马氏体转变
马氏体温度转变范围
马氏体温度转变范围1. 引言马氏体温度转变是材料科学领域的一个重要研究课题，对于理解材料的力学性能和热处理过程具有重要意义。
本文将介绍马氏体温度转变的基本概念、影响因素以及常见的实验方法和应用。
2. 马氏体温度转变的基本概念马氏体是一种具有高硬度和优良弹性的金属相，在金属材料中广泛存在。
马氏体相变是指当金属经过适当的热处理或冷却过程后，从奥氏体相变为马氏体相的过程。
这一相变过程伴随着晶格结构和宏观形态的改变，从而导致材料性能发生显著变化。
马氏体温度转变范围是指在一个特定条件下，金属从奥氏体相转变为马氏体相所需要的温度范围。
该范围通常由两个关键温度值确定：起始温度（Ms）和结束温度（Mf）。
起始温度指在加热过程中，金属开始从马氏体相变为奥氏体相的温度；结束温度则是在冷却过程中，金属完全转变为马氏体相的温度。
3. 影响马氏体温度转变的因素马氏体温度转变受到多种因素的影响，以下是一些主要因素的介绍：3.1 化学成分金属材料的化学成分对马氏体温度转变范围有着重要影响。
不同元素的添加或去除都可能改变材料的晶格结构和相变行为，进而影响马氏体转变温度。
3.2 加热和冷却速率加热和冷却速率是影响马氏体转变范围的关键因素之一。
较快的加热速率可以提高起始温度，而较慢的冷却速率则可以降低结束温度。
这是因为快速加热会导致奥氏体退火，从而使得起始温度增加；而慢速冷却则有利于保留更多的奥氏体组织，降低结束温度。
3.3 组织结构和形貌金属材料的组织结构和形貌对马氏体转变范围也有显著影响。
细小的奥氏体晶粒和高密度的位错可以提高起始温度，而马氏体颗粒的尺寸和分布则会影响结束温度。
3.4 外部应力外部应力是另一个影响马氏体转变范围的因素。
外部应力可以改变材料的相变动力学，从而引起马氏体转变温度的偏移。
例如，压应力会抑制奥氏体相变为马氏体，从而使得起始温度升高。
4. 实验方法为了研究马氏体温度转变范围，科学家们开发了许多实验方法。
以下是一些常见的实验方法：4.1 热差法热差法是一种测量材料相变温度范围的常用方法。
马氏体转变
马氏体相变的
分子动力学模拟
200,000 Zr atoms 1024-node Intel Paragon XP/S-150
六. 不同材料中的马氏体转变 1. 有色合金 许多有色合金也存在马氏体转变。 马氏体外形基本上仍属条片状，金相形貌与铁基 马氏体有区别。 马氏体亚结构多为层错和孪晶，极少有位错型。
' '
薄板状马氏体
薄片状马氏体
三. 马氏体转变的热力学 1. 相变驱动力
G
T0为相同成分的马氏 体和奥氏体两相热力学 平衡温度，此时
ΔGγ→α′
ΔGγ→α’ = 0
ΔGγ→α’ 称为马氏体相 变驱动力。 Ms T0 Gα′ Gγ T
自由焓——温度曲线
2. 转变温度Ms和Mf 相变驱动力用来提供切变能 量、亚结构畸变能、膨胀应变 能、共格应变能、界面能等， 所以要有足够大相变驱动力。 Ms为马氏体转变起始温度， 是奥氏体和马氏体两相自由能 之差达到相变所需的最小驱动 力（临界驱动力）时的温度。 Mf为马氏体转变终了温度。 T
（3） 其它形貌马氏体 在高碳钢，高镍Fe-Ni-C合金中， 或在应力诱发作用下，会形成蝶 状马氏体。 呈V形柱状，成片出现。 两翼的惯习面为{225}γ，夹角 为136°，结合面为{100}γ。 位向关系为K-S关系。
蝶状马氏体 {100}γ
晶内亚结构为位错，无孪晶。
136°
蝶状马氏体示意图
(155)
(321) 和 (332) 之间
{111} {133} {8，8，11}β {344}β {344}β {100}β
2. 无机材料 1963年Wolten根据ZrO2中正方相t→单斜相m的转 变具有变温、无扩散及热滞的特征，将这种转变称 为马氏体转变，ZrO2中的t→m相变还表现出表面浮 凸及相变可逆的特点。 在无机和有机化合物、矿物质、陶瓷以及水泥的 一些晶态化合物中也有切变型转变。如压电材料 PbTiO3、BaTiO3、及K(Ta、Nb)O3等钙钛氧化物高 温顺电性立方相→低温铁电性正方相的转变；高温 超导体YBaCu2O7-x高温顺电相→超导立方相的转变 均为马氏体转变。
第五章 马氏体转变
第五章马氏体转变马氏体转变——当采用很快的冷却速度时（如水冷），奥氏体迅速过冷至不能进行扩散分解的低温M S点以下，此时得到的组织称为马氏体。
在转变过程中，铁原子和碳原子均不能扩散，因此其是一种非扩散型相变。
§5.1 马氏体转变的主要特征§5.2 钢中马氏体转变的晶体学§5.3 马氏体的组织形态及影响因素 §5.4 马氏体转变的热力学§5.5 马氏体转变动力学§5.6 马氏体的力学性能§5.1 马氏体转变的主要特征一、马氏体转变的非恒温性二、马氏体转变的共格性和表面浮凸现象三、马氏体转变的无扩散性四、具有特定的位向关系和惯习面五、马氏体转变的可逆性六、马氏体的亚结构一、马氏体转变的非恒温性马氏体转变开始点（M s）——必须将母相奥氏体以大于临界冷却速度的冷速过冷至某一温度以下才能发生马氏体转变，该转变温度即为M s。
马氏体转变终了点（M f）——当冷却至M s以下某一温度时，马氏体转变便不再继续进行，这个温度即为M f。
奥氏体被过冷至Ms点以下任一温度时，不需经过孕育，转变立即开始，且以极大速度进行，但转变很快停住，不能进行到终了。
为使转变能继续进行，必须降低温度，即马氏体转变是在不断降温的马氏体转变量是温度的函数，而与等温时间无关。
图5-2 马氏体转变量与温度的关系马氏体转变的非恒氏体二、马氏体转变的共格性和表面浮凸现象图5-3 钢因马氏体转变而产生的表面浮凸。
图5-4 马氏体浮凸示意图图5-5 马氏体和奥氏体切变共格交界面示意图马氏体与奥氏体之间界面上的原子既属于马氏体，又属于奥氏体，是共有的；并且整个相界面是互相牵制的，这种界面称之为“切变共格”界面。
三、马氏体转变的无扩散性马氏体转变的无扩散性：马氏体转变时只有点阵的改组而无成分的改变。
马氏体的成分与原奥氏体的成分完全一致，且碳原子在马氏体与奥氏体中相对于铁原子保持不变的间隙位置。
马氏体转变的晶体学特点
马氏体转变的晶体学特点马氏体转变是指在钢铁中从奥氏体转变为马氏体的过程。
这个过程是由于钢铁受到了高温和快速冷却的影响，使得奥氏体晶格结构发生变化，形成了马氏体晶格结构。
马氏体转变对于钢铁的力学性能和物理性能具有很大的影响，因此研究马氏体转变的晶体学特点非常重要。
一、马氏体转变的基本原理1.1 马氏体转变的定义马氏体是指由奥氏体通过快速冷却而形成的一种新晶相。
其特点是硬度高、脆性强、磁性强等。
1.2 马氏体转变的条件（1）合适的成分：合金元素含量应该适中，过高或过低都会影响马氏体转变。
（2）适当的温度：温度过高或过低都会影响马氏体转变。
（3）快速冷却：只有在快速冷却条件下才能形成马氏体。
二、马氏体晶格结构2.1 马氏体晶格结构马氏体晶格结构是由六方最密堆积结构变形而来的。
其具有三种不同的变体：板条马氏体、针状马氏体和双相马氏体。
2.2 马氏体晶格结构的特点（1）硬度高：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其硬度非常高。
（2）脆性强：由于马氏体的晶格结构紧密，因此其韧性非常差，容易发生断裂。
（3）磁性强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。
三、马氏体转变的影响3.1 马氏体转变对力学性能的影响（1）硬度增加：由于马氏体具有较高的硬度，所以钢铁经过马氏体转变后，硬度会明显增加。
（2）韧性降低：由于马氏体具有较高的脆性，所以钢铁经过马氏体转变后，韧性会明显降低。
（3）延展性降低：由于钢铁经过马氏体转变后，延展性会明显降低。
3.2 马氏体转变对物理性能的影响（1）磁性增强：由于马氏体中存在大量的铁原子，因此其磁性非常强。
（2）导电性降低：由于马氏体具有较高的硬度，所以其导电性会明显降低。
四、马氏体转变的应用4.1 马氏体转变在钢铁生产中的应用钢铁生产中经常采用马氏体转变来改善钢铁的力学性能和物理性能。
例如，在汽车制造业中，常使用高强度钢来提高汽车的安全性能。
而这些高强度钢通常是经过马氏体转变处理后得到的。
热处理原理之马氏体转变
马氏体转变过程中，存在熵变，熵变与热力学第二定律有关。
马氏体转变的相变驱动力与热力学关系
温度
温度是影响马氏体转变的重要因素之一 ，温度的升高或降低会影响马氏体的形 成和转变。
VS
应力
应力也是影响马氏体转变的因素之一，应 力可以促进或抑制马氏体的形成和转变。
马氏体转变过程中的热效应与热力学关系
马氏体转变的种类与形态
板条状马氏体
01
02
03
定义
板条状马氏体是一种具有 板条状结构的马氏体，通 常在低合金钢和不锈钢中 形成。
形态
板条状马氏体由许多平行 排列的板条组成，每个板 条内部具有单一的马氏体 相。
特点
板条状马氏体具有较高的 强度和硬度，同时具有良 好的韧性。
片状马氏体
定义
片状马氏体是一种具有片 状结构的马氏体，通常在 高速钢和高温合金中形成 。
这种转变主要在钢、钛、锆等金属及 其合金中发生，常温下不发生马氏体 转变。
马氏体转变的特点
01
马氏体转变具有明显的滞后效应，转变速度与温度 和时间有关。
02
转变过程中伴随着体积的收缩或膨胀，并伴随着能 量的吸收或释放。
03
马氏体转变过程中晶体结构发生改变，但化学成分 基本保持不变。
马氏体转变的应用
06
相关文献与进一步阅读建议
主要参考文献列表
01
张玉庭. (2004). 热处理工艺学. 科学出版社.
02
王晓军, 王心悦. (2018). 材料热处理技术原理与应用. 机械 工业出版社.
03
周志敏, 纪松. (2019). 热处理实用技术与应用实例. 化学工 业出版社.
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马氏体转变特点
马氏体转变特点马氏体转变是指钢铁材料在加热或冷却过程中发生的晶体结构变化。
马氏体转变具有以下几个特点。
1. 温度范围：马氏体转变温度范围较宽，通常在200℃到600℃之间。
这个范围内的温度变化会引起钢铁材料的晶体结构发生变化，从而影响材料的力学性能。
2. 马氏体相变：马氏体转变是指钢铁材料从奥氏体结构转变为马氏体结构的过程。
奥氏体是一种面心立方结构，具有较高的韧性和塑性，而马氏体是一种体心立方结构，具有较高的硬度和强度。
3. 形变机制：马氏体转变是通过固溶体的相变来实现的。
在加热过程中，钢铁材料中的固溶体会发生晶体结构的变化，形成马氏体。
在冷却过程中，马氏体会再次转变为固溶体，从而使材料恢复到原来的晶体结构。
4. 转变速率：马氏体转变的速率取决于转变温度和材料的成分。
通常情况下，转变速率较快，可以在几秒钟或几分钟内完成。
然而，在一些特殊情况下，如低温下或含有合金元素的材料中，马氏体转变速率会显著降低。
5. 影响因素：马氏体转变受多种因素的影响，包括材料的成分、冷却速率、加热温度等。
增加合金元素的含量或采用快速冷却方法可以加速马氏体转变的速率。
6. 影响性能：马氏体转变对钢铁材料的力学性能具有显著影响。
马氏体具有较高的硬度和强度，但韧性和塑性较低。
因此，在一些特定的应用场合中，需要控制马氏体转变的程度，以获得适当的力学性能。
7. 相变组织：马氏体转变后的钢铁材料会形成不同的相组织。
常见的相组织包括全马氏体组织、马氏体和残余奥氏体组织、马氏体和贝氏体组织等。
不同的相组织具有不同的力学性能。
马氏体转变是钢铁材料在加热或冷却过程中发生的晶体结构变化，具有温度范围广、转变速率快、影响因素多等特点。
了解和掌握马氏体转变的特点对于钢铁材料的制备和应用具有重要意义。
热处理工程基础第四章马氏体转变
不变平面应变
倾动面一直保持为平面。
发生马氏体转变时，虽发生了变形，但 原来母相中的任一直线仍为直线，任一 平面仍为平面，这种变形即为均匀切变。
M长大到一定程度，A中弹 性应力超过其弹性极限，共格 关系破坏，M停止生长。
Cu-14.2Al-4.2Ni合金的马氏体浮凸
Fe-31%Ni-10%Co-3%Ti alloy
二、马氏体转变的无扩散性
M成分与A成分完全一致；钢中马氏体转变 时无成分变化，仅发生点阵改组。
M可在极低温（例如-196℃）进行，置换原 子、间隙原子都极难扩散，而M生长速度可 达103m/s，音速，不可能依靠扩散来进行。
M—A界面的台阶模型和惯习面
五、马氏体的亚结构
亚结构： M组织内出现的组织结构 低碳M：高密度位错， 高碳M： 细小孪晶； 有色金属M：孪晶或层错。
亚结构的意义：是M的一个重要特征，对力 学性能有直接影响。
六、马氏体转变的可逆性
母相以大于临界冷却速度的冷速（钢中是为了避免P转变） 冷至某一温度以下才能发生M转变，这一温度称为M转变开始 点，以Ms表示。
5016’
奥氏体 (111)面上马氏体的六种不同K-S取向
24种变体
② 西山关系：
{111}γ∥{110}M ; <112>γ∥<110>M
按西山关系，在每个{111}γ面上，马氏 体可能有3种取向，故马氏体共有12种 取 向（变体）。
奥氏体 (111)面上马氏体的三种不同西山取向
③ G-T关系：
倾动面
第4章 马氏体转变
M转变的表面浮凸
表面浮凸与共格特点
• 表面浮凸说明M是以切变方式进行的 • 是在不变平面上产生的均匀 变平面的距离成正比 • 不变平面可以是相界面（孪晶面）或非相界面 （中脊面） • 界面上原子排列既同于M又同于A－共格界面
三种不变平面应变
M无扩散性
Fe-24Ni-0.8C针状马氏体 x300
高碳M组织
蝶状马氏体
• • • • 形成温度：在板条和透镜M形成温度之间 位相：K-S关系 亚结构：位错 惯习面：两翼 {225} γ ，相交136°， 两翼结合面：{100} γ
薄板M
• • • • 在Ms为－100°C以下，Fe-Ni-C合金中 惯习面｛259｝γ， 位向关系：K－S 亚结构：孪晶｛112｝α’
第一节 M转变的主要特征
• • • • • 非恒温性：转变开始点Ms, 终了点Mf 共格性和表面浮凸 无扩散性 位向关系和惯习面 可逆性
M转变的非恒温性
M等温转变曲线
M转变量与温度的关系
爆发式转变时M转变量与温度关系
Fe-23%Ni-3.7%Mn合金M转变动力学曲线
M转变非恒温性的特点
• 无孕育期，在一定温度下转变不能进行 到底。 • 有转变开始和转变终了温度。M转变在 不断降温下进行，转变量是温度的函数 • 有些Ms在0C以下的合金，可能爆发形成 • 有些可能等温形成，但不能转变完全。
K-S关系
M在(111)γ形成时三种不同的西山取向
M转变的可逆性
• 冷却时，高温相可以通过M转变而转变 为M。开始点Ms，终了点Mf • 加热时，M也可通过M转变而转变为高温 相。开始点As，终了点Af
第二节 M转变的晶体学
• M的晶体结构： Fe-C合金M是C在α-Fe中的过饱和固溶体。具有 体心正方点阵 • M的点阵常数与钢中含C量有关： c=a0+αρ a=a0-βρ c/a=1+γρ a0=2.861Å α=0.116±0.002 β =0.113±0.002 γ=0.046±0.001 ρ－钢中M的含C量（wt%)
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
➢片状马氏体的亚结构：主要是孪晶。因此片状马 氏体又称为孪晶马氏体。
C%<1.4%
C%>1.4%
（高密
度细微 孪晶）
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
高碳型片状马氏体的另一个重要特点，就是存 在大量显微裂纹。
②板条组成板条束组成板条马 氏体
板条是构成束或块的最基本 单元，每一板条均为一单晶。
板条之间的界面为小角度晶界，其间往往存在 厚度约为10-20nm的薄壳状的残余奥氏体。
块界与束界则为大角度晶界。
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1.5 马氏体转变
➢板条马氏体的亚结构
：板条内存在高密度 的位错，位错密度高 达 （ 0.3-0.9 ） ×10 12cm-2故又称为位错马 氏体。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
对于Fe－C合金，马氏体的形成温度： ＞200℃ 主要生成板条M ＜200℃ 主要生成片状M ＜100℃ 生成有中脊的，具有“Z”型的片状M
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
➢含碳量的影响：实质上是通过影响马氏体的形成 温度来影响马氏体形态和内部亚结构。
1、板条马氏体 ➢板条马氏体存在于淬火的低碳钢、 部分不
锈钢、马氏体时效钢中。淬火中碳钢中含部 分板条马氏体。
➢组织形态：呈板条状。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
两种情况：
①板条组成块组成板条束组成 板条马氏体
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1.5 马氏体转变
2、片状马氏体
➢存在于淬火的高碳钢及Fe-Ni(WNi＞29%)合 金钢中。淬火中碳钢中含部分片状马氏体。 ➢组织形态：呈凸透镜片状（在空间形同铁 饼）。显微镜下呈针状或竹叶状，故又称为 针状马氏体。
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1.5 马氏体转变
第一章 钢在加热和冷却时的转变
1.5 马氏体转变
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1.5 马氏体转变
概述
➢马氏体转变：钢从奥氏体化状态快速冷
却，抑制过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体 等扩散型和半扩散型转变，在较低的温度 下（低于Ms点）发生的无扩散型相变为 马氏体转变。这是过冷奥氏体的低温转 变。这种热处理操作称为“淬火”。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
片状马氏体之间互不平行， 呈 一 定 角 度 分 布 （ 60° 或 120° ） 。 在 原 奥 氏 体 晶 粒 内 首先形成的马氏体片贯穿整个 晶粒，随后形成的马氏体不能 穿过前者，因而使后来形成的 马氏体片愈来愈小。片状马氏 体的最大尺寸取决于原始奥氏 体晶粒大小，奥氏体晶粒越粗 大，则马氏体片越大。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
3、影响马氏体形态的因素
➢马氏体的形态及其内部亚结构主要取决于马 氏体的形成温度,而马氏体的形成温度又主要取 决于奥氏体的化学成分，即碳和合金元素的含 量。
马氏体形成温度越高，越容易得到板条马氏 体，马氏体形成温度越低，越容易得到片状马 氏体，随着马氏体形成温度降低，得到的板条 马氏体越少，片状马氏体越多。
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1.5 马氏体转变
一、马氏体的组织形态和晶体结构
钢中马氏体的组织形态有板条状马氏体、片状 马氏体、蝴蝶状马氏体、薄板状马氏体、薄片状 马氏体等五种，其中板条马氏体和片状马氏体最 为常见。
蝴蝶状马氏体
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薄板状马氏体
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
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1.5 马氏体转变
共析钢奥氏体（A）向马氏体（M）的转变可表 示为：
A Ms以下低温转变 M ……..非扩散型相变
面心立方
体心正方 …….晶体结构变化 （通过切变完成）
0.77%C
0.77%C ……化学化学成分变 化。Fe的晶格重组是通过切变方式完成的。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
在含碳量＞1.4%的钢中可以看到马氏体的中脊 面，马氏体片呈“Z”字形分布。
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
➢隐晶（针）马氏体：马氏体转变 时，当最大尺寸的马氏体片小到光 学显微镜无法分辨其形态时，这种 马氏体称为隐晶马氏体。
C%↑Ms、Mf↓板条M↓→片状M↑ Fe-C合金中，当
＜0.2%C， 几乎全部生成板条M 0.2-1.0%C，板条M+片状M混合组织，且C%↑
则M片↑M板↓ 1.0-1.4%C，全部生成片状M
＞1.4%C，生成有中脊、Z型片状M
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一、马氏体的组织形态和晶体结构
板条马氏体大多在200℃以上形成，片状马氏 体主要200℃以下形成。含碳量为0.2%-1.0%的 奥氏体在马氏体转变区较高温度先形成板条马 氏体，然后在较低温度形成片状马氏体。
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1.5 马氏体转变
因此马氏体的确切定义为：马氏体是 母相在过冷状态或是应变过程中按无 扩散的、以惯习面为不变平面共格切 变的固态相变的产物。
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1.5 马氏体转变
➢马氏体转变的复杂性
对马氏体转变的研究已进行了大半个世
纪，并取得很大的进展，如人们通过电子 显微镜技术，对马氏体的精细结构，马氏 体的成分，组织结构和性能之间的关系有 了比较清晰的概念，对马氏体的形成规律 也有了进一步的了解，但仍有许多问题， 许多细节至今尚不完全清楚。
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1.5 马氏体转变
➢马氏体的定义：
对钢而言，马氏体是碳在α－Fe中的过饱 和间隙固溶体，是一种单相的亚稳组织。
目前马氏体一词的含义比早先更为广泛， 它已成为具备马氏体相变基本特征的转变产 物的统称，不仅限于钢中存在，在其它合金 系（如铜、钛、铟等合金）中也存在。
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