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第四章 马氏体转变

概述

钢经奥氏体化后，快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低温度下

发生的转变，为马氏体转变。马氏体转变是钢件热处理强化的主要手段之一。因此，马氏体转变理论的研究与热处理实践有着十分密切的关系。

早在战国时期，人们已经知道可以用淬火，即将钢加热到高温后淬入水或油中急冷的方法提高钢的硬度。经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。但是在当时，对于淬火能提高钢的硬度的本质还不清楚。直到十九世纪未期，人们才知道，钢在加热与冷却过程中，内部相组成发生了变化，因而引起了钢的性能的改变。为了纪念在这一发展过程中作出杰出贡献的德国冶金学家Adolph Martens（阿道夫，马顿斯），法国著名的冶金学家Osmond（奥斯门德）建议将钢经淬火所得高硬度相称为马氏体，并因此而将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。马氏体的英文名称为-Martensite，常用M表示。

由于钢在生产上得到了最广泛的应用以及马氏体转变最先在钢的淬火过程中发现，因此，在十九世纪未，二十世纪初对马氏体的研究，主要局限于研究钢中的马氏体转变及转变所得的马氏体。

二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析方法测得钢中马氏体是C溶于α-Fe而形成的过饱和固溶体。马氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳。因此，曾一度认为所谓马氏体即碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。

对于马氏体转变的研究，初期着重于了解马氏体转变与钢中其它转变的不同点，正是由于观察到了一系列不同于其它转变的特点，曾经有人认为马氏体转变与其它转变不同，是一个由快冷造成的内应力场所引起的切变过程。

四十年代后，在Fe-Ni、Fe-Mn合金以及许多有色金属及合金中也发现了马氏体转变。不仅观察到了冷却过程中发生的马氏体转变，还观察到了加热过程中所发生的马氏体逆转变。新观察到的马氏体转变的特征和钢中马氏体转变的特征相似，基于这一新的发现，人们不得不把马氏体的定义修正为：凡相变的基本特征属于马氏体型的产物统称为马氏体。六十年代以来，由于电子显微镜技术的发展，揭示了马氏体的精细结构，使人们对马氏体的成分、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。

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在此期间，在了解了马氏体转变和其它转变不同点的基础上又进一步了解了马氏体转变和其它转变的共同点。由于确定了马氏体转变与一般固态转变之间的一系列共同特征，使我们有可能从固态相变的一般规律来考虑马氏体转变，而在马氏体转变进行的条件中去寻求马氏体转变与一般固态转变不同点的原因。

近年来，由于实验技术的进一步发展，使我们对马氏体的结构及马氏体转变的特征，又有了进一步的了解，对许多现象的认识也有了很大的进步，并因此而推动了热处理新工艺及新材料的发展。其中，最为脍炙人口的是，在热弹性马氏体的基础上发展起来的形状记忆合金。但是，我们应当看到，转变时成分不发生改变，仅仅是点阵发生改组，这种貌似简单的马氏体转变是相当复杂的。目前还有许多问题很不清楚，还有待于人们进一步研究。

4.1 钢中马氏体的晶体结构 4.1.1 马氏体的晶体结构

一、马氏体的晶格类型

Fe-C合金的马氏体是C在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。X-射线衍射分析证实，马氏体具有体心正方点阵（点阵常数之间的关系为：a=b≠c，α=β=γ=90° c/a-称为正方度）。人们通过X-射线衍射分析法，测定不同碳含量马氏体的点阵常数，得出c、a及c/a与钢中碳含量成线性关系，由图7可见，随钢中碳含量升高，马氏

体点阵常数c增大，a减小，正方度图4－7 奥氏体与马氏体点阵常数和碳含量的关系 c/a增大。图中aγ为奥氏体的点阵常

数。马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下列公式表示：

c?a0?????a?a0????c/a?1?????

式中 a0为α-Fe的点阵常数， a0=2.861?；

α=0.116±0.002； β=0.113±0.002； γ=0.046±0.001； ρ—马氏体的碳含量（重量百分数）。

图4－8 奥氏体a)与马氏体b)的点阵结构 及溶于其中的碳原子所在的位置

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显然，系数α和β的数值确定着C原子在α-Fe点阵中引起的局部畸变。

上式所表示的马氏体点阵常数和碳含量的关系，长期以来，曾为大量研究工作所证实，并且发现这种关系对合金钢也是适用的。马氏体的正方度c/a，甚至已被成功地作为马氏体碳含量定量分析的依据。 二、碳原子在马氏体点阵中的位置及分布

C原子在中α-Fe可能存在的位置是铁原子构成体心立方点阵的八面体间隙位置中心。在单胞中就是各边中央和面心位置，如图4－8所示。体心立方点阵的八面体间隙是一扁八面体，其长轴为2a，短轴为c。根据计算，α-Fe中的这个间隙在短轴方向上的半径仅0.19?，而C原子的有效半径为0.77?。因此，在平衡状态下，C在α-Fe中的溶解度极小（0.006%）。一般钢中马氏体的碳含量远远超过这个数值。因此，势必引起点阵发生畸变。图4－9中只指出了C原子可能占据的位置，而并非所有位置上都有C原子存在。这些位置可以分为三组，每组构成一个八面体，C原子分别占据着这些八面体的顶点，通常把这三种结构称之为亚点阵。图中a）称为第三亚点阵，C原子在c轴上；b）称为第二亚点阵，C原子在b轴上；c）称为第一亚点阵，C原子在a轴上；如果C原子在三个亚点阵上分布的机率相等，即无序分布，则马氏体应为立方点阵。事实上，马氏体点阵是体心正方的，可见C原子在三个亚点阵上的分布机率是不相等的，可能优先占据其中某一个亚点阵，而呈现为有序分布。

通常假设马氏体点阵中的C原子优先占据八面体间隙位置的第三亚点阵，即C原子平行于[001]方向排列。结果使c轴伸长，a轴缩短，使体心立方点阵的α-Fe变成体心正方点阵的马氏体，研究表明，

图4－9 C原子在马氏体点阵中的可能位置构成的亚点阵

并不是所有的C原子都占据第三亚点阵的位置，通过中子辐照分析的结论是近80%的C原子优先占据第三亚点阵，而20%的C原子分布其他两个亚点阵，即在马氏体中，C原子呈部分有序分布。

4.1.2 马氏体的异常正方度

人们研究马氏体时发现，对许多钢中“新形成的马氏体”，正方度

与碳含量的关系并不符合上述公式。有的与公式相比较，正方度相当

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低，称为异常低正方度。有的与公式相比较，正方度相当高，称为异常高正方度。异常低正方度马氏体的点阵是正交对称的，即a≠b。而异常高正方度马氏体的点阵是正方的，即a=b。并且发现异常正方度与公式计算的正方度的偏差随钢C含量升高而增大。人们由此推测，马氏体的异常正方度现象可能与C原子在马氏体点阵中的某种行为有关。

在普通碳钢新形成的马氏体中及其他具有异常低正方度的新形成马氏体中，C原子也都是部分无序分布的。正方度越低，则无序分布程度越大，有序分布程度越小。只有异常高正方度马氏体中，C原子才接近全部占据八面体间隙的第三亚点阵。但是，计算发现，即使全部C原子占据第三亚点阵，马氏体的正方度也不能达到实验中所测得的异常正方度。因此，有人认为，在某些钢中马氏体的异常正方度还与合金元素的有序分布有关。 按上述模型，我们不难解释，具有异常低正方度的新形成马氏体，因其C原子是部分无序分布的，因而正方度异常低。正因为部分无序分布，所以有相当数量的碳原子分布在第一、第二亚点阵上，当它们在这两个亚点阵上的分布机率不等时，必引起a≠b，而形成了正交点阵。在温度回升到室温时，C原子重新分布，有序程度增大，故正方度增大，而正交对称性逐渐减小，以至消失。因此，新形成马氏体的正方度变化，是C原子在马氏体点阵中重新分布引起的。这个过程就是C原子在马氏体点阵中的有序-无序转变。这个转变的动力是C原子只在八面体间隙位置的一个亚点阵上分布时具有最小的弹性能。这与理论计算结果符合。

近几年发现经中子流、电子流、-射线辐照的马氏体有正方度的可逆变化。辐照后，正方度下降，随后在室温时效几个月，正方度复又上升。这种可逆变化可以被认为是C原子有序-无序转变过程存在的有力证明。马氏体经辐照后，由于缺陷密度升高，使C原子发生重新分布，部分C原子离开第三亚点阵向点阵缺陷处偏聚，因而正方度下降。时效时，由于点阵缺陷的密度下降，C原子又逐渐回到第三亚点阵上，因此正方度又逐渐上升。

4.2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

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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4－1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4－2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

图4－1 马氏体等温转变曲线

图4－2 马氏体转变与温度的关

某一温度以下时，虽然马氏体转变未达到100%，但转变已不能进行。该温度称为马氏体转变终了点，用Mf 表示（图4－2）。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。

图4－4 Fe-23%Ni-3.7%Mn合

图4－3 爆发式转变时的马氏体转变量与温度的关系

金马氏体等温转变动力学曲线

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4－3所示。

也还有少数MS点低于0℃的合金，如Fe-Ni-Mn，Fe-Ni-Cr以及

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