马氏体相变(为什么马氏体具有高强度和高硬度，其数值？)

为什么马氏体具有高强度和高硬度，其数值？

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1、马氏体为什么具有高硬度?

马氏体具有高硬度和高强度，主要是以下几个因素影响所致：

(A)

固溶强化：主要是碳对马氏体的固溶强化。过饱和的碳原子间隙在Fe晶格中造成晶格畸变，形成一个强的应力场，它阻碍位错运动，从而提高了马氏体的硬度和强度。

(B）相变强化：马氏体转变时，会造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如位错或孪晶，它们会阻碍位错运动，从而使马氏体得到强化。

(C)

时效强化：马氏体形成后，因钢的Ms点大多处在室温以上，因此，在淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生“自回火”，使碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散、聚集或碳化物弥散析出，钉扎位错，使位错运动受阻，从而提高马氏体的强度。

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2.马氏体的塑性、韧性是否都差?

马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构，片状马氏体具有高硬度、高强度，但韧性很差，而具有相同强度的板条马氏体的韧性要好得多，即板条马氏体不但具有高硬度、高强度，而且还具有相当高的塑性和韧性。

具体分析如下：

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1..低碳马氏体

淬火状态下的低碳马氏体，由于高的位错密度、碳和合金元素的固溶强化和形成的板条束界（以及板条晶界）会引起钢的强化。低碳马氏体的含碳量一般不超过0.25%，碳原子大部分偏聚在位错线附近，晶体构造仍保持立方晶结构。低碳马氏体中主要是位错亚结构，可动位错能缓和局部地区应力集中，减少裂纹形核倾向以及削弱裂纹源码端应力峰值，这些作用均使马氏体断裂抗力增大，并使塑性，韧性提高。从强化本质上分析，碳原子和位错交互作用可使马氏体强度增高，但并未造成强烈的四角不对称畸变，因此马氏体的塑性和韧性比较好。板条束界对原奥氏体晶粒进行再分割相当于使低碳马氏体的晶体再变细，形成晶界强化。晶界强化可以在提高强度的同时还提高韧性。

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2.中碳马氏体

中碳马氏体钢高温回火时，伴随着基体再结盟晶和碳化物质点粗化，马氏体的韧性进一步改善。

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3.高碳马氏体

过共析钢的更佳淬火温度是略高于A1点的两相区，高碳钢低温两相区淬火后的组织是马氏体和均匀分布的粒状二次碳化物，使钢在具有极高的强度条件下，仍能保持一定的塑性和韧性。因为提高淬火温度会造成奥氏体晶粒粗化，二次碳化物的大量溶解，会使奥氏体（或马氏体）中含碳量增高，板条晶马氏体减少和片状晶马氏体增多，孪晶亚结构增多，显微裂纹敏感性增大和残留奥氏体增多等一系列对性能不利的影响。组织形态和亚结构的变化必定引起性能的变化。

工业上的高碳钢都是在淬火低温回火的状态下使用。高碳钢马氏体低温回火后具有很高的强度，但塑性、韧性极低。在拉伸试验和冲击试验的条件下，通常不能正确地测定它们的力学性能，因此，有关这类钢低温回火的性能数据大都是由弯曲、扭转、压缩和硬度等试验提供的。

高碳钢马氏体低温回火状态下，决定断裂韧度高低的主要参数是碳化物相的分布、数量和相邻质点的间距λ，而基体晶粒的粗细（原奥氏体晶粒、马氏体板条束或片状晶的大小）对断裂韧度的影响不大。由断裂韧度的变化规律可知过低的淬火温度对韧性也是不利的。淬火温度降低将使碳化物（渗碳体）数量愈多，λ愈小，相当于断裂的特征距离愈小，质点间基体金属在外力作用下容易产生颈缩，为微孔聚合创造有利条件。λ愈小，若有现存裂纹的条件下，裂纹容易借助微孔聚合扩展，钢的断裂韧度降低。可见，高碳钢低温淬火时必定导致断裂韧度降低。而相应的提高淬火加热温度，可以改善高碳马氏体低温回火状态下的断裂韧度。因为升高淬火温度，一方面使未溶碳化数量减少，λ加大，增加断裂特征距离，另一方面因碳化物溶解，奥氏体中含碳量增多，淬火后残留奥氏体增多，这两点都能改善钢的断裂韧度。但是，用这样的方法提高断裂韧度的同时，由未溶碳化物提供的耐磨性等性能随之降低，因此，采用时必须注意兼顾钢的强度、韧性和耐磨性。高碳钢进行高温回火时，相同强度条件下韧性较差，同时又没有发挥出高碳的强化作用，所以高碳钢一般不会在高温回火状态下使用。

什么是马氏体？

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相变特征和机制

马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达105cm·s-1。人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。其特征可概括如下：

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，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保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，若试样中一部分(A1B1C1D1-A2B2C2D2)发生马氏体相变(形成马氏体),则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保持无应变、不转动，称惯习（析）面。这种形状改变称为不变平面应变（图3）。形状改变使先经抛光的试样表面形成浮突。由图4可见,高碳钢马氏体的表面浮突，它可由图5示意,可见马氏体形成时,与马氏体相交的表面上发生倾动,在干涉显微镜下可见到浮突的高度以及完整尖锐的边缘（图6）。

马氏体的惯习（析）面

马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在奥氏体(γ)的{135}上更先形成（图7）。马氏体形成时和母相的界面上存在大的应变。为了部分地减低这种应变能，会发生辅助的变形，使界面改变如图7中由{135}变为{224}面。图7中马氏体呈透镜状，它具有中脊面，是孪晶密度很高的面，即{135}γ面，这些马氏体内部的孪晶是马氏体内的亚结构。在铁基合金的马氏体中存在孪晶或（和）位错,在非铁合金中一般存在孪晶或层错。由图7还可见到：在马氏体周围的母相（奥氏体）中形成密度很高的位错，这是在马氏体相变时，母相发生协作形变而形成的。

由于马氏体相变时原子规则地发生位移,使新相(马氏体)和母相之间始终保持一定的位向关系。在铁基合金中由面心立方母相γ变为体心立方(正方)马氏体M时具有**的курдюмов-Sachs关系(简称K-S关系){111}γ∥{011}M,<01ī>γ∥<ī11>M和西山关系；{111}γ∥{110}M，<211>γ∥<110>M。由面心立方母相P变为六方马氏体ε时,则有：{111}p∥{001}ε,<110>p∥<110>ε。

马氏体相变的可逆性

马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度开始转变为马氏体，把这温度标作Ms,加热时马氏体逆变为母相，开始逆变的温度标为As。图8中表示Fe-Ni和Au-Cd合金的Ms和As,它们所包围的面积称为热滞面积,可见Fe-Ni马氏体相变具有的热滞大,而Au-Cd则很小。相变时的协作形变为范性形变时，一般热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚至消失。因此这类合金的马氏体相变具有热弹性，称为热弹性马氏体相变。

马氏体转变的温度－时间关系

在一般合金的马氏体相变中，马氏体形成量只是温度的函数，即随着温度的下降，马氏体的形成量增大，称为变温马氏体的形成，如图9所示(图中??为马氏体形成量、Tq为淬火介质的温度)。但在有些合金

(Fe-Ni-Mn)中马氏体的形成量却是时间的函数，即在一定温度下，随时间的延长，马氏体形成量增多,称为等温马氏体的形成，如图10所示(图中％指马氏体形成量)。一些高碳高合金钢,如高速钢、轴承钢，主要形成变温马氏体，但在一定条件下也能形成等温马氏体。这两类马氏体在本质上可能是一致的,不过在变温马氏体形成时母相不易继续相变(稳定化),必须降温，增加相变的驱动力才能继续形成马氏体。一定的应力和形变作为附加的驱动力，会促使马氏体的形成;但过量的形变又会阻碍马氏体相变的进行(力学的稳定化)。

工业应用

马氏体相变规律在工业上的应用，已具显著效果。除马氏体强化普遍应用于钢铁外，在钢铁热处理中还利用相变规律来控制变形，以及改善性能。人们目前对铁基合金的成分、马氏体形态和力学性质之间的关系已有较明晰的认识,具备位错亚结构的低碳型(条状)马氏体有一定的强度和良好的韧性,具备孪晶亚结构的高碳型（片状）马氏体有很高的强度但韧性很差。按此，低碳马氏体已在工业上有较大量的应用。形变热处理的应用，以及马氏体时效钢(含碳～0.02％)的创制都是利用低碳马氏体的良好韧性。图11是低碳型马氏体的光学显微镜下的金相组织;图12是低碳型马氏体的透射电子显微镜下的金相组织，可以见到内部的位错亚结构。利用马氏体相变时塑性增长，已建立了相变诱发塑性钢（TRIP钢）（见形变热处理）。

有些合金如（Au-Cd，In-Tl等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复。这现象称为“伪弹性”。图13示Ag-Cd合金的伪弹性现象。具有热弹性和伪弹性的部分合金中还具有“形状记忆效应”，即合金经马氏体相变后经过形变使形状改变，但经过加热逆变后对母相原来形状有记忆效应，会自动回复母相的原来形状，图14为形状记忆效应示意图。有的合金不但对母相形状，而且再次冷却时对马氏体形状也具有记忆效应称为“双程记忆效应”。利用这种效应制成的形状记忆合金，已可工业应用。

马氏体相变的研究

温度以及验证相变过程的工作还处于发动阶段。虽然从实验上可以得到相变的惯习(析)面、取向关系以及应变量，但相变过程中原子迁动的过程尚未了解。晶体学的表象理论，应用数学(矩阵)处理,预测马氏体相变过程的形状改变是均匀点阵形变、不均匀形变和刚性转动的结果；这只在Au-Cd、Fe3Pt及高镍钢和高铝钢中得到验证，对大多数合金还不完全与实验结果相符合。在某些马氏体相变前观察到物理性质异变(如弹性模量下降)揭示了相变前母相点阵振动(声学模)的软化，预相变和软模已为人们所注意。马氏体相变研究历史较久，工业上应用较广，也开始对金属和非金属的马氏体相变进行统一的研究。