4.2马氏体相变的分类及动力学
马氏体转变动力学
马氏体转变动力学马氏体转变也是形核和长大过程，铁合金中马氏体形成动力学是多种多样的，大体上可以分为四种类型。
（一）马氏体的降温形成（变温瞬时形核、瞬时长大）是碳钢和低合金钢中最常见的一种马氏体转变。
其动力学特点为：马氏体转变必须在连续不断的降温过程中才能进行，瞬时形核，瞬时长大，形核后以极大的速度长大到极限尺寸，相变时马氏体量的增加是由于降温过程中新的马氏体的形成，而不是已有马氏体的长大，等温停留转变立即停止。
按马氏体相变的热力学，钢及铁合金中马氏体相变的热滞很大，相变驱动力很大，同时，马氏体长大过程中，其共格界面上存在弹性应力，使界面移动的势垒降低，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。
所以马氏体长大速度极快，以致于可以认为相变速度仅取决于形核率，而与长大速度无关。
马氏体片一般在10-4~10-7秒内即长大到极限尺寸。
降温形成马氏体的量，主要取决于冷却所达到的温度，即M S以下的深冷程度，等温保持时转变一般不再进行，这一特点意味着，成核似乎是在不需要热激活的情况下发生的，所以也称其为非热学性转变。
奥氏体的化学成分虽然对M S有具有很大的影响，但其对马氏体转变动力学的影响，几乎完全是通过M S点起作用，在M S以下的转变过程不随成分发生显著变化。
冷却速度对M S点以下的转变过程有明显的影响。
只要是在马氏体转变之前，无论是缓慢冷却或冷却中断，都会引起马氏体转变发生迟滞，导致马氏体转变温度下降和马氏体转变量的减少。
这种现象称为奥氏体稳定化。
影响M S点和马氏体转变动力学过程的一切因素都会影响到转变结束后残留奥氏体数量的多少。
例如：化学成分对M S点有显著影响，结果导致室温下残余奥氏体量的巨大差异，如下表所示。
每增加1%合金元素时残余奥氏体量的变化元素 C Mn Cr Ni Mo W Si Co Al50 20 11 10 9 8 6 -3 -4Aˊ量变化(%)可以看出，碳含量对残余奥氏体量的影响十分显著，般认为淬火钢C%>0.4%后就应考虑残余奥氏体对性能的影响。
马氏体相变的分类
马氏体相变的分类
徐祖耀
【期刊名称】《金属学报》
【年(卷),期】1997(33)1
【摘要】马氏体用变按动力学分为变温相变和等温相变按热力学和界面动态分为
热弹性相变、近似热弹性相变和非热弹性相变，其判据为（1）临界相变驱动力小，热滞小；（2）相界面能往复（正、逆）运动；（3）形状应变由弹性协作，马氏
体内的弹性储存能对逆相变驱动力作出贡献按形核机制分为近似局域软模形核和层错形核，前者母相强化阻碍相变开动；后老母相强化不影响从。
【总页数】9页(P45-53)
【关键词】马氏体;相变;分类;金属
【作者】徐祖耀
【作者单位】上海交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG111.5
【相关文献】
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影响∗ [J], 申建雷;李萌萌;赵瑞斌;李国科;马丽;甄聪棉;候登录
3.千周和兆周范围的马氏体相变内耗以及预马氏体相变内耗 [J], 沈惠敏;许自然;朱劲松;杨照金;王业宁
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第四章 马氏体相变
第四章 马氏体相变随着科学技术的发展和人们对材料性能的要求越来越高，材料相变的研究也成为了一个热门的领域。
其中，固态相变是最为基础和广泛的相变形式之一。
在这其中，马氏体相变是一个相对特殊和有意义的相变过程。
一、马氏体相变的定义和分类马氏体相变，是指在含碳钢中，当钢经过一定的热处理过程后，在室温下形成一种具有变形性能的组织结构。
其核心原理是在高温下形成一种奥氏体，然后通过快速冷却过程，在室温下形成一种具有弹性、变形及塑性的马氏体组织结构。
根据马氏体相变的不同起始组织结构，其可以分为两种类型：一类是由完全奥氏体组成的马氏体相变，另一类是由贝氏体（以及在贝氏体上产生马氏体）组成的马氏体相变。
1.完全奥氏体马氏体相变当钢经过高温处理后，在其细小的晶粒中，完全转化为奥氏体组织。
通过钢的快速冷却 （通常在水、油、盐水等介质中进行），奥氏体中的部分碳原子被固溶，在马氏体的组织中重新排列，最终形成一种具有高强度和塑性的马氏体组织结构。
这种马氏体相变过程，称为完全奥氏体马氏体相变。
2.贝氏体马氏体相变贝氏体正常情况下是由冷却慢、回火温度低的钢中形成的。
它是由一种由铁与铁素体间化合物构成的细小晶粒组成的组织，这种组织强度比较低，韧性高，且具有较高的弹性变形和形变能力。
当这种钢经过高温处理后，由于组织发生了相变，大量贝氏体消失，而代替它的则是奥氏体组织。
这样在快速冷却的过程中，就会在奥氏体中形成一定数量的针状马氏体组织结构。
二、马氏体相变的影响因素马氏体相变的过程涉及到多个变量和影响因素，其中最重要的一些因素包括：1.冷却速度作为一种固态相变过程，马氏体相变的核心就是快速冷却过程。
通常来说，冷却速度越快，产生的马氏体组织也就越细小，强度也就越高。
2.合金元素含量合金元素在钢制造中有着重要的作用。
它们可以调节钢的合金成分和钢的性能，使钢的性能得到提升。
其中，加入Cr、Ni、Mn等元素可以有效地提高马氏体相变的开始和结束温度，这有利于得到良好的马氏体组织结构。
4.2马氏体相变的分类及动力学
1．按相变驱动力分类 2．按马氏体相变动力学特征 分类
1．按相变驱动力分类
1）.相变驱动力大的马氏体相变。相变驱动力较大，
达几百卡/克原子. 2）.相变驱动力小的马氏体相变。这种相变的驱动力
很小，只有几卡/克原子到几十卡/克原子。如面心 立方的母相转变为六方相马氏体以及热弹性马氏体。
马氏体和母相的自由焓 与温度的关系示意图
马氏体相变动力学分为：
①变温相变动力学，碳素钢、合金钢的马氏体 相变一般属于此类；
②等温相变动力学，在Fe-Ni-Mn等特殊合金中 出现；
③爆发型转变动力学，在Fe-Ni合金中出现； 此外，还有如在铬轴承钢和高速钢中出现的变 温转变兼有等温相变的动力学。
本节主要讲热弹性马氏体。
热弹性马氏体形成特点是：
冷却到略低于T0温度开始形成马氏体，加 热时又立刻进行逆转变，相变热滞很小。 如图4-8示出了相变热滞的比较。可见， Fe-Ni合金马氏体相变的热滞大。冷却时， 冷到Ms= -30℃，发生马氏体相变；加热 时，温度升到As =390℃，马氏体逆转变 为奥氏体。而Au-Cd马氏体相变的热滞小 得多。
表 面 马 氏 体 的 惯 习 面 不 是 225 而
是 112 。位向关系是西山关系，形貌
为条片状。
18CrNiWA钢的表面马氏体的変温转变（a）冷却到 375℃，～1％马氏体；（b）冷却到345℃，8％马 氏体；（c）冷却到330℃，50％马氏体；
表面马氏体在奥氏体晶界处形核
表面马氏体转变也是形核和核长大的过 程。形核地点是在奥氏体晶界处。
2）．等温马氏体相变
某些Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-Cr合金或某些高合金钢，在 一定条件下恒温保持，经过一段孕育期也会产生马 氏体，并随着时间的延长，马氏体量增加。此称为 马氏体的等温形成
马氏体相变动力学km方程
马氏体相变动力学km方程1. 引言相变是物质在一定条件下从一种状态转变为另一种状态的过程。
马氏体相变是一种重要的相变现象，常见于金属合金中。
马氏体相变动力学km方程是用来描述马氏体相变过程中组织演化的数学模型。
本文将介绍马氏体相变的基本概念、马氏体相变动力学理论以及km方程的推导和应用。
2. 马氏体相变基本概念马氏体是指具有特殊结构和性质的固态材料，在低温条件下能够发生固-固相变。
马氏体相变通常伴随着晶格结构和形态的改变，具有显著的形状记忆效应和超弹性等特性。
这些特性使得马氏体在材料科学、机械工程等领域具有广泛应用价值。
3. 马氏体相变动力学理论3.1 相界理论根据热力学原理，物质在不同温度和压力下会处于不同的平衡态，而相变则是不同平衡态之间的转变过程。
相界理论是描述相变的基本理论之一，它通过构建相图来描述材料在不同温度和组成条件下的平衡态。
3.2 马氏体相变动力学马氏体相变动力学研究的是马氏体相变过程中组织演化的动力学行为。
马氏体相变通常包括两个阶段：核化和长大。
核化是指马氏体晶胞在母相中形成新晶胞的过程，而长大则是指这些新晶胞逐渐增大并扩展到整个母相中。
3.3 km方程km方程是描述马氏体相变动力学的数学模型，其中k表示核化速率，m表示长大速率。
该方程可以用来预测材料在不同温度、时间和应力条件下的马氏体相变行为。
4. km方程推导和应用4.1 km方程推导km方程的推导涉及到复杂的数学和物理计算，这里将简要介绍其主要思路。
首先，根据热力学原理和统计物理理论，可以建立起核化速率k与温度、应力等因素的关系。
然后，通过实验和观察，可以确定长大速率m与时间、晶体结构等因素的关系。
最终，结合这两个速率，得到km方程。
4.2 km方程应用km方程可以应用于材料设计、工艺优化等领域。
通过对km方程的求解和分析，可以预测材料在不同条件下的相变行为，从而指导实际生产中的工艺参数选择和性能优化。
5. 结论马氏体相变动力学km方程是描述马氏体相变过程中组织演化的重要数学模型。
材料加工学-马氏体相变
图7 各相自由能与温度的关系
二、马氏体相变热力学
☞ 影响钢中Ms点的主要因素
化学成分的影响
图8 含碳量对Ms和Mf的影响
图9 合金元素对铁合金Ms点的影响
形变与应力的影响 马氏体相变时产生体积膨胀，多向压缩应力阻止马氏体的 形成，降低Ms点。 拉应力或单向压应力有利于马氏体形成，使Ms点升高。
三、马氏体相变动力学
相变动力学通常是讨论相变速率问题，取决于新 相的形核率和长大速率。马氏体的形核率和长大 速率通常可分为三种类型。
降温瞬时形核，瞬时长大（降温马氏体相变）
• 当奥氏体被过冷到Ms点以下时，在该温度下能够形成马氏 体的晶核形成速度极快。 • 必须不断降温，马氏体晶核才能不断地快速形成。 • 马氏体晶核形成后马氏体的长大速度极快，长大到一定程 度以后就不再长大。
图17 碳含量对马氏体性 能的影响
原始奥氏体晶粒越细小，马氏体板群越细小，则马氏体强度 越高。
五、马氏体的机械性能
☞ 马氏体的韧塑性
位错马氏体具有良好的韧塑性。
孪晶马氏体脆性较大，韧塑性差。
马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳含量，而 韧性和塑性主要取决于其亚结构。板条状马氏 体强度高，有一定的韧塑性，片状马氏体硬而 脆。
二、马氏体相变热力学
☞ 影响钢中Ms点的主要因素
奥氏体化条件的影响 加热温度升高 保温时间延长 淬火冷却速度的影响
有利于碳和 合金元素进 一步溶入奥 氏体中，使 Ms点降低。
引起奥氏体 晶粒长大， 马氏体形成 时切变阻力 减小，使Ms 点升高。
图10 淬火速度对Fe-0.5%C-2.05%Ni 钢Ms点的影响
概括以上三种相变特点可以看出，主要差别仅在 于形核及形核率不同，而形核后的长大速度均极 大，且均与相变温度关系不大。
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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马氏体相变
（1）低碳钢立方马氏体（<0.2%C）
板条马氏体（低碳M、位错M）： 体心立方结构。具有高密度位错（约 0.3~0.9×1012cm-2 ） 的 亚 结 构 ， 属 位错马氏体。其惯习面原为｛111｝ γ ， 现修改为｛557｝ γ 。与母相的位向关系 为K-S关系。
低碳板条状马氏体 0.03C-2Mn
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Fe-Ni-C £ Ni24~35% £ ¨ ¬ C~1.0%£ ©
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时，在瞬间形成大量马氏体，T～f曲线的开始阶段呈垂直上升的势态。 称爆发型马氏体相变。
自促发形核、瞬时长大
（4）弹性马氏体相变
弹性马氏体相变是指马氏 体与母相的界面可以发生 双向可逆移动。分为热弹 性和机械弹性两类。
热弹性马氏体的弹性消长
形状记忆效应
一些形状记忆合金
4.3 马氏体相变热力学
将 G 0 的温度定义为T0
Ms、Mf、As、Af、T0与合金成分的关系
As-Ms可因引入塑性变形而减少。 在Ms点以上对奥氏体进行塑性变 形，可诱发马氏体相变而使Ms点上 升到Md点。相应地，塑性变形可使 As点下降至Ad点。 Md点和Ad点分别称为形变诱发马 氏体相变开始点和形变诱发奥氏体相 变开始点。它们的极限温度均为T0。
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2）．等温马氏体相变
某些Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-Cr合金或某些高合金钢，在
一定条件下恒温保持，经过一段孕育期也会产生马 氏体，并随着时间的延长，马氏体量增加。此称为 马氏体的等温形成
Fe-Ni-Mn合金等温马氏体转变动力学C-曲线
轴承钢等温马氏体 组织
U-0.85Cr合金等温马 氏体转变C-曲线。
4.2
马氏体相变的分类 及动力学
1．按相变驱动力分类 2．按马氏体相变动力学特征 分类
内蒙古科技大学 刘忠昌教授
1．按相变驱动力分类
1）.相变驱动力大的马氏体相变。相变驱动力较大，
达几百卡/克原子. 2）.相变驱动力小的马氏体相变。这种相变的驱动力 很小，只有几卡/克原子到几十卡/克原子。如面心 立方的母相转变为六方相马氏体以及热弹性马氏体。
Fe-Ni 合金和Au-Cd合金马氏体相变的热滞
热弹性马氏体形成的本质性特征
热弹性马氏体形成的本质性特征是：马 氏体和母相的界面在温度降低及升高时， 作正向和反向移动，并可以多次反复。 从 Ms 降到 Mf ，再升温到 As 、 Af ，每一 片马氏体都可以观察到形核 — 长大 — 停 止 — 缩小 — 消失这样一个完整的消长过 程。
钢中一般不发生热弹性马氏体相变
在钢中，奥氏体可转变为变温马氏体。 1）由于相变热滞很大，难以发生逆转变。 2）在马氏体相变过程中，碳原子已经扩 散，或马氏体随即自回火； 3）马氏体和奥氏体的共格界面已经破坏， 当然难以逆转变为奥氏体了。
5.表面马氏体的形成
表面马氏体则不受三向压应力的阻碍，比 较容易转变。在稍高于Ms点的温度下等温， 往往会在表面出现马氏体组织，称为表面 马氏体。 而 表 面 马 氏 体 的 惯 习 面 不 是 225 。位向关系是西山关系，形貌 112 是 为条片状。
18CrNiWA钢的表面马氏体的変温转变（a）冷却到 375℃，～1％马氏体；（b）冷却到345℃，8％马 氏体；（c）冷却到330℃，50％马氏体；
表面马氏体在奥氏体晶界处形核
表面马氏体转变也是形核和核长大的过 程。形核地点是在奥氏体晶界处。
热弹性马氏体形成特点是：
冷却到略低于 T0 温度开始形成马氏体，加 热时又立刻进行逆转变，相变热滞很小。 如图 4-8 示出了相变热滞的比较。可见， Fe-Ni 合金马氏体相变的热滞大。冷却时， 冷到 Ms= -30℃，发生马氏体相变；加热 时，温度升到 As =390℃，马氏体逆转变 为奥氏体。而 Au-Cd 马氏体相变的热滞小 得多。
2．按马氏体相变动力学特征分类
1）．变温马氏体相变 在Ms以下，随着温度的降低，马氏体转变量不断增加 ， 转变量与（Ms-Tq）呈现线性关系。用下式表示：
其中，α为常数，取决于成分，对于碳素钢， α ＜0.011%C。
30CrNi4Mo钢马氏体 的变温动力学曲线
Fe-C合金变温马氏体相变动力学曲线
马氏体和母相的自由焓 与温度的关系示意图
马氏体相变动力学分为：
①变温相变动力学，碳素钢、合金钢的马氏体 相变一般属于此类； ②等温相变动力学，在Fe-Ni-Mn等特殊合金中 出现； ③爆发型转变动力学，在Fe-Ni合金中出现； 此外，还有如在铬轴承钢和高速钢中出现的变 温转变兼有等温相变的动力学。
a.25.5℃ e.-41℃
b.8.5℃
f.-29℃
c.-19℃
g.-17℃
d.-28.5℃
h.26.5℃
图4-7解
热弹性马氏体在升温、降温过程中的弹性消长 Ni- Cu14.2-Al4.3, Ms = -38℃, a)在室温施以少量塑性变形诱发部分马氏体 。 b) 到 h) 为降温和升温过程中的马氏体消长情况。
．爆发型马氏体相变
马氏体点低于室温的某些合金，当冷却到一定温度MB
（MB<Ms）时，在瞬间形成大量马氏体T—f曲线的开始阶 段呈垂直上升的势态。此称爆发型马氏体相变。
Fe-Ni-C合金马氏体 转变动力学曲线
4）.热弹性马氏体相变
弹性马氏体相变是指马氏体与母相的界面 可以发生双向可逆移动。分为热弹性和机 械弹性两类。 本节主要讲热弹性马氏体。