热处理原理及工艺马氏体贝氏体转变
马氏体转变原理
三、马氏体转变的无扩散性
实验测定出母相与新相成分一致 ； 马氏体形成速度极快，一片马氏体在5×10-55×10-7秒内生成； 碳原子在马氏体和奥氏体中的相对于铁原子保持不变的间隙位置 。
四、马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面 马氏体转变时马氏体与奥氏体存在着严格的晶体学关系： １、位向关系
(2) 马氏体转变不完全性
马氏体转变量是在 Ms ～ Mf 温度范围内，马氏体的转变 量是温度的函数，与等温
马氏体转变量与温度的关系
时间没有关系。
爆发式转变时马氏体转变量与温度的关系 过冷奥氏体向马氏体转变是在零下某一温 度突然发生并在一次爆发中形成一定数量 的马氏体，伴有响声并放出大量潜热。
表面浮凸：预先磨光表面的试样，在马氏体相变后 表面产生突起，这种现象称之为表面浮凸现象。
马氏体转变时产生表面浮凸示意图
高碳轴承钢马氏体的等温形成1.4%C,1.4%Cr, 浮凸，直接淬至100℃等温10小时 800×
下图是三种不变平面应变，图中的 C) 既有膨胀 又有切变，钢中马氏体转变即属于这一种。
(2)位向关系
马氏体转变的晶体学特征是马氏体与母相之间存 在着一定的位向关系。在钢中已观察到到的有 K—S 关 系、西山关系和G—T关系。 （1）K—S关系 {110} αˊ∥{111}γ； <111> αˊ∥<110>γ
[-111] (110) (111)
[-101]
按K-S关系，马氏体在奥氏体中共有 24种不同的空 间取向。
c原子溶入m点阵中使扁八面体短轴方向上的fe原子间距增长了36而另外两个方向上则收缩4从而使体心立方变成了体心正方点阵由间隙c原子所造成的这种不对称畸变称为畸变偶极可以视其为一个强烈的应力场c原子就在这个应力场的中心这个应力场与位错产生强烈的交互作用而使m的强度提高
马氏体和贝氏体转变温度_概述说明以及解释
马氏体和贝氏体转变温度概述说明以及解释1. 引言1.1 概述马氏体和贝氏体转变温度是金属材料中一个重要的热处理参数，对于决定材料的性能具有重要影响。
马氏体和贝氏体都是金属材料在固态相变时产生的晶体结构类型，它们的转变温度是指在一定条件下，马氏体相或贝氏体相开始生成或完全消失的温度。
本文旨在系统地介绍马氏体和贝氏体转变温度的相关知识，包括其定义、原理以及测定方法。
通过深入探讨这些方面内容，我们可以更好地理解马氏体和贝氏体转变温度对于金属材料性能及加工过程的影响，并为研究者提供必要的参考资料。
1.2 文章结构本文将按照以下结构进行论述：- 引言部分首先概述了文章的背景和目标。
- 随后，在第二部分中详细介绍了马氏体转变温度，包括其定义与原理、影响因素以及测定方法。
- 第三部分则重点讨论了贝氏体转变温度，涉及到其定义与原理、影响因素以及测定方法。
- 第四部分将马氏体和贝氏体转变温度进行了关联，包括相互关系及对比分析、实际应用案例分析以及进一步研究和发展方向。
- 最后，本文将在结论部分总结论述内容，并提出未来研究的方向。
1.3 目的本文旨在系统概述和解释马氏体和贝氏体转变温度的相关知识，便于读者深入理解这两个参数在金属材料中的作用。
通过阐述马氏体和贝氏体转变温度的定义、原理以及测定方法，读者能够更好地理解这些参数对于金属材料性能和加工过程的影响。
同时，本文还将通过对马氏体和贝氏体转变温度之间关系的探讨，为读者提供一些实际应用案例以及未来研究方向的建议。
2. 马氏体转变温度2.1 定义和原理马氏体转变温度(Martensitic Transformation Temperature)是指当金属经历回火或降温等热处理过程后，发生马氏体相变的温度。
在固溶态的情况下，金属晶体中的原子具有较高的无序性，而经过回火或降温处理后，晶体结构会发生变化从而形成马氏体。
马氏体相是一种具有高硬度和脆性的晶态组织，在压缩应力作用下具有变形能力。
纳米材料的退火及热处理工艺讲解
纳米材料的退火及热处理工艺讲解纳米材料的退火及热处理工艺是一项关键技术，可以对纳米材料的结构和性能进行调控和优化。
在纳米材料制备和应用中，退火和热处理是常见的工艺步骤，利用高温处理来改变材料的相结构、晶粒尺寸以及其他微观结构参数，从而调整材料的力学性能、热学性能以及电学性能等。
一、退火工艺1. 退火的原理与效果退火是一种通过加热材料到高温并保持一段时间，然后缓慢冷却的热处理过程。
通过退火，可以消除制备过程中产生的缺陷和残余应力，增加材料的晶界移动度，促进材料的晶粒长大和再结晶。
其效果主要有：（1）晶体再排列：退火过程中，晶体的原子重新排列，有助于减少晶界面的数量和增大晶粒尺寸，提高材料的晶界清晰度和晶体的有序性。
（2）应力释放：通过退火，材料中的内应力得以释放，减小材料的变形，提高材料的形变补偿能力和抗变形性能。
（3）残余缺陷处理：退火还可以消除材料中的缺陷，如晶界缺陷、空洞、夹杂物等，提高材料的均匀性和完整性。
2. 不同退火方式和工艺常见的退火方式主要包括恒温退火、等温退火、空气退火、气体保护退火、真空退火等，根据材料的特性和应用需求，选择合适的退火方式。
（1）恒温退火：将材料加热到设定的恒定温度并保持一段时间，然后缓慢冷却。
恒温退火一般用于对晶粒生长和晶界的调控，使其达到较大的晶粒尺寸和较少的晶界数量。
（2）等温退火：将材料加热到设定的温度，并精确控制温度在该值附近波动，保持一定的时间后缓慢冷却。
等温退火主要用于消除残余应力和缺陷，提高材料的力学性能。
（3）空气退火：在常气条件下进行退火，一般用于非氧化物的退火处理。
该退火方式成本较低，但会引入氧化等杂质，影响材料的性能。
（4）气体保护退火：在退火过程中用惰性气体如氮气或氢气代替空气，以减少氧化反应的发生，提高退火效果和材料的质量。
（5）真空退火：在高真空环境下进行退火处理，可避免材料表面与气体的反应，从而保持材料的纯度和质量。
真空退火常用于对氧化物和易挥发性材料的退火处理。
材料热处理原理与工艺实验指导书
实验一钢的晶粒度及渗碳层深度的测定一、实验目的1、掌握用弦计算法测定晶粒度的方法。
2、了解加热温度对钢的奥氏体晶粒度的影响。
3、熟悉钢的化学热处理渗碳层的显微组织特征。
4、掌握钢的渗碳层深度的测定方法。
二、概述钢中晶粒大小直接影响其力学性能，评定晶粒大小的方法称晶粒测定法，影响奥氏体晶粒度的因素很多。
加热温度和保温时间起着决定性作用。
合金元素、原始组织状态、热加工、热处理等对奥氏体晶粒度也有一定的影响。
钢晶粒度测定法很多，有比较法、面积法、截点法、弦计算法等。
渗碳的目的是为了使钢件表层获得高的硬度和耐磨性，而中心具有良好的冲击韧性，渗碳用钢均是低碳钢和低合金钢，如10、15、20、15Cr、20CrMn Ti、20MnVB、20Cr、12Cr2Ni4A等等。
三、实验原理及内容（一）、测定奥氏体晶粒度的试样及晶粒显示方法测定奥氏体晶粒度的试样，应在交货状态的钢材上截取，试样的数量及取样部位按相应的标准规定执行。
试样尺寸建议为：圆形试样直径10～20mm，矩形试样10×20mm。
奥氏体晶粒度的显示方法主要有以下几种：渗碳法、网状F法、网状P法、加热缓冷法等，其中加热缓冷法适用于过共析钢，我们实验中采用过共析钢，故晶粒显示参照加热缓冷法，具体方法为：将一组试样经不同的温度加热、保温1.5h后，缓冷至600℃出炉。
除去试样表面氧化层，制成金相试样，根据碳化物沿奥氏体晶界析出的网络测定钢的晶粒度。
（用碱性苦味酸钠酒精溶液腐蚀使网状Fe3C变成黑色）。
（二）、钢的渗层组织及检查方法1、渗碳后的显微组织根据渗碳温度，渗碳时间及渗碳介质活性的不同，钢的渗碳层厚度与含碳量的分布也不同。
一般渗碳层厚度约为0.5-1.7mm。
渗碳层的含碳量，从表层向中心，含碳量逐渐下降。
渗碳后钢的表面含碳量约在0.85～1.05% 之间。
碳钢与合金钢渗碳后的组织状态有很大差别。
碳钢经渗碳后退火状态下从表面至中心部分的显微组织，最表面第一层为过共析区（含碳量0.8-1.2%），由珠光体和网状二次渗碳体组成，而合金渗碳钢渗碳后则为珠光体和粒状碳化物组成；第二层为共析区（含碳量在0.8%左右），由层状珠光体组织构成；第三层为亚共析过渡区，直至钢中心部分出现原始组织的界限为止（含碳量由0.8%以下直到碳钢原始含碳量为止），由珠光体和先共析铁素组成；中心为亚共析区，即未渗碳前的原始组织。
热处理原理及工艺
促进技术创新：热处理在 航空航天工业中的应用促 进了技术创新和进步
航空航天：提高材料的强度和耐热性 汽车工业：提高零部件的耐磨性和耐腐蚀性 机械制造：提高设备的使用寿命和可靠性 电子行业：提高电子元器件的稳定性和可靠性 能源行业：提高能源设备的耐高温性和耐腐蚀性 生物医学：提高生物材料的生物相容性和耐腐蚀性
后处理：对工件 进行清洗、检验 等处理，确保工 件质量符合要求
温度：热处理过程中，温度是影响材料 组织和性能的关键因素。
时间：热处理过程中，时间也是影响材 料组织和性能的关键因素。
气氛：热处理过程中，气氛也是影响材 料组织和性能的关键因素。
冷却速度：热处理过程中，冷却速度也 是影响材料组织和性能的关键因素。
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热处理质量控制可以保证产品的尺 寸精度、表面质量、力学性能等满 足设计要求。
热处理质量控制可以保证产品的安 全性和可靠性，提高产品的使用寿 命。
制定严格的工艺规程 和操作规程
采用先进的热处理设 备和仪器
定期对热处理设备进 行校准和维护
加强员工培训，提高 操作技能和意识
建立完善的质量管理 体系和检测手段
采用计算机辅助设计 和制造技术，提高热 处理质量和效率
热处理工艺规范：包括温度、时间、气氛等参数的控制 热处理设备：保证设备性能稳定，满足工艺要求 热处理操作人员：具备专业技能和经验，确保操作规范 热处理质量检验：包括外观检查、硬度检测、金相分析等，确保产品质量符合要求
改善材料 的耐磨性 和耐腐蚀 性
改变材料 的疲劳性 能和断裂 韧性
提高材料 的热稳定 性和抗氧 化性
改材料 的磁性能 和电性能
提高材料 的加工性 能和焊接 性能
【热处理原理与工艺】比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y热处理工艺与原理课程名称：热处理工艺与原理题目：比较贝氏体转变、珠光体转变和马氏体转变的异同院系：材料科学与工程班级：1219001班设计者：缪克松学号：1121900133设计时间：2015.04.20哈尔滨工业大学一、产物组成与晶体结构在三种相中都由铁素体与渗碳体组成，其中铁素体为体心立方结构，渗碳体为复杂斜方结构。
马氏体相中由于碳原子的分布使铁原子排布成体心正方结构（要求碳含量大于0.25%）。
在三种相中，碳化物含量：珠光体>贝氏体>马氏体。
二、分类依据组织形貌每种相中有不同的划分，珠光体可分为珠光体、贝氏体、屈氏体。
贝氏体可分为上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体、反常贝氏体、BⅢ贝氏体等。
马氏体可分为板条状马氏体、片状马氏体、蝶状马氏体、薄片状马氏体、ε马氏体等。
三、转变类型及温度珠光体转变是扩散型转变，马氏体转变是非扩散型转变，贝氏体转变既有扩散型相变特点，又有非扩散型相变特点。
珠光体转变温度最高，此温度下碳原子和铁原子都能够发生扩散。
贝氏体转变温度其次，此温度下碳原子可以扩散，铁原子不可以扩散。
马氏体转变温度最低，此温度下碳原子和铁原子都不能扩散。
四、热力学条件在三种转变之中，相变的驱动力都是体系自由能的下降。
珠光体转变是准平衡相变，其过程可以用铁碳平衡相图来分析，阻力并不明显。
马氏体转变是非平衡相变，转变阻力包括界面能和界面弹性应变能，由于过程为共格切变，界面能很小。
由于新相和母相共格，同时具有体积效应，导致具有极大的界面弹性应变能。
因此马氏体相变需要很大的过冷度来提高体系自由能差从而克服阻力。
贝氏体相变介于马氏体相变和珠光体相变之间，一方面，在贝氏体相变时，碳在奥氏体中发生预先扩散，重新分布。
由于碳的扩散，降低了形成贝氏体中铁素体的碳含量，使铁素体的自由能降低，增大了新旧两相的自由能差，提高了相变驱动力。
热处理原理
70~80% ➢ 模具、滚动轴承100%需经过热处理 ——总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。
3
热处理的基本要素
热处理工艺的三大基本要素：加热、保温、冷却
——这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和 性能。
45钢正常淬火组织
41
3. 马氏体的性能
高硬度是马氏体性能 的主要特点
马氏体的硬度主要取 决于其含碳量
含碳量增加，其硬度 增加
马氏体硬度、韧性与含碳量的关系
当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓
合金元素对马氏体硬度的影响不大
42
马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化， 此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用
的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小 片的形式析出
34
（三）马氏体转变
当奥氏体过冷到Ms以下将转 变为马氏体类型组织
马氏体转变是强化钢的重要 途径之一
1. 马氏体的晶体结构
马氏体组织
碳在-Fe中的过饱和固溶体 称马氏体，用M表示
马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中
35
马氏体具有体心四方晶格（a = b ≠ c） 轴比c/a称为四方度 C%越高，四方度越大，四方畸变越严重 当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格
材料的热处理
Heat Treatment of Steel
1
热处理指将钢在固态下加热、保温和冷却，以 改变钢的组织结构，获得所需要性能的工艺
包含热处理原理和热处理工艺两部分内容：
➢ 描述热处理时钢中组织转变的规律称为热处理 原理
➢ 根据热处理原理制定的温度、时间、介质等参 数称为热处理工艺
材料科学与工程专业金属热处理原理及工艺马氏体转变精选全文
温度 (℃)
800 700 600 500
400 300 200 100
0
共析碳钢C曲线分析
稳定的奥氏体区
过 冷 奥 氏
+
产
A A向产物 转变终止线
产 物 区
体 区 A向产
物
Ms 物转变开始线
区
M+AR Mf
A1 A1～550℃;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。
550～230℃;中温转变 区;半扩散型转变;
A
M （α’ ） 成分不变
fcc
体心正方 结构变化
由于碳的过饱和作用,使α – Fe晶格由体心立方变成体心正 方晶格。致使马氏体具有体心正方晶格（a = b ≠c）
c
—C原子
—Fe原子
a
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碳择优分布在c轴方向上的八面体间隙位置。这使得c 轴伸长，a轴缩短，晶体结构变为体心正方。
5.2 马氏体的组织形态
一. 马氏体形态 板条，片状，蝴蝶状、薄板状及薄片状 1、板条马氏体
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组织单元：群—束—板条 取向关系：K-S, 惯习面：{111}
马氏体群
马氏体束
光镜下
马氏体群：同惯习面，形态上呈平行排列的板条集团 马氏体束：同惯习面，同取向（晶面平行关系）的板条集团 马氏体板条：马氏体的最基本单元，窄而细长。
5、ε马氏体 点阵结构： 密排六方（其它马氏体均为体心立方或体心正 方点阵结构）
特征：薄片状 亚结构：高密度层错
原因：奥氏体的层错能较低形成 (书中P96页图4.24)
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二、马氏体的韧性
（1） 通常C%＜0.4%时 M具有较高的韧性，碳含 量越低，韧性越高； C%＞0.4%时，M的韧性 很低，变得硬而脆，即使 经低温回火韧性仍不高。
（2）除C%外，M的韧性与其亚结构有着密切的关系，在 相同的屈服极限的条件下，位错型M的韧性比孪晶M的韧 性高很多。
总结 马氏体的强度主要决定于马氏体的碳含量及组织结构
热处理原理及工艺
(9)
第五章 马氏体转变
§5－6 马氏体的性能
淬火得到马氏体是强化钢制工件的重要手段。 淬成马氏体后，虽然还要进行回火，但回火后所得的性 能在很大程度上仍决定于淬火所得的马氏体的性能。 对工模具，重要是硬度和耐磨性，对结构件，需要硬度、 强度与塑性、韧性的配合。
一、马氏体的硬度与强度 马氏体的硬度与屈服强度之间有很好的线性对应关系，
（包括自回火时的时效强化）， 马氏体的韧性主要取决于马氏体的亚结构，低碳的位错 型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性，高碳的孪晶马 氏体具有高的强度，但是韧性很差。
三、马氏体相变塑性
• 金属及合金在相变过程中屈服强度显著下降，塑性显著增
加，这种现象称为相变塑性。
•马氏体的相变塑性：钢在马 氏体转变时也会产生相变塑性 现象，称为马氏体的相变塑性。 • Fe-15Cr-15Ni合金在不同温 度下进行拉伸，在Ms～Md温 度，延伸率有了明显升高，这 是形变诱发马氏体相变，马氏 Fe-15Cr-15Ni合金在的相变诱发塑性 体形成又诱发塑性所致。
四、马氏体的物理性能
1、比容 M组织的比容较大，M形成时比容的增大，造成钢淬
② 当C%超过0.4%后，由于碳原子靠得太近，相邻碳原 子所造成的应力场相互重迭，以致抵消而降低了强化 效应。
合金元素对M也有固溶强化作用，相对碳来说要小很多， 据估计，仅与合金元素对F的固溶强化作用大致相当。
（3）时效强化
理论计算得出，在室 温下只要几分钟甚至几秒钟 即可通过C原子扩散而产生 时 效 强 化 ， 在 -60℃ 以 上 ， 时效就能进行，发生碳原子 偏聚现象，是M自回火的一 种表现，C原子含量越高时 效强化效果越大。
曲线2 －－时效强化
（4）马氏体形态及大小对强度的影响
孪晶亚结构能有效阻止位错运动，对强度有一附加的贡 献，C%相同时，孪晶M的硬度与度的贡献增大。 原A晶粒大小和M束的大小对M的强度也有一定的影响，
σ0.2=608+69dγ-1/2 σ0.2=449+60dαˊ-1/2
马氏体相变的特性造成在晶体内产生大量微观缺陷（位 错、孪晶及层错等），使马氏体强化，即相变强化。
如：无碳M的屈服极限为284MPa与强化F的σS很接近，而 退 火 的 F 的 σS 仅 为 98~137MPa ， 相 变 强 化 使 强 度 提 高 了 147~186MPa。
（2）固溶强化
为严格区分C原子的固溶强 化效应与时效强化效应， Winchell专门设计了一套Ms点 很低的C%不同的Fe-Ni-C合金， 以保证M转变能在C原子不可 能发生时效析出的低温下淬火， 后在该温度下测量M的强度， 以了解C原子的固溶强化效果。
结果表明：C%<0.4%时的σs 随碳含量增加急剧升高，超过 0.4%后σs不再增加。
为什么固溶于A中的C原子强化效果不大，而固溶于M中的 C原子强化效果显著呢？
① C原子溶入M点阵中，使扁八面体短轴方向上的Fe原子 间距增长了36%，而另外两个方向上则收缩4%，从而 使体心立方变成了体心正方点阵，由间隙C原子所造成 的这种不对称畸变称为畸变偶极，可以视其为一个强 烈的应力场，C原子就在这个应力场的中心，这个应力 场与位错产生强烈的交互作用，而使M的强度提高。
将二者一并讨论。
1、 马氏体的硬度与强度
钢中M最重要的特点是具
有高硬度和高强度。实验
证明，M的硬度决定于M
的碳含量，而与M的合金
元素含量关系不大。
美国4320钢渗碳淬火后碳含量与显微硬度、 纳米压痕硬度和残余奥氏体的关系
2、 马氏体的高硬度、高强度的本质
由固溶强化、相变（亚结构）强化和时效强化等因素引起。 （1）相变（亚结构）强化
2、在发生塑性变形的区域，有形变M形成，随形变M量 的增多，形变强化指数不断提高，这比纯A经大量变形后 接近断裂时的形变强化指数要大，使已发生塑性变形的区 域继续发生变形困难，故能抑制颈缩的形成。有利于均匀 变形。
相变诱发塑性应用
加压淬火 应变诱发塑性钢 （TRIP钢）
条件：Md ＞ 20＞Ms. 室温变形，形变诱发M。M转变诱发塑性 性能：高强度高塑性
dγA晶粒的平均直径；dαˊM板条群的平均直径
对中碳低合金结构钢，A晶粒由单晶细化至10级晶粒时， 强度增加不大于245MPa，因此常规处理工艺中晶粒尺寸的 影响没前三种强化方式明显。
综合结果
低碳的马氏体的强度主要靠其中碳的固溶强化，在一般淬 火过程中，伴随自回火而产生的M时效强化也具有相当的 强化效果； 随M中碳及合金元素含量的增加，孪晶亚结构将有附加的 强化，细化奥氏体晶粒及马氏体束的大小，也能提高一些 马氏体的强度。
近年来的研究工作表明，M相变诱发的塑性还可以显著 提高钢的韧性。
试验条件： Fe-9Cr-8Ni-2Mn-0.6C 钢，1200℃ A化、水 冷，后在460℃挤压变形75％，试样仍为A状态，最后在 -196～200℃之间测定其断裂韧度
结果如图
在100～200℃的高温区，因 为在断裂过程中没有发生马氏 体 相 变 ， 所 以 断 裂 韧 度 KIC 很 低；
在 20 ～ － 196℃ 的 低 温 区 ， 因在断裂过程中伴随有马氏体 相变，结果使KIC显著升高。
Fe-9Cr-8Ni-2Mn-0.6C钢的 断裂韧度与测定温度的关系
马氏体的相变诱发塑性 原 因
1、塑性变形而引起的局部区域的应力集中，将由于M的 形成而得到松驰，因而能防止微裂纹的形成;
即使微裂纹已经产生，裂纹尖端的应力集中也会因M 的形成而得到松驰，故能抑制裂纹的扩展，使塑性和断裂 韧性得到提高；