第三章

馬氏體轉(zhuǎn)變第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)V＞Vc時，基體Fe仍發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即γ→α，fcc→bcc。冷卻速度V快，轉(zhuǎn)變溫度低，C原子擴散能力極弱，導(dǎo)致無C原子擴散。γ中的C全部固溶于α之中。馬氏體M：C原子固溶于α-Fe而形成的過飽和固溶體。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)馬氏體晶體結(jié)構(gòu)≈α-Fe晶體結(jié)構(gòu)。C原子可位于棱邊和面之中心。C%≤0.2%時體心立方（立方體），C%＞0.2%時體心正方（長方體）。隨C%↑，c↑，a↓。fcc→bcc途徑：擴散或晶格切變。擴散阻力較小，切變阻力較大。馬氏體轉(zhuǎn)變：無擴散的共格切變型轉(zhuǎn)變。c=aaca第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)切變本質(zhì)：塑性變性（材料內(nèi)部）起于奧氏體A的位錯、層錯，并產(chǎn)生更多的位錯、層錯和孿晶。馬氏體M形態(tài)：板條馬氏體、針狀馬氏體、蝶狀馬氏體、薄片狀馬氏體和ε馬氏體。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)M板存在于中、低碳碳素鋼及合金鋼。M板形狀：扁條狀。扁條→塊，塊→束，一個奧氏體A晶粒內(nèi)形成多個束。板條間成小角度，束、塊間成大角度。板條內(nèi)存大量位錯，故板條馬氏體又稱位錯型馬氏體。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)M針存在于中、高碳碳素鋼及合金鋼。M針形狀：雙凸透鏡片狀，又稱片狀馬氏體。先產(chǎn)生的M針粗大且貫通奧氏體A晶粒，后產(chǎn)生的細(xì)小。隱針馬氏體：馬氏體片極為細(xì)小而在光學(xué)顯微鏡下也很難分辨的針狀馬氏體。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)M針的雙凸透鏡狀片由一或兩個晶體組成，晶體兩部分或兩個晶體呈鏡面對稱關(guān)系。M針為孿晶結(jié)構(gòu)，故又稱為孿晶型馬氏體。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)馬氏體M與珠光體P和貝氏體B相比，強度、硬度最高，而塑性、韌性最低。板條馬氏體M板的強度、硬度較低于針狀馬氏體M針，而其塑性、韌性較高于針狀馬氏體M針。馬氏體M形態(tài)影響因素奧氏體A晶粒越粗大，則馬氏體M的板條或片越粗大，反之則越細(xì)小。第一節(jié)馬氏體的結(jié)構(gòu)與組織形態(tài)轉(zhuǎn)變溫度越高(Ms以下),M板越多，反之則M針越多。C%≤0.2%時，馬氏體M為板條馬氏體M板；C%≥1.0%時，馬氏體M為針狀馬氏體M針；0.2%＜C%＜1.0%時，為M板和M針的混合組織；隨C%↑，M針↑，M板↓。Ni\Mn降低Ms，使M針↑。第二節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點馬氏體轉(zhuǎn)變就是晶體切變，其實質(zhì)就是部分或全部晶體原子發(fā)生協(xié)作位移。原子沿著阻力最小的晶向及晶面遷移，此晶面即為慣習(xí)面。原子的協(xié)作位移使晶體在切變過程中仍保持共格關(guān)系。切變速度即馬氏體轉(zhuǎn)變速度很快。原子協(xié)作位移源于奧氏體中位錯，且在切變中產(chǎn)生更多位錯，甚至導(dǎo)致孿晶結(jié)構(gòu)。第二節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點切變量↑，晶格畸變↑，繼續(xù)切變阻力↑，需要驅(qū)動力↑，需要過冷度↑，繼續(xù)轉(zhuǎn)變溫度↓，即馬氏體轉(zhuǎn)變是降溫轉(zhuǎn)變。大部分情況下，Mf＜0℃，總是存在殘余奧氏體Ar，即馬氏體轉(zhuǎn)變是不完全轉(zhuǎn)變。相反，快速加熱升溫，馬氏體M在無原子擴散的條件下恢復(fù)至原奧氏體A及狀態(tài)，即馬氏體轉(zhuǎn)變是可逆轉(zhuǎn)變。第二節(jié)馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點晶體切變導(dǎo)致金屬表面產(chǎn)生馬氏體浮凸。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms、Mf低。馬氏體轉(zhuǎn)變過程中無原子擴散，其成分及分布與原奧氏體A相同。第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素馬氏體M轉(zhuǎn)變=晶體切變=原子協(xié)同遷移原子驅(qū)動力＞＞阻力，原子V↑，原子S↑，運動形式—擴散。原子驅(qū)動力＞阻力，原子V↓，原子S↓，運動形式—切變。原子驅(qū)動力≤阻力，原子V=0，原子S=0，無動力。驅(qū)動力=阻力+動力驅(qū)動能=舊相狀態(tài)能+新相形成功第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素阻力源于原始組織奧氏體A狀態(tài)：晶體的彈性應(yīng)變能（力）A/M間的界面能功包括：改變晶體結(jié)構(gòu)形成位錯及孿晶A/M界面相鄰A的變形驅(qū)動能源于材料的熱能第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素驅(qū)動能↑，須熱能↑，須過冷度ΔT↑熱力學(xué)：研究能量轉(zhuǎn)換及力轉(zhuǎn)換的理論。馬氏體轉(zhuǎn)變熱力學(xué)條件：只有當(dāng)過冷度ΔT足夠大，轉(zhuǎn)變溫度Ms足夠底，才能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。Ms是馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，對應(yīng)的過冷度是能夠發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小過冷度。第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素過冷度ΔT越大，Ms越低，驅(qū)動能越大，說明馬氏體轉(zhuǎn)變阻力越大，奧氏體A越穩(wěn)定。奧氏體A強度越高，越均勻，則越穩(wěn)定，Ms溫度點則越低。影響Ms點的因素化學(xué)成分C、N原子含量越高，固溶強化作用越強，奧氏體A的強度越高，越穩(wěn)定，Ms越低。Co、Al含量越高，Ms越高。第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素其它合金元素含量越高，則Ms點越低。奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，則奧氏體A的C%越高，成分越均勻，Ms越低。預(yù)轉(zhuǎn)變亞共析鋼F先共析轉(zhuǎn)變和B轉(zhuǎn)變，使奧氏體A的C%↑，Ms點↓。P轉(zhuǎn)變和Cm先共析轉(zhuǎn)變，使奧氏體A的C%↓，Ms點↑。第三節(jié)馬氏體的熱力學(xué)條件及影響Ms點的因素塑性應(yīng)變及應(yīng)力機械能可轉(zhuǎn)化為部分馬氏體轉(zhuǎn)變驅(qū)動能，從而使Ms點↑。單向應(yīng)力使Ms點↑，三向應(yīng)力使Ms點↓。形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變：在Ms點以上一定溫度范圍內(nèi)進行塑性變形，會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。形變馬氏體點Md：發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變的最高溫度。第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能馬氏體M的強度、硬度高于鐵素體F、珠光體P和奧氏體A。馬氏體M的強化機制固溶強化：過飽和的馬氏體M內(nèi)溶解大量間隙C原子，使晶格發(fā)生畸變，內(nèi)應(yīng)力大，增加了位錯的運動阻力。C%＜0.8%時，C%↑，固溶強化效果↑↑；C%≥0.8%時，C%↑，固溶強化效果↑。第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能亞結(jié)構(gòu)強化：空位→位錯→層錯→孿晶位錯運動，實現(xiàn)晶體變形位錯數(shù)量多，晶體變形容易變形中舊位錯不斷消失，新位錯不斷產(chǎn)生位錯密度很高時，部分位錯相遇合并用于晶體變形的有效位錯數(shù)量劇減應(yīng)力σ↑，N新↑，晶體方可繼續(xù)變形等效：高密度位錯及孿晶阻礙位錯運動第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能時效強化：馬氏體M的過飽和間隙C原子通過短程擴散聚集，甚至形成碳化物，區(qū)域原子密度增大，阻礙位錯運動此現(xiàn)象稱為時效強化，又稱自回火細(xì)晶強化：馬氏體M越細(xì)，強硬度越高。相變強化：bcc的強度、硬度高于fcc。強→弱：固溶、相變、亞結(jié)構(gòu)、時效、細(xì)晶。M針的強度、硬度高于M板。第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能馬氏體M的塑性、韌性低于鐵素體F、珠光體P和奧氏體A。導(dǎo)致原因：高密度位錯及孿晶阻礙位錯運動微裂紋產(chǎn)生于針狀馬氏體M針中C%↑，畸變應(yīng)力↑，轉(zhuǎn)變速度↑，馬氏體針（片）撞擊烈度↑位于馬氏體針邊緣及接觸處第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能板條馬氏體M板塑韌性優(yōu)于針狀馬氏體M針。原因包括：高密度位錯的阻礙作用弱于孿晶。固溶C原子數(shù)量較少，晶格畸變較小，阻礙位錯運動的作用較弱板條馬氏體M板內(nèi)無微裂紋。板條間的殘余奧氏體膜有利于應(yīng)力釋放，提高韌性。第四節(jié)馬氏體的力學(xué)性能高強高硬馬氏體M的應(yīng)用齒輪和齒輪軸、蝸桿銷軸、半軸和滑塊沖裁、沖壓、拉伸、擠壓等成形模具車刀、銑刀、鉆頭、鋸片、絲錐等刃具和工具片尺、游標(biāo)卡尺、角尺等量具第五節(jié)奧氏體穩(wěn)定化馬氏體M轉(zhuǎn)變條件及產(chǎn)物：極大的過冷度ΔT和冷卻速度V冷＞VC，室溫獲得M+Ar。事實現(xiàn)象：V冷↑，則M轉(zhuǎn)變速度V轉(zhuǎn)↑，M量↑，Ar量↓

MS點↑MS附近保溫后再冷卻，則M轉(zhuǎn)變速度V轉(zhuǎn)↓，M量↓，Ar量↑后續(xù)MS溫度點↓第五節(jié)奧氏體穩(wěn)定化奧氏體穩(wěn)定化：在外界因素作用下，鋼的奧氏體A向馬氏體M轉(zhuǎn)變出現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象。熱穩(wěn)定化：相對較慢冷卻（＞VC）或等溫停留將引起奧氏體A穩(wěn)定性提高，使奧氏體A轉(zhuǎn)變遲滯或使馬氏體M轉(zhuǎn)變量減少的現(xiàn)象。機械穩(wěn)定化：在Md點以上對奧氏體A進行大形變量的塑性變形，將導(dǎo)致奧氏體A穩(wěn)定性提高，使隨后冷卻時馬氏體M轉(zhuǎn)變受阻，MS點降低，殘余奧氏體Ar增多的現(xiàn)象。第五節(jié)奧氏體穩(wěn)定化熱穩(wěn)定形成原因：Fe-C合金中奧氏體A的C及N原子通過近程擴散聚集于位錯周圍，形成原子密集團即柯氏氣團，釘扎阻礙位錯運動，進而增加馬氏體轉(zhuǎn)變阻力即晶體切變阻力。C及N原子遠(yuǎn)程擴散，則可消除柯氏氣團，降低奧氏體A的穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定點MC：發(fā)生熱穩(wěn)定的最高溫度。MC據(jù)合金成分不同，或高于MS，或低于MS。第五節(jié)奧氏體穩(wěn)定化熱穩(wěn)定的影響因素：等溫溫度越高，熱穩(wěn)定性越低等溫時間越長，熱穩(wěn)定性越高冷卻速度越慢，熱穩(wěn)定性越高已有馬氏體M數(shù)量越多，剩