下降,孪晶区扩大,乃至整个马氏体片。
呈部分孪晶的马氏体片,其长大过程可分为两个阶段:在第一阶段,不均匀切变的形式为孪生切变,其不变平面即为中脊面;在第二阶段,同一孪生单元呈滑移切变,形成位错,滑移的原因,可能是由于相变放热使局部温升。
由于马氏体互成交角,后形成的马氏体片对先形成的马氏体片有撞击作用,可使相接触处产生微裂纹。
2.铁钢的马氏体的类型及其特征对比
在钢中,C%↑,Ms↓,条状→片状,位错→孪晶 条状马氏体及片状马氏体形态、晶体学特征对比表 特征 惯习面 条状马氏体 (111)γ K—S关系 片状马氏体 (225)γ K—S关系 (259)γ 西山关系 (111)γ‖{110}(211)γ‖(110)α′ 形成温度 Ms>350℃ C% <0.3 0.3~1时为混合型 组织形态 条宽为0.1~0.3μm惯习面指数相同的马氏体构成马氏体粒内可形成3~4个马氏体群内含有3~6个马氏体块,块间为大角度晶界 亚结构 高密度位错网络,形宽度50埃的细小孪晶,以中脊为中心,随成位错胞,常见到少MS下降,相变孪晶区增大,片的边缘为复杂量细小孪晶 残奥 呈薄片膜状 的直线式螺位错列 存在于片的周围,随含量增加而增加 呈凸透镜片状,中间稍同左,在两个初生厚,初生片横贯奥氏体片之间见到“Z”字晶粒,次生片较小,互形分布的细薄片 合处有微裂纹,片的中惯习面。 Ms≈200~100℃ 1~1.4 Ms<100℃ 1.4~2 位向关系 {111}γ‖{110}α′ {111}γ‖{110}α′ (110)γ‖(111)α′ (110)γ‖(111)α′ α′ 群,在一个奥氏体晶成交角,相互撞击,接马氏体群,而在一个央有中脊,常将之看成形成过程 各自独立形核,10-4s/片MS高,无爆发转变
3.影响形态及亚结构的主要规律 (1)母相的化学成分
降温形成,长大速率高10-7s/片,MS低时,有爆发转变 这是决定马氏体形态及其亚结构的主要因素,C%↑,位错→孪晶;条状→条状+片状→片状
Fe-C二元中,加入合金元素
缩小γ相区(V,Cr,Mo,W)促进条状马氏体的形成 扩大γ相区:
(C,N,Ni,At),Me%↑,条状→片状
(Mn,Ru,Ir,) Me%↑,层错能↓,条状→马氏体ε(密排立方) Cu, 在Fe中固溶量小,对MS影响不大,仍为条状 Co Co%↑,MS↑,促进条状马氏体的形成
在Fe-Ni-C合金系中, C%↗,Ms↘,形态:条状→条状与片状→蝶状→片状→片状+薄片状→薄片状 (2)压力
高压促使低碳钢中出现孪晶马氏体(如Fe-0.2C)常压下马氏体富有韧性,高压下却具有高脆性。 (3)淬火冷却速率
常用的冷速对马氏体形态无显著影响,但0.76C-14Ni钢中,冷速13200℃/s↗17050℃/s,条状+片状→片状,且M%↑ (4)影响因素
随着马氏体形成温度的下降,形态由条状→片状过渡,亚结构由位错→孪晶。 当马氏体在较高温度形成时,滑移的临界分切应力较低,滑移比孪生更易于发生,从而亚结构中留下大量位错。同时,由于温度较高,奥氏体和马氏体的强度均较低,相变时,应力的松驰可以同时在奥氏体及马氏体中以滑移方式松驰,故惯习面为(111)γ,由于(111)γ晶系较少,使形成马氏体的起始位向数较小,从而有利于条状马氏体的形成,随着形成温度的下降,不均匀切变的方式逐渐过渡为以孪生方式进行。这时,若奥氏体的ζS超过206Mpa,则形成惯习面为(259)γ的片状马氏体,这是由于相变应力在两相中均只以孪生的方式松弛所致;若奥氏体的ζS低于206Mpa,而形成马氏体的强度较高,则应力在奥氏体中以滑移方式松弛,而在马氏体中却以孪生方式松弛,则形成惯习面为(225)γ的片状马氏体。
4.工业用钢淬火马氏体的金相形态 (1)低碳钢中的马氏体
为了获得高强度、高韧性、低的冷脆转化温度,常得到条状马氏体。由于低碳马氏体在300℃回火时,有致脆现象,故应选用150~200℃的低温回火,以消除热处理应力。
(2)中碳结构钢中的马氏体
为了在回火后获得优良的综合力学性能,常选用较低的奥氏体化温度,以获得组织较细的条状+片状马氏体的混合组织。 (3)高碳工具钢中的马氏体
为了增加工具钢的高硬度、高耐磨性,常选用过低的奥氏体化温度,保留一定量未溶碳化物粒子,并在处理后获得隐晶状马氏体与粒状碳化物的混合组织。
温度
高 低
应力松弛 滑移 M、A A
孪生 M
位错 位+孪 孪+位
{111}γ 条状 {225}γ 片状
脊)
M、A {259}γ 片状(中
三、马氏体相变的开始和停止
T. Y. Hsu and Chang Hongbing, Acta Metall., 32(1984), 343
T. Y. Hsu , Chang Hongbing and Luo Shoufu, J.Mater., Sci.,18(1983), 3206 Chang Hongbing and T. Y. Hsu, Acta Metall.,34(1986), 333 1.马氏体相变开始温度(Ms)及其测定
T????? 在T0,两相自由能相等,?相与具有相同成分的?相处于热力
0学平衡,而Ms?T0,在Ms,?相比?相多出的那部分自由能?G???供马氏体相变所需的切变能、界面能、应变能等,即
Ms用以提
T0?Ms表示了相变的滞后程度,也间接表明了相变驱动力的大小。
① 马氏体的性能取决于马氏体的相结构(尤其是韧性)。前已述及,亚结构与Ms是密切相关的,在生产实践中,为了获得较高韧性的马氏体,必须选择
Ms>350℃的钢种。
② Ms越低,钢淬火到室温时的AR越多,为了获得足量马氏体,必须选择合适的钢种,或对淬火钢作冰冷处理。