原理第7章 马氏体相变
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《马氏体相变》课件
由于外界应力的作用，晶体结构 发生变形，形成弹性变形。
核化和形核
马氏体晶体生长
形核是马氏体相变的起始过程， 晶体结构中形成马氏体的小区域。
形核后的马氏体晶体开始在晶界 上生长，同时产生剩余奥氏体。
相变的影响因素
温度
相变温度是马氏体相变的一 个重要参数，不同温度下会 产生不同的相变行为。
合金化元素
添加合金元素可以调控马氏 体相变的速率和转变温度。
《马氏体相变》PPT课件
相信大家对于马氏体相变并不陌生，但是真正了解它的人却寥寥无几。本课 件将带您深入了解马氏体相变的概述及其形成机理。
马氏体相变的概述
马氏体相变是材料在冷却或应力作用下从奥氏体晶体结构转变为马氏体晶体 结构的过程。这种相变具有显著的物理和机械性能改善效果。
马氏体的形成机理
弹性变形发生
形状记忆合金
马氏体相变可以用于制造形状记 忆合金，可以实现金属材料的形 状记忆和恢复功能。
金属焊接
马氏体相变可以应用于金属焊接， 提高焊接接头的强度和韧性。
相变过程的图解
1
奥氏体
材核化
马氏体晶体开始在晶界上形成小的马氏体区域。
3
马氏体生长
马氏体晶体在晶界上迅速生长，同时奥氏体产生剩余。
总结与展望
马氏体相变具有广泛的应用前景，为材料科学领域带来了新的突破和挑战。未来的研究将致力于探究更高效的 相变控制方法和应用领域的拓展。
晶体结构
晶体结构对于马氏体相变的 发生和转变过程起着重要作 用。
马氏体相变的分类
稳定马氏体相变 非稳定马氏体相变 自适应马氏体相变
通过淬火等方法形成的马氏体相变
通过应力作用下的马氏体相变
通过金属合金中微观结构变化而形成的马氏体相 变
核化和形核
马氏体晶体生长
形核是马氏体相变的起始过程， 晶体结构中形成马氏体的小区域。
形核后的马氏体晶体开始在晶界 上生长，同时产生剩余奥氏体。
相变的影响因素
温度
相变温度是马氏体相变的一 个重要参数，不同温度下会 产生不同的相变行为。
合金化元素
添加合金元素可以调控马氏 体相变的速率和转变温度。
《马氏体相变》PPT课件
相信大家对于马氏体相变并不陌生，但是真正了解它的人却寥寥无几。本课 件将带您深入了解马氏体相变的概述及其形成机理。
马氏体相变的概述
马氏体相变是材料在冷却或应力作用下从奥氏体晶体结构转变为马氏体晶体 结构的过程。这种相变具有显著的物理和机械性能改善效果。
马氏体的形成机理
弹性变形发生
形状记忆合金
马氏体相变可以用于制造形状记 忆合金，可以实现金属材料的形 状记忆和恢复功能。
金属焊接
马氏体相变可以应用于金属焊接， 提高焊接接头的强度和韧性。
相变过程的图解
1
奥氏体
材核化
马氏体晶体开始在晶界上形成小的马氏体区域。
3
马氏体生长
马氏体晶体在晶界上迅速生长，同时奥氏体产生剩余。
总结与展望
马氏体相变具有广泛的应用前景，为材料科学领域带来了新的突破和挑战。未来的研究将致力于探究更高效的 相变控制方法和应用领域的拓展。
晶体结构
晶体结构对于马氏体相变的 发生和转变过程起着重要作 用。
马氏体相变的分类
稳定马氏体相变 非稳定马氏体相变 自适应马氏体相变
通过淬火等方法形成的马氏体相变
通过应力作用下的马氏体相变
通过金属合金中微观结构变化而形成的马氏体相 变
马氏体相变
马氏体相变
12.1 马氏体相变的基本特征 12.2 马氏体相变热力学（重点） 12.3 马氏体相变动力学 12.4 马氏体的回火（重点） 12.5 马氏体时效钢的钢化机制分析
12.1 马氏体相变的基本特征
➢ 无扩散性 ➢ 非恒温性和不完全性 ➢ 切变共格性和表面浮凸现象 ➢ 晶体学位向关系 ➢ 马氏体的组织形态与亚结构 ➢ 奥氏体的热稳定化 ➢ 形变诱发马氏体转变 ➢ 过冷奥氏体的机械稳定化 ➢ 形状记忆效应
➢ 对于碳钢： • C%＜0.3%时，板条束和板条块比较清楚； • 0.3%＜C%＜0.5%时，板条束清楚而板条块不清楚； • 0.6%＜C%＜0.8 %时，无法辨认板条束和板条块，板条组织逐渐消失
并向片状马氏体组织过渡。
➢ 与奥氏体晶粒的关系： 奥氏体晶粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒内板条束个数基 本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。
西山关系：
{111}A∥{110}M ; <112>A∥<110>M
按西山关系，在每个 {111}A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
12.1.5 马氏体的组织形态与亚结构
板条马氏体
片状马氏体
马
氏
蝶状马氏体
体
薄板状马氏体
K-S 关系：
{110}M //{111}A；<111>M//<110>A
由于3个奥氏体
501
<110>γ方向上(每个方
6’
向上有2种马氏体取向)可
能有6种不同的马氏体取
向,而奥氏体的 {111}γ 晶 面族中又有4种晶面，从
《马氏体相变 》课件
2 条件的作用原理是什么？
马氏体相变的条件是实现马氏体相变的必要 前提，它们直接影响马氏体晶体结构和材料 性能的形成和转化。
马氏体相变的过程
1
马氏体相变的步骤和原理
马氏体相变包括两个基本过程——形变和回复过程，当材料由奥氏体转变为马氏 体时，晶体结构发生相应的改变。
2
过程中有哪些需要注意的地方？
马氏体相变的过程会受到多种因素的干扰，如温度、压力、组织性能等，需要注 意这些影响因素对相变的影响。
应用领域
哪些领域得到应用？
马氏体相变广泛应用于机械、电子、材料等领域， 如机械弹簧、手机天线、记忆合金等。
应用的优势和局限是什么？
马氏体相变具有自修复性、快速响应、压电性、形 状记忆等特性，但仍然存在加工困难和应用的局限 性等问题。
结论和展望
总结发现和成果
本课件详细介绍了马氏体相变的背景、条件、过程和应用，使人们更好地了解该领域的发展 现状。
展望未来的发展前景
马氏体相变技术在自动化、能源、环境等领域有广阔的应用前景，我们期待它能在未来发挥 更大的作用。
参考文献
• 李新. 材料科学[M]. 化学工业出版社, 2013. • 关辰. 马氏体相变的研究进展[C]// 2019第五届全国现代材料学术会议论文集. 2019: 254-259. • 郭宝昌, 焦彦龙. 马氏体晶体几何结构及马氏体相变过程的研究进展[J]. 您刊, 2018, 39(05): 57-63.
马氏体晶体结构
晶结构是什么？
马氏体的晶体结构是单斜晶体结构，其单斜晶体形 状由一维位错和孪晶形成。
性质和特点是什么？
马氏体晶体中存在位形、变形、弹性、能量等多种 耦合，与其他晶体类似，但具有独特的特点和性质。
马氏体相变介绍
马氏体相变介绍马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发觉的：将钢加热到必然温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），取得的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。
1895年法国人奥斯蒙（F.Osmond）为纪念德国冶金学家马滕斯（A.Martens），把这种组织命名为马氏体(Martensite)。
人们最先只把钢中由奥氏体转变成马氏体的相变称为马氏体相变。
20世纪以来，对钢中马氏体相变的特点积存了较多的知识，又接踵发此刻某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。
目前普遍地把大体特点属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体（见固态相变）。
相变特点和机制：马氏体相变具有热效应和体积效应，相变进程是形核和长大的进程。
但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。
马氏体长大速度一样较大，有的乃至高达105cm·s-1。
人们推想母相中的晶体缺点（如位错）的组态对马氏体形核具有阻碍，但目前实验技术还无法观看到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的进程，尚不能窥其全貌。
其特点可归纳如下：马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因此新相（马氏体）承袭了母相的化学成份、原子序态和晶体缺点。
马氏体相变时原子有规那么地维持其相邻原子间的相对关系进行位移,这种位移是切变式的（图1）。
原子位移的结果产生点阵应变(或形变)（图2）。
这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。
将一个抛光试样的表面先划上一条直线，如图3a中的PQRS，假设试样中一部份(A1B1C1D1-A2B2C2D2)发生马氏体相变(形成马氏体),那么PQRS直线就折成PQ、QR'及R'S'三段相连的直线,两相界面的平面A1B1C1D1及A2B2C2D2维持无应变、不转动，称惯习（析）面。
热处理原理之马氏体转变
热力学第二定律
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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VS
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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。
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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
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01
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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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第七章 马氏体转变
A的碳质量分数对残余A的影响
7.1 马氏体的组织与性能
1. 板条状马氏体
常见于低碳钢
板条马氏体
2. 片状马氏体
(225)f片状马氏体，无“中脊”，形成温度稍高。
(259)f 片状马氏体，三维为凸透镜状，有“中 脊”，形成温度较低。
不同形态马氏体存在成分及温度范围
马氏体的性能 通过淬火得到马氏体是强化钢制工件的重要手段。 在淬成马氏体后，虽然还要根据需要重新加热到不同 温度进行回火，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，因此，有必要对马 氏体的性能进行了解。
0.3%C-4%Ni-1.3%Cr 钢的M相变塑性850℃A 化,Ms为307 ℃,A的屈服 强度为137MPa
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。
0.6%C-9%Cr-8%Ni-2%M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； 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，从而使已 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。
1）在较低的温度下进行， Fe及 C原子都不能进行 扩散，因此马氏体实际 是碳在α-Fe中的过饱和 固溶体，由于碳的溶入 使原面心立方结构变成 体心正方结构，即C轴伸 长。
2）马氏体转变的非恒温性。 奥氏体温度降到Ms点以下任一 温度时，马氏体转变以极大速 度进行，但转变很快停止。为 了使转变继续进行，必须继续 降低温度。当温度降到某一温 度以下时，虽然马氏体转变量 未达到100%，但转变已不能 进行，该温度称为马氏体转变 终了温度，用Mf 表示。此时将 有一部分奥氏体未转变而被保 留下来，称为残余奥氏体。
马氏体相变
体片的惯习面有一定的分散度，会因马氏体片的析出先后
和形貌的不同而有所差异。
4、位向关系
由于马氏体是以切变方式形成的，这就决定了马氏体与
母相间是共格的，它们间存在确定的位向关系。
如果两相中的原子密排面或者密排方向相互平行或者接
近平行，则形成的相界能较低。
已发现的位向关系主要有：
① K-S（Kurdjumov-Sachs）关系：在Fe-1.4%C合金中发现的
故Ms点的物理意义是奥氏体与马氏体的自由能差达
到相变所需要的最小驱动力时的温度。
当T0一定时，Ms点越低，相变阻力越大，相变需要
的驱动力也越大。
因此，在Ms点处的相变驱动力可近似表达为：
GV SV (T0 M s )
2、影响马氏体相变点的因素
T0以及Ms、Mf、As、Af是表征马氏体相变的基本特征温 度，不同合金或者同一合金在不同条件下，这些特征温度 是不同的，相变的某些性质也就不同，研究影响这些特征 温度的因素对合金的应用具有重要意义。
例如，Zener阐述了在fcc结构中原子密排面上的全位错分解为两个不全 位错，不全位错之间的层错区在适当的条件下将转变为bcc结构，从而解 释了fcc→bcc的马氏体转变。
全位错分解为不全位错是能量降低的自发过程，分解后的不全位错由于 位错弹性应力场的相互排斥而分开；因此在一定条件下扩展位错有一个 平衡距离，只有层错能较低的扩展位错才有足够的宽度用于马氏体形核。 这种形核模型在有些合金中已被观察到，故有一定的实验依据。
时，奥氏体转变结束，马氏体全部转变为奥氏体。
Fe-Ni和Au-Cd合金的马氏体转变可逆性比较
冷却时的马氏体转变始于Ms点，终于Mf点；加热时奥氏 体转变始于As点，终于Af点。Fe-Ni和Au-Cd合金在加热 和冷却过程中都出现了相变滞后现象。
马氏体相变
片状马氏体的立体外形呈双凸透镜状，多数马 氏体片的中间有一条中脊面，相邻马氏体片互不平 行，大小不一，片的周围有一定量的残余奥氏体。
30
第30页，共69页。
惯习面：随形成温度的下降，由{225}γ变为{259}γ ，位向关系由K-S关系变为西山关系。
亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附近， 片的边缘为位错。随形成温度下降，孪晶区扩 大。
位错M → 孪晶M
32 第32页，共69页。
（2）奥氏体与马氏体的强度
图4-15 滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系
33 第33页，共69页。
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 而在亚结构中留下大量位错，形成亚结构为位
错的板条马氏体。
由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均 较低。相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏
少量塑性变形对马氏体转变有促进作用，而超 过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作 用。
48
第48页，共69页。
原因：
当变形度小时，增加了奥氏体中有利于 马氏体形核的晶体缺陷。
当变形度较大时，在奥氏体中形成大量亚晶 界和高密度位错区，奥氏体产生加工硬化，屈 服强度提高，阻碍切变过程，从而使奥氏体稳 定化。
在低、中碳钢，马氏 体时效钢中出现，形成 温度较高。
基本单元板条为一个 个单晶体。
图4-12 板条马氏体示意图
25 第25页，共69页。
许多相互平行的板条组成一个板条束，它们具有 相同的惯习面。
板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为K-S关系 。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥氏体晶粒 内可能形成四种马氏体板条束。
如 T8、T12钢，为片状马氏体。 通常采用不完全加热淬火（在Ac1稍上加 热，保留一定量未溶渗碳体颗粒），获 得隐晶马氏体+渗碳体颗粒的混合组织。 隐晶马氏体极细，光学显微镜较难分辨 。
30
第30页，共69页。
惯习面：随形成温度的下降，由{225}γ变为{259}γ ，位向关系由K-S关系变为西山关系。
亚结构为细小孪晶，一般集中在中脊面附近， 片的边缘为位错。随形成温度下降，孪晶区扩 大。
位错M → 孪晶M
32 第32页，共69页。
（2）奥氏体与马氏体的强度
图4-15 滑移和孪生的临界分切应力与温度的关系
33 第33页，共69页。
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 而在亚结构中留下大量位错，形成亚结构为位
错的板条马氏体。
由于温度较高，奥氏体和马氏体的强度均 较低。相变时，相变应力的松驰可以同时在奥氏
少量塑性变形对马氏体转变有促进作用，而超 过一定量的塑性变形将对马氏体转变产生抑制作 用。
48
第48页，共69页。
原因：
当变形度小时，增加了奥氏体中有利于 马氏体形核的晶体缺陷。
当变形度较大时，在奥氏体中形成大量亚晶 界和高密度位错区，奥氏体产生加工硬化，屈 服强度提高，阻碍切变过程，从而使奥氏体稳 定化。
在低、中碳钢，马氏 体时效钢中出现，形成 温度较高。
基本单元板条为一个 个单晶体。
图4-12 板条马氏体示意图
25 第25页，共69页。
许多相互平行的板条组成一个板条束，它们具有 相同的惯习面。
板条马氏体的惯习面为{111}γ，位向关系为K-S关系 。由于有四个不同的{111}γ面，所以一个奥氏体晶粒 内可能形成四种马氏体板条束。
如 T8、T12钢，为片状马氏体。 通常采用不完全加热淬火（在Ac1稍上加 热，保留一定量未溶渗碳体颗粒），获 得隐晶马氏体+渗碳体颗粒的混合组织。 隐晶马氏体极细，光学显微镜较难分辨 。
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相变孪晶：片状马氏体内有许多相变孪晶，孪晶接合部分的带状薄筋 称为中脊。相变孪晶的存在是片状马氏体组织的重要特征。孪晶间距 约为5nm，一般不扩展到马氏体边界上，在马氏体片边缘区域则为复 杂的位错组列。 亚结构：根据内部亚结构的差异，可将片状马氏体的亚结构分为以中 脊为中心的相变孪晶（中间部分）和无孪晶区（片的周围部分，存在 位错）。 位向关系：片状马氏体惯习面接近{225}γ 或{259}γ；马氏体和奥 氏体符合K-S关系或西山(N)关系。
第四章 马氏体相变
G-T关系： 1994年，Grenigen与Troiano 在Fe-Ni-C合金中发现，马氏体与奥氏体的位 向接近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差1度，晶向差2度，称为G-T关系。 即：
{110}M //{111}A ，差1度 <111>M//<110>A，差2度
第四章 马氏体相变
第四章 马氏体相变
5、马氏体转变的可逆性：
在某些合金中，A冷却时A→M，而重新加热时马氏体又能M→A，这种特点称 为马氏体转变的可逆性。 逆转变开始的温度称为As，结束的温度称为Af 。 M→A的逆转变也是在一定的温度范围内（As-Af）进行。形状记忆合金的热 弹性马氏体就是利用了这个特点。
综上所述，马氏体转变具有很多不同于珠光体的特点，其中最主要的和最基 本的只有两个：切变共格性和无扩散性。其他的特点可由这两个特点派生出 来。
相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置无变化，作小于 一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏体保持一定的严格的晶体学位 向关系。
K-S关系（{110}M //{111}A；<111>M//<110>A ） 西山（N）关系（{110}M//{111}A；<110>M//<112>A ） G-T关系 K-V-N关系 西山关系与K-S关系相比，晶面关系相同，晶向关系相差5°16’ 。
第四章 马氏体相变
2、切变共格性和表面浮凸现象： （1）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。 （2）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(第二类共格) 。
第四章 马氏体相变
3、马氏体转变的无扩散性
马氏体转变前后碳浓度不变，即马氏体中的碳浓度与原奥氏体中 的碳浓度完全相同。且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，把这一特征称为马氏体转变的无扩散性。
马氏体相变是热处理强化的主要手段，对工业生产有十分重要的 意义，除了钢以外的铁合金、非铁合金、陶瓷材料等也可发生马氏体 相变。
第四章 马氏体相变
一、马氏体相变的主要特征
马氏体的定义： 马氏体是C 在α-Fe 中的过饱和间隙式固溶体。具有体心立方点 阵(C%极低钢)或体心正方(淬火亚稳相)点阵。 马氏体的形成条件：
但近年来，一些实验和计算结果对上述观点提出了疑问： Thomas发现在含碳0.27%的碳钢中，条间奥氏体内含C量高达0.4%－ 1.04%，远远大于钢的平均含碳量，说明碳原子有可能从马氏体扩散 到奥氏体。
第四章 马氏体相变
4、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
线式螺位错列
残奥
呈薄片0-4s/ 片MS高，无爆发转变
存在于片的周围，随含量增加而增加 降温形成，长大速率高10-7s/片，MS低时，有 爆发转变
c/a=1＋0.046wc
第四章 马氏体相变
4、C 原子在马氏体点阵中的分布
正方度的偏离是由于C原子在间隙点阵中的有序与无序分布造成的。C原子在 α-Fe中有三组可能的位置，依其短轴所在方向而定。
X位置－短轴平行于a轴方向； Y位置－短轴平行于b轴方向； Z位置－短轴平行于c轴方向； 当80%的C原子位于Z位置，剩下的C原子均匀分布在X、Y二个位置时，才会出 现正常的正方度。 合金元素对马氏体的正方度影响不大。
呈凸透镜片状，中间稍 厚，初生片横贯奥氏体 晶粒，次生片较小，互 成交角，相互撞击，接 合处有微裂纹，片的中 央有中脊，常将之看成 惯习面。
同左，在两个初生 片之间见到“Z”字 形分布的细薄片
亚结构
高密度位错网络，形 成位错胞，常见到少 量细小孪晶
0
宽度50 的A细小孪晶，以中脊为中心，随 MS 下降，相变孪晶区增大，片的边缘为复杂的直
第四章 马氏体相变
三、钢中马氏体的主要形态
钢中马氏体的形态很多，但就其单元的形态特征和亚结构的特点来看有五种， 其中以板条马氏体和片状马氏体最为常见。 1、板条状马氏体 常见于低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中。其显微组织是由许多成群的板条 组成，称板条马氏体。亚结构为位错，也称位错马氏体。 板条单晶→板条块→板条束→马氏体晶粒。稠密的板条单晶之间夹着高度 变形的、非常稳定的、厚度约200Ǻ的残余奥氏体。
第四章 马氏体相变
钢的马氏体的类型及其特征对比 C%↑，Ms↓，条状→片状，位错→孪晶
特征 惯习面
条状马氏体
（111）γ
片状马氏体
（225）γ
（259）γ
位向关系
K—S关系 {111}γ‖{110}M′ （110）γ‖（111）M′
K—S关系
{111}γ‖{110}M′ （110）γ‖（111）M′
X射线分析测定，点阵常数c、a以及c/a与钢中碳含量呈线性关系，碳含量增 加，马氏体点阵常数 c ↑ ，a ↓，c/a ↑。
第四章 马氏体相变
奥氏体和马氏体的点阵常数 与碳含量的关系
碳原子在马氏体点阵中的 可能位置
第四章 马氏体相变
2、马氏体的点阵结构及畸变
马氏体中 C 原子处于 Fe 原子组成的扁八面体间隙中心，此间隙在 短轴方向的半径为0.19Ǻ，碳原子半径为0.77Ǻ，室温下 C 在α-Fe 中的溶解度为0.006%，但钢中马氏体的含碳量远远高于此数。C 原子 溶入α-Fe 后使体心立方变成体心正方，并造成α-Fe非对称畸变， 这个畸变可视为一个强烈应力场，C 原子位于此应力场中心。
并向片状马氏体组织过渡。 与奥氏体晶粒的关系：奥氏体晶粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒 内板条束个数基本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。 与冷却速度的关系：冷却速度越大，板条束和块宽同时减小，组织变细，因 此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。
第四章 马氏体相变
亚结构：高密度位错，局部也有少量的孪晶。 位向关系：在一个板条束内，马氏体惯习面接近{111}γ；马氏体和 奥氏体符合介于K-S 关系和西山(N)关系之间的G-T关系最多；符合 K-S关系和西山(N)关系的较少，在一个板条束内，存在几种位向关 系的原因尚不清楚。 形成板条马氏体的钢和合金：低、中碳钢中（WC<0.3%） 板条马氏体的形成温度：MS>350℃；
（1)快冷 V > Vc 避免A向P、B转变 （2)深冷 T < MS 提供足够的驱动力
第四章 马氏体相变
爆发式转变时马氏体转变量与温度的关系
马氏体等温转变动力学曲线
说明： （1）马氏体转变是在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。 （2)马氏体转变可以用类似C曲线T-τ等温图来描述。有孕育期，但等温转变不完全。
第四章 马氏体相变
板条马氏体组织结构示意图
第四章 马氏体相变
与C%的关系：马氏体的显微组织随合金成分的变化而改变。对于碳钢： C%＜0.3%时，板条束和板条块比较清楚； 0.3%＜C%＜0.5%时，板条束清楚而板条块不清楚； 0.6%＜C%＜0.8 %时，无法辨认板条束和板条块，板条组织逐渐消失
第四章 马氏体相变
3、新生马氏体异常正方度
实验证明，许多钢新生成的马氏体(淬火温度得到的马氏体而不是室温)的正 方度与公式计算结果不符： c/a相当低时称为异常低正方度(Mn 钢)，其点阵是体心正交的(a≠b≠c，a、 b 轴缩短，c 轴伸长)；c/a相当高时称为异常高正方度(Al钢、高Ni钢)；其 点阵是体心正方的(a=b≠c，a、b轴伸长，c轴缩短)。 当温度恢复到室温，正方度又恢复到接近公式计算的正方度。C%增加，正方 度偏差增加。 马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度愈大，即：
第四章 马氏体相变
c/a为正方度，是衡量由于碳原子造成晶格畸变程度的参数。 碳极少或无碳马氏体时： 体心立方、 c＝a； C＞0.0218％时： 体心正方、 a＝b≠c，c/a＞1； C＞＞0.0218％时： 正交 a≠b≠c、c/a＞1、棱边夹角仍是90°；
碳原子溶入这个扁八面体间隙后，力图使其变为正八面体。结果使短轴方向 上Fe原子的间距伸长36％，而在另外两个方向上则收缩4％，从而使体心立 方点阵转变成体心正方点阵。
第四章 马氏体相变
一、马氏体相变的主要特征 二、马氏体的晶体结构 三、钢中马氏体的主要形态 四、马氏体转变的热力学 五、马氏体转变的动力学 六、马氏体的机械性能 七、奥氏体的稳定化
第四章 马氏体相变
马氏体相变是在低温下进行的一种相变。对于钢来说，此时不仅 铁原子以及置换型原子不能扩散，而且间隙型碳原子也较难以扩散 （但尚有一定程度的扩散）。故马氏体相变具有一系列不同于扩散型 相变的特征。
西山关系 （111） γ‖{110} M′ （211）γ‖（110）M′
形成温度
Ms>350℃
Ms≈200～100℃
Ms<100℃
C%
<0.3 0.3～1时为混合型
1～1.4
1.4～2
第四章 马氏体相变
组织形态
条宽为0.1～0.3μm惯 习面指数相同的马氏 体构成马氏体群，在 一个奥氏体晶粒内可 形成3～4个马氏体群， 而在一个马氏体群内 含有3～6个马氏体块， 块间为大角度晶界
第四章 马氏体相变
板条的立体形态可以是扁条状，也可以是薄片状 。
第四章 马氏体相变
G-T关系： 1994年，Grenigen与Troiano 在Fe-Ni-C合金中发现，马氏体与奥氏体的位 向接近K-S关系，但略有偏差，其中晶面差1度，晶向差2度，称为G-T关系。 即：
{110}M //{111}A ，差1度 <111>M//<110>A，差2度
第四章 马氏体相变
第四章 马氏体相变
5、马氏体转变的可逆性：
在某些合金中，A冷却时A→M，而重新加热时马氏体又能M→A，这种特点称 为马氏体转变的可逆性。 逆转变开始的温度称为As，结束的温度称为Af 。 M→A的逆转变也是在一定的温度范围内（As-Af）进行。形状记忆合金的热 弹性马氏体就是利用了这个特点。
综上所述，马氏体转变具有很多不同于珠光体的特点，其中最主要的和最基 本的只有两个：切变共格性和无扩散性。其他的特点可由这两个特点派生出 来。
相变时，整体相互移动一段距离，相邻原子的相对位置无变化，作小于 一个原子间距位置的位移，因此奥氏体与马氏体保持一定的严格的晶体学位 向关系。
K-S关系（{110}M //{111}A；<111>M//<110>A ） 西山（N）关系（{110}M//{111}A；<110>M//<112>A ） G-T关系 K-V-N关系 西山关系与K-S关系相比，晶面关系相同，晶向关系相差5°16’ 。
第四章 马氏体相变
2、切变共格性和表面浮凸现象： （1）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。 （2）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(第二类共格) 。
第四章 马氏体相变
3、马氏体转变的无扩散性
马氏体转变前后碳浓度不变，即马氏体中的碳浓度与原奥氏体中 的碳浓度完全相同。且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，把这一特征称为马氏体转变的无扩散性。
马氏体相变是热处理强化的主要手段，对工业生产有十分重要的 意义，除了钢以外的铁合金、非铁合金、陶瓷材料等也可发生马氏体 相变。
第四章 马氏体相变
一、马氏体相变的主要特征
马氏体的定义： 马氏体是C 在α-Fe 中的过饱和间隙式固溶体。具有体心立方点 阵(C%极低钢)或体心正方(淬火亚稳相)点阵。 马氏体的形成条件：
但近年来，一些实验和计算结果对上述观点提出了疑问： Thomas发现在含碳0.27%的碳钢中，条间奥氏体内含C量高达0.4%－ 1.04%，远远大于钢的平均含碳量，说明碳原子有可能从马氏体扩散 到奥氏体。
第四章 马氏体相变
4、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
线式螺位错列
残奥
呈薄片0-4s/ 片MS高，无爆发转变
存在于片的周围，随含量增加而增加 降温形成，长大速率高10-7s/片，MS低时，有 爆发转变
c/a=1＋0.046wc
第四章 马氏体相变
4、C 原子在马氏体点阵中的分布
正方度的偏离是由于C原子在间隙点阵中的有序与无序分布造成的。C原子在 α-Fe中有三组可能的位置，依其短轴所在方向而定。
X位置－短轴平行于a轴方向； Y位置－短轴平行于b轴方向； Z位置－短轴平行于c轴方向； 当80%的C原子位于Z位置，剩下的C原子均匀分布在X、Y二个位置时，才会出 现正常的正方度。 合金元素对马氏体的正方度影响不大。
呈凸透镜片状，中间稍 厚，初生片横贯奥氏体 晶粒，次生片较小，互 成交角，相互撞击，接 合处有微裂纹，片的中 央有中脊，常将之看成 惯习面。
同左，在两个初生 片之间见到“Z”字 形分布的细薄片
亚结构
高密度位错网络，形 成位错胞，常见到少 量细小孪晶
0
宽度50 的A细小孪晶，以中脊为中心，随 MS 下降，相变孪晶区增大，片的边缘为复杂的直
第四章 马氏体相变
三、钢中马氏体的主要形态
钢中马氏体的形态很多，但就其单元的形态特征和亚结构的特点来看有五种， 其中以板条马氏体和片状马氏体最为常见。 1、板条状马氏体 常见于低碳钢、马氏体时效钢、不锈钢中。其显微组织是由许多成群的板条 组成，称板条马氏体。亚结构为位错，也称位错马氏体。 板条单晶→板条块→板条束→马氏体晶粒。稠密的板条单晶之间夹着高度 变形的、非常稳定的、厚度约200Ǻ的残余奥氏体。
第四章 马氏体相变
钢的马氏体的类型及其特征对比 C%↑，Ms↓，条状→片状，位错→孪晶
特征 惯习面
条状马氏体
（111）γ
片状马氏体
（225）γ
（259）γ
位向关系
K—S关系 {111}γ‖{110}M′ （110）γ‖（111）M′
K—S关系
{111}γ‖{110}M′ （110）γ‖（111）M′
X射线分析测定，点阵常数c、a以及c/a与钢中碳含量呈线性关系，碳含量增 加，马氏体点阵常数 c ↑ ，a ↓，c/a ↑。
第四章 马氏体相变
奥氏体和马氏体的点阵常数 与碳含量的关系
碳原子在马氏体点阵中的 可能位置
第四章 马氏体相变
2、马氏体的点阵结构及畸变
马氏体中 C 原子处于 Fe 原子组成的扁八面体间隙中心，此间隙在 短轴方向的半径为0.19Ǻ，碳原子半径为0.77Ǻ，室温下 C 在α-Fe 中的溶解度为0.006%，但钢中马氏体的含碳量远远高于此数。C 原子 溶入α-Fe 后使体心立方变成体心正方，并造成α-Fe非对称畸变， 这个畸变可视为一个强烈应力场，C 原子位于此应力场中心。
并向片状马氏体组织过渡。 与奥氏体晶粒的关系：奥氏体晶粒越大，板条束越大，而一个原奥氏体晶粒 内板条束个数基本不变，奥氏体晶粒大小对板条宽度几乎没影响。 与冷却速度的关系：冷却速度越大，板条束和块宽同时减小，组织变细，因 此提高冷却速度有利于细化马氏体晶粒。
第四章 马氏体相变
亚结构：高密度位错，局部也有少量的孪晶。 位向关系：在一个板条束内，马氏体惯习面接近{111}γ；马氏体和 奥氏体符合介于K-S 关系和西山(N)关系之间的G-T关系最多；符合 K-S关系和西山(N)关系的较少，在一个板条束内，存在几种位向关 系的原因尚不清楚。 形成板条马氏体的钢和合金：低、中碳钢中（WC<0.3%） 板条马氏体的形成温度：MS>350℃；
（1)快冷 V > Vc 避免A向P、B转变 （2)深冷 T < MS 提供足够的驱动力
第四章 马氏体相变
爆发式转变时马氏体转变量与温度的关系
马氏体等温转变动力学曲线
说明： （1）马氏体转变是在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。 （2)马氏体转变可以用类似C曲线T-τ等温图来描述。有孕育期，但等温转变不完全。
第四章 马氏体相变
板条马氏体组织结构示意图
第四章 马氏体相变
与C%的关系：马氏体的显微组织随合金成分的变化而改变。对于碳钢： C%＜0.3%时，板条束和板条块比较清楚； 0.3%＜C%＜0.5%时，板条束清楚而板条块不清楚； 0.6%＜C%＜0.8 %时，无法辨认板条束和板条块，板条组织逐渐消失
第四章 马氏体相变
3、新生马氏体异常正方度
实验证明，许多钢新生成的马氏体(淬火温度得到的马氏体而不是室温)的正 方度与公式计算结果不符： c/a相当低时称为异常低正方度(Mn 钢)，其点阵是体心正交的(a≠b≠c，a、 b 轴缩短，c 轴伸长)；c/a相当高时称为异常高正方度(Al钢、高Ni钢)；其 点阵是体心正方的(a=b≠c，a、b轴伸长，c轴缩短)。 当温度恢复到室温，正方度又恢复到接近公式计算的正方度。C%增加，正方 度偏差增加。 马氏体正方度与含碳量呈直线关系，含碳量愈高，正方度愈大，即：
第四章 马氏体相变
c/a为正方度，是衡量由于碳原子造成晶格畸变程度的参数。 碳极少或无碳马氏体时： 体心立方、 c＝a； C＞0.0218％时： 体心正方、 a＝b≠c，c/a＞1； C＞＞0.0218％时： 正交 a≠b≠c、c/a＞1、棱边夹角仍是90°；
碳原子溶入这个扁八面体间隙后，力图使其变为正八面体。结果使短轴方向 上Fe原子的间距伸长36％，而在另外两个方向上则收缩4％，从而使体心立 方点阵转变成体心正方点阵。
第四章 马氏体相变
一、马氏体相变的主要特征 二、马氏体的晶体结构 三、钢中马氏体的主要形态 四、马氏体转变的热力学 五、马氏体转变的动力学 六、马氏体的机械性能 七、奥氏体的稳定化
第四章 马氏体相变
马氏体相变是在低温下进行的一种相变。对于钢来说，此时不仅 铁原子以及置换型原子不能扩散，而且间隙型碳原子也较难以扩散 （但尚有一定程度的扩散）。故马氏体相变具有一系列不同于扩散型 相变的特征。
西山关系 （111） γ‖{110} M′ （211）γ‖（110）M′
形成温度
Ms>350℃
Ms≈200～100℃
Ms<100℃
C%
<0.3 0.3～1时为混合型
1～1.4
1.4～2
第四章 马氏体相变
组织形态
条宽为0.1～0.3μm惯 习面指数相同的马氏 体构成马氏体群，在 一个奥氏体晶粒内可 形成3～4个马氏体群， 而在一个马氏体群内 含有3～6个马氏体块， 块间为大角度晶界
第四章 马氏体相变
板条的立体形态可以是扁条状，也可以是薄片状 。