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固态相变论文


( “材料固态相变”课程论文 材料固态相变”



马氏体相变简介 目 : 马氏体相变简介

学 生 姓 名 : 刘坤 学 专 学 院 : 材料科学与工程 业 : 材料科学与工程 号 : 20101206

2010



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摘要 马氏体相变是一种无扩散的形变, 是在很大的过冷度下进行的的一种固态相 变,本文介绍了马氏体的晶格类型,形核及长大以及马氏体转变的特点,使我们 对马氏体有更深的了解。 关键词:马氏体;相变; 关键词:马氏体;相变;形核和长大

Abstract Martensite transformation is a deformation without the spreading of atoms, is a solid phase transformation in a big degree of supercooling.This article introduces the lattice type of martensite ,the nucleation and growth and transformation characteristic of martensite which can let us to have a deeper understanding. Key words: martensite ;phase transformation;nucleation and growth ;

一、 引言
钢从奥氏体状态快速冷却,抑制其扩散性分解,在较低的温度下发生的无扩 散型相变叫做马氏体转变。马氏体转变是强化金属的重要手段之一,各种钢件、 机器零件及工、模具都要经过淬火和回火获得最终的使用性能。刚在淬火时发生 强化樱花是由于形成了马氏体。马氏体转变最早是在钢铁中发现的,但现今除了 铁合金之外, 许多有色金属和合金以及陶瓷材料等也都发现了马氏体转变。 因此, 凡是基本特性属于马氏体转变的相变,其相变产物都是马氏体。

二、无扩散相变的类型
马氏体转变是自然界中最广泛存在的现象之一,是钢中最重要的组织转变。 在这种转变过程是在很大的过冷度下进行的,各种原子活动能力很低,不存在原 子的扩散过程,点阵的重组是靠原子集体的,有规律的,近程的迁移来完成的。 马氏体相变是一种无扩撒型相变, 主要有点阵畸变位移式和位置调整位移式 两种,如图 1 所示:

图 1 无扩散型相变的类型

前者的相变阻力主要以应变能为主,后者相变阻力主要以界面能为主,马氏 体形成时与奥氏体存在共格界面,界面能很小,故本质上属于以晶格畸变为主, 无成分变化,无扩散的位移型相变,其特征为发生于晶体中某一部分的极其迅速 的剪切畸变。

三、马氏体的晶体结构和性能
1、马氏体的晶体结构

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钢中的马氏体就本质来说,是在 α-Fe 中的过饱和的间隙固溶体。在平衡状 态下,c 在 α-Fe 中的溶解度在 20℃时不会超过 0.002%。快速冷却条件下,由于 铁、碳原子失去扩散能力,马氏体的含碳量可与原来奥氏体的含碳量相同,最大 可达到 2.11%。钢中的马氏体一般有两种类型的结构,一是体心立方,另一种是 体心正方,下图以体心正方晶格举例,如图 2 所示。

图 2 马氏体的体心正方晶格示意图 2、马氏体的性能 马氏体具有较高的硬度和强度,马氏体的硬度主要取决于其含碳量。由图 3 可见,马氏体的硬度随含碳量的增加而增高。当其含碳量增加到 0.5%时,马氏 体的硬度随含碳量的增加急剧增高,当含碳量增至 0.6%左右,虽然马氏体的硬 度虽有多增高,由于残留奥氏体的增加,反而使钢的硬度有所下降。

图 3 马氏体硬度和含碳量的关系 马氏体转变时在晶体内造成高密度的晶格缺陷, 无论板条状马氏体中高密度 位错还是片状马氏体中的孪晶都阻碍位错运动,从而使马氏体强化;另外间隙碳

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原子处于α相晶格的扁八面体间隙中,造成晶格的正方畸变并形成一个应力场, 应力场与位错相互交错,从而也能提高马氏体的强度,时效强化也能增加马氏体 的强度。 另外,马氏体的塑形和韧性主要取决于它的亚结构。大量实验证明,在相同 的屈服条件下,位错马氏体比孪晶马氏体的韧性要好,由于位错马氏体的含碳量 低,Ms 点高,可以进行自回火,而且碳化物分布均匀,其次,胞状亚结构位错 分布不均匀,存在低密度位错区,为位错活动提供了余地,位错的运动能缓和局 部应力集中而对韧性有利。

四、马氏体转变的热力学和动力学
马氏体转变与其它类型的转变有许多不同之处,但仍然是热学性的,即相变 的驱动力仍是马氏体与母相之间的体积自由能之差。 钢中奥氏体转变为马氏体的 开始转变温度称为马氏体点 Ms,即母相和马氏体两相之间的体积自由能之差达 到相变所需的最小驱动力值时的温度。 在图 4 中,Ms 远远低于 T0 点的温度, 通常把 Ms 与 T0 之差称为马氏体转 变的热滞。热滞的大小,视合金的种类和合金的成份而异,Fe 系合金马氏体转 变的热力学特点是具有很大的热滞,换句话说,就是必须在很大的过冷度下才能 发生马氏体转变,原子的活动性很小,同时,马氏体长大过程中其共格界面上存 在弹性应力,使界面移动的势垒很低,而且,原子只需作不超过一个原子间距的 近程迁移,因此,长大激活能很小。正因为驱动力大,而长大的激活能很小,所 以马氏体长大速度极快, 可以认为相变速度仅取决于成核率, 而与长大速度无关。 一般的马氏体转变都须要在降温过程中不断进行,瞬时形核,瞬时长大,形核后 以极大的速度长大到极限尺寸,相变时 M 量的增加是由于降温过程中新马氏体 片的形成,而不是已有 M 片的长大。等温保持马氏体转变将终止进行。

图 4 奥氏体与马氏体的自由能曲线
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五、马氏体的形核与长大
与金属凝固一样,马氏体相变过程也是形核与长大的过程。 1、形核 按经典形核理论,形核功是由系统能量起伏提供的,但是马氏体转变要在很 低温度下发生,要靠原子的热动力来获得这样大的激活能是很困难的。另外按经 典形核理论系统提供的 M 长大的激活能为 2510-4184J/mol,但实际上 M 的长大 激活能很小,几乎为零。综上所述,马氏体转变似乎在经典形核理论下行不通。 在马氏体转变中,形成共格晶胚的应变能比界面能大得多。 大量数据表明,马氏体的形核为非均质形核。 2、长大 马氏体核形成以后,立即急速长大,直到它碰上了诸如其它马氏体片或大角 度晶界之类 的障 碍为止。由观察可见,首先形成薄片,然后增厚。在高碳马氏 体中这往往留下一个所谓细小 孪晶的“中脊”和一个尚欠严格定义的外部区 域,这一区域是由规则排列的位错组成。在低 碳板条马氏体中,透射电子显微 术揭示了高的位错密度,含碳量很低时,位错排成胞状网络 ,没有孪晶。在含 碳量很高的马氏体中,只能看到孪晶。 钢中的单个马氏体片以接近声速的速度在 10-7~10-5 s 内完成它的生长。 由 于形核过程对马氏体片最终形貌的可能影响,所以马氏体形核问题是很重要的。 这意味着 马氏体的形核影响着马氏体钢的强度和韧性;因为对一个给定的奥氏 体晶粒尺寸,如果核心 的数量多,则马氏体的最终尺寸就细,于是钢的强度和 韧性就比较高。 马氏体长大的驱动力是在形成低能量组织时所释放的能量。 生成马氏体板条 或马氏体片 所必需的应变能比在形成马氏体相时释放体积自由能所补偿的能量 要小。 马氏体极高的长大速度很难用实验进行研究。但是可以想到,马氏体与母相 奥氏体之间必为 含有成组位错或孪晶的半共格界面,才能保证这种巨大的长大 速度。因为马氏体在很多合金体系中都能出现,形成时需要克服的阻力有很大差 异,形成的马氏体形态种类也非常多。钢中的马氏体形态主要有两种,当碳当量 Wc 小于 0.2%的奥氏体几乎全部形成板条马氏体(如图 5 所示),当碳当量 Wc 大于 1.0%的奥氏体几乎全部转换成片状马氏体如图 6 所示。

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图 5 Fe-C-Mn 合金中的板条 M

图 6 Fe-Ni 合金中的片状 M

六、马氏体转变的特点
(1)、马氏体转变马氏体转变的非恒温性,在一定的温度范围内进行 马氏体转变主要为降温转变,过冷奥氏体冷至 Ms 温度时才开始进行马氏体 转变。而冷至 Mf(转变的终止温度)时马氏体转变终止。把马氏体的降温转变 称为马氏体转变的非恒温性。由于马氏体转变是原子集体的短程迁动,晶核形成 后长大速度极快,甚至在极低的温度下仍能告诉生长,长大到一定尺寸后,共格 关系破坏,长大即停止。当大于临界晶核半径的核胚全部耗尽时,相变终止,由 于过冷度越大,临近晶核尺寸越小,只有进一步降温才能使更小的核胚成为晶核 并长成马氏体。 此过程实在连续冷却下进行的。马氏体转变量与温度的关系如图 7 所示:

图 7 马氏体转变量与温度的关系 (2) 、马氏体转变不完全性 因此钢快冷到室温时仍有部分未转变奥氏体存在, 由于多数钢的 Mf 在室温以下,
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称为残余奥氏体。有残余奥氏体存在的现象,称为马氏体转变不完全性。要使残 余奥氏体继续转变为马氏体,可采用冷处理 (3) 、马氏体转变的切变共格性和表面浮凸现象 马氏体转变时在预先磨光的表面上产生有规则的表面浮凸,如图 8 所示,马氏 体形成有惯习面, 马氏体转变时马氏体与奥氏体之间保持共格关系, 如图 9 所示。

图 8 马氏体转变时在晶面 图 9 M 和 A 切变共格截面示意图 引起倾折示意图 (4) 、马氏体转变具有特定的惯习面和位向方向,而且此过程具有可逆性。 前已述及,马氏体是在奥氏体一定的结晶面上形成的,此面成为惯习面, 它在相变过程中不变形、也不转动。惯习面通常以母相的晶面指数来表示。由于 新相和母相始终保持切变共格性, 因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的 结晶学位向关系。 在某些合金中,奥氏体冷却转变为马氏体,重新加热时已形成的马氏体又能 无扩散的转变为奥氏体,这就是马氏体的可逆性。但在有的合金中,不会发生马 氏体转变机构的逆转变,因为在加热时马氏体早已分解为铁素体和碳化物。

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参考文献
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