马氏体相变动力学主要类型及其特点

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。

马氏体转变

第四章马氏体转变

4-1 M转变的主要特征

1．M转变属于非扩散相变，具有无扩散性

实验依据

(1)M的化学成分与转变钱A的化学成分完全相同

(2)穆斯堡尔谱测定的结果表明，在发生M转变时原来A中碳原子所处的位置，直接遗传给M

(3)M转变速度极快，即使在下，M长大速度为，每一片M形成约需

上述三点证明M转变过程未发生原子的扩散，非扩散机制

无扩散含义：（a）相变时原子的位移量小于一个原子间距

（b）在M转变前的原子的相对位置不变

（c）转变过程原子协同移动（军队式转变）

2．M转变的共格切变性

在发生M相变时，原来磨光的表面上会出现浮凸，原来划在表面上的直线变成折线，而且即不断开也不弯折，因而说明：

（1）发生倾动的表面一直保持为一个平面，即发生了均匀的切变

均匀切变：晶胞的变形和晶体的宏观变形相似

（2）A/M界面为共格或半共格

（3）M转变时有一个惯习面，M与A之间有一定的位向关系、

惯习面：M总是在母相A的一定晶面上形成，这一定的晶面称之为惯习面。以母相的晶面指数表示。M的惯习面随钢中的含碳量不同而不同，例如

马氏体的惯习面尺寸不变，也不转动，所以称为不变平面，M转变时发生共格切变，总是保持惯习面为不变平面，因为M转变时的应变又称为不变平面应变。

位向关系：M与原A为共格或半共格，故存在位向关系，现以观测到的有定义：M转变：在冷却过程中发生无扩散，共格切变方式的固态相变。称之为M转变。其转变产物为M。

马氏体：是无扩散，共格切变式的固态转变的产物，M是非平衡相变的产物，因而是非平衡组织是亚稳组织，有向稳定组织转变的自发趋势。

3 M相变属一级相变，有体积效应。（V=0）;热效应（H 0），M转变形核长大过程。属于有核相变。

4 M转变动力学具有多样性，变温形成。等温形成，爆发形成等。

5 M转变具有不完全性。组织中总含有残余A，且钢的含碳量越高，Ar量也越多。

6 M的转变的可逆性，A M。As~~Af。As高于Ms，Au—ed，Ag—cu，

马氏体转变及其应用

马氏体转变概述

摘要：钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变为马氏体转变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段。因此，马氏体转变的理论研究与热处理生产实践有着十分密切的关系。本文简略介绍了碳钢中的马氏体转变的定义、机理、研究过程、和技术运用情况[1]。

1 马氏体转变的特点及定义

1.1 马氏体相变是无扩散型相变

因为相变前后化学成分不变，新相(马氏体)和母相(奥氏体)碳的质量分数相同，只是晶格结构由面心立方晶格转变成了体心立方晶格而且马氏体相变可以在-196℃到-296℃低温下进行，这样低的温度原子扩散极困难，所以相变不可能以扩散方式进行，因此马氏体相变过程中，原子有规则移动，原来相邻的原子相变以后仍然相邻，原子不发生扩散就可以发生马氏体相变[2]。

1.2 切变共格和表面浮凸现象

人们早就发现，在高碳钢样品中产生马氏体转变之后，在其磨光的表面上出现倾动，形成表面浮凸。这个现象说明转变和母相的宏观切变有着密切关系。马氏体形成是以切变的方式实现的，同时马氏体和奥氏体之间界面上的原子是共有的，既属于马氏体，又属于奥氏体，而且整个相界面是互相牵制的，这种界面称为“切变共格”界面[3]。

1.3 马氏体转变是在一个温度范围内形成

就马氏体相变而言，不但在快冷的变温过程中有马氏体相变，而且在等温过程中，也有等温马氏体产生，如 Fe - Ni26 - Cu3 合金所能发生等温马氏体相变，但钢的马氏体相变是在一个温度范围内形成的[4]。

当奥氏体被冷却到Ms点以下任一温度时，不需经过孕育，转变立即开始，转变速度极快，但转变很快就停止了，不能进行到终了，为了使转变继续进行，必须降低温度，也就是说马氏体是在不断降温条件下才能形成。这是因为在高温下母相奥氏体中某些与晶体缺陷有关的有利位置，通过能量起伏和结构起伏，预先形成了具有马氏体结构的微区。这些微区随温度降低而被冻结到低温，在这些微区里存在一些粒子，这些粒子在没有成为可以长大成马氏体的晶核以前我们叫它核胚。从高温冻结下来的核胚有大有小，从经典的相变理论可知：冷却达到的温度愈低，过冷度愈大，临界晶核尺寸就愈小，当奥氏体被过冷到某一温度时，尺寸大于该温度下的临界晶核尺寸的核胚就成为晶核，就能长成一片或一条马氏体。[5]在该温度下当大于临界晶核尺寸的核胚消耗完了时，马氏体相变就停止了，只有进一步降低温度才能使更小的核胚成为晶核长成马氏体。因而钢的马氏体相变是在一个温度范围(Ms-Mf)内形成的，而不能在等温下形成。

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MS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MS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MS点起作用，

在MS以下的转变过程不随成分发生显著变化。

冷却速度对MS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MS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

MS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 Al

Aˊ量变化

(%) 50 20 11 10 9 8 6 -3 -4

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】

1.马氏体相变切变机制的实验和理论研究——评刘宗昌等的马氏体相变非切变机制

[J], 戎咏华

2.Ni-Mn杂化对Mn50Ni41-xSn9Cux合金中马氏体相变温度和马氏体相磁性的影响∗ [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

4.马氏体相变唯象“理论”的评述—五评马氏体相变的切变学说 [J], 刘宗昌;计云萍;任慧平;;;

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马氏体可逆转变和形状记忆效应

在马氏体相变热力学一节中已经讨论到马氏体相变具

有可逆性，并将马氏体向高温上的转变称为逆转变或反相

变。碳钢中的马氏体因其加热时极易分解，所以到目前为止

尚未观直接察到它的逆转变。但在一系列铁合金和非铁合金

的马氏体相变中均已观察到逆转变的存在，并且在逆转变中

亦观察到了表面凹凸现象，凹凸的方向正好和正相变相反。

已发现具有可逆马氏转变的合金有：Fe-Ni，Fe-Mn，Cu-Al，

Cu-Au，In-Tl，Au-Cd，Ni-Ti等。这些合金中的马氏体可逆

转变，按其特点不同，可分为热弹性马氏体的可逆转变和非

热弹性马氏体可逆转变两类。热弹性马氏体的可逆转变是近

代发展形状记忆材料的基础。而非热弹性马氏体可逆转变则

导致材料的相变冷作硬化，成为材料强化的途径之一。

（一）马氏体可逆转变的特点

具有马氏体可逆转变的不同合金中，马氏体相变的热滞

后现象有明显差异。例如，在Fe-Ni合金（以此作为非热弹

性马氏体可逆转变的代表）中，AS较MS高420℃，Au-Cd

合金（以此作为热弹性马氏体可逆转变的代表）中AS比MS仅高16℃，如图3-100所示。显然，这两种合金马氏体相变

的驱动力差别很大，前者很大，后者很小。因此，它们的相

变行为也有很大的差别。

1、共同特点

热弹性马氏体可逆转变和非热弹性马氏体可逆转变的

共同特点是急速加热和冷却都不能遏制转变的进行。在连续

冷却时两种合金转变量随温度的变化都是连续的，即转变量

是转变温度的函数，符合降温形成马氏体动力学的一般规

律。

2、不同特点

主要表现在MS以下两种合金马氏体的长大方式有着明

显的差别。

（1）非热弹性马氏体

在Fe-Ni合金中，连续冷却时新马氏体片不断形成，每

一片都是突然出现，并迅速长大到极限尺寸。因此，相变速

率是温度下降速率的函数，马氏体是由成核率及每一片马氏

体长大后的大小来决定的，而和长大速度无关。因为Fe-Ni

合金马氏体相变驱动力很大，马氏体片长大速度极快。而马

【1】马氏体相变研究的进展_一_

本文系第8次全国热处理大会特邀报告,2003年5月,北京。350年代经我国自然科学名词审定委员会审定的名词,此前曾沿用音译名词;台湾地区目前仍通行旧的音译名词。马氏体相变研究的进展(一)

徐祖耀(上海交通大学,上海　200030)

【摘要】　概述对马氏体相变基本特征认识的进程,以及与马氏体相变密切相关的形状记忆材料的发展。对马氏体相变热力学、动力学、晶体学、形核-长大、非线性物理模型以及形状记忆效应、伪弹性和伪滞弹性研究进展作了总结。对马氏体相变的继续研究和应用作了展望。全文分两期发表。【关键词】　马氏体相变　热处理原理　形状记忆材料　热力学　动力学　晶体学　相变建模

PROGRESSINMARTENSITICTRANSFORMATIONS(Ⅰ)

XuZuyao(ShanghaiJiaotongUniversity)

【Abstract】　Progressinthecharacteristicsofmartensitictransformationandthedevelopmentofitsclose2relatedshapememorymaterialsweregenerallydescribed.Asummaryreportwasmadeabouttheprogressofthermodynamics,kinetics,crystallography,nucleationandgrowth,non2linearphysicsmodelsofmartensitictransformationsaswellasshapememoryeffect,pesudoelasticityandpseudo2anelasticityofsomematerials.Perspectiveinfurtherstudyandapplicationsofmartensitictransformationswaspresented.Thisarticleispublishedintwoissues.【KeyWords】　MartensiticTransformation,HeatTreatment,ShapeMemoryMaterials,Thermodynamics,Kinetics,Crystallography,TransformationModeling

马氏体转变的主要特征

马氏体转变是在低温下进行的一种转变。对于钢来说，

此时不仅铁原子已不能扩散，就是碳原子也难以扩散。故马

氏体转变具有一系列不同于加热转变以及珠光体转变的特

征。这里只提出几个最重要的转变特征，其它特征将在以后

各有关的章节内讨论。

（一）马氏体转变的非恒温性

必须将奥氏体以大于临界冷却速度的冷却速度过冷到

某一温度才能发生马氏体转变。也就是说马氏体转变有一上

限温度。这一温度称为马氏体转变的开始温度，也称为马氏

体点，用MS表示。不同材料的MS是不同的。当奥氏体被过

冷到MS点以下任一温度，不需经过孕育，转变立即开始，

且以极大的速度进行，但转变很快停止，不能进行到终了如

下图1所示。为了使转变能继续进行，必须降低温度，即马

氏体转变是温度的函数，如图2所示，而与等温时间与无关，

或者说，马氏体量只取决于冷却所达到的温度。当温度降到

某一温度以下时，虽然马氏体转变未达到100%，但转变已图1 马氏体等温转变曲线

图2 马氏体转变与温度的关系

不能进行。该温度称为马氏体转变终了点，用Mf 表示（图

2）。如某钢的MS高于室温而Mf低于室温，则冷却至室温时

还将保留一定数量的奥氏体，称为残余奥氏体。如果继续冷

至室温以下，未转变的奥氏体将继续转变为马氏体直到Mf点。深冷至室温以下在生产上称为冷处理。马氏体的这一特

征称为非恒温性。

对于某些MS点低于0℃

的Fe-Ni-C等合金来说，当

过冷至MS点以下时，马氏体

可能爆发形成，即最初形成

的马氏体有可能促发一定数

量的奥氏体转变为马氏体，

未转变的奥氏体样必须在继续冷却的情况下才能转变，且有

可能再次爆发形成。在此情况下，马氏体转变量与温度的关

系如图3所示。

也还有少数MS点低于0℃的合金，如Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-Cr

以及高碳高锰钢等可以发生马氏体等温度转变。其动力学特

征与珠光体等温转变很相似，也有“C”型曲线（图4），不

同点是等温转变量不多，转变不能进行到底。