【材科基幹貨】第48期：馬氏體轉變＆貝氏體轉變

本期將對

上海交通大學版《材料科學基礎》第9章內容：馬氏體轉變和貝氏體轉變

進行講解。

01 鐵碳合金的非平衡凝固

在先前的文章中，我們已經學習了鐵碳合金的平衡凝固過程及其組織。但實際生產中大多為非平衡凝固，存在過冷度。當凝固時的過冷度不大時，鋼中過冷奧氏體發生接近於平衡轉變（共析轉變）的珠光體轉變；當轉變溫度繼續降低會發生貝氏體轉變和馬氏體轉變兩種非平衡轉變。

圖1

珠光體轉變：

即過冷度不大時發生的共析轉變，共析鋼冷卻至A1以下的溫度時，奧氏體對於鐵素體和滲碳體均呈過飽和態，從而發生共析轉變，γS⇄αP + Fe3C，形成鐵素體與滲碳體交替分佈的片層狀共析組織，為機械混合物。

馬氏體轉變：

鋼中過冷奧氏體在 Ms 點（230℃）以下轉變為馬氏體，這個轉變持續至馬氏體形成終了溫度 Mf。

【注】除了鋼中馬氏體轉變外，有許多不同材料中均存在馬氏體轉變機制，即馬氏體型相變。將由馬氏體型相變生成的相統稱為馬氏體。

鋼中馬氏體：

用 M 表示，為過飽和碳溶於鐵素體的間隙固溶體，是單相組織。馬氏體的形成過程特殊，顯微結構獨特，與珠光體轉變、貝氏體轉變的產物有著本質區別。

表1 一些有色金屬及其合金中馬氏體轉變的情況

貝氏體轉變：

過冷奧氏體在 550℃～Ms（馬氏體轉變開始溫度）的轉變，又稱為中溫轉變。轉變溫度介於珠光體轉變和馬氏體轉變之間，轉變速率遠比馬氏體轉變低。

貝氏體：

用 B 表示，仍是由鐵素體與滲碳體組成的機械混合物，但其形貌與滲碳體的分佈與珠光體型不同，硬度也比珠光體型高。

02 馬氏體組織

按馬氏體的常見形貌，可將馬氏體組織分為兩類，也對應了碳含量的高低。

板條狀馬氏體：

低碳鋼中的典型馬氏體組織，一個原奧氏體晶粒中有若干個馬氏體板條塊，一個板條塊又分為幾個平行的板條束，板條束內分佈著若干個平行的馬氏體板條，每一個板條為一個單晶體。具有高密度的位錯，又稱位錯型馬氏體。

圖2板條馬氏體

片狀馬氏體（針狀馬氏體）：

高碳鋼中的凸透鏡片狀馬氏體在光鏡下呈針狀或竹葉狀，馬氏體片不平行，被殘餘奧氏體包圍。亞結構主要為孿晶，在邊緣區存在著高密度的位錯，孿晶結合部分的帶狀薄筋為中脊，中脊為高密度微細孿晶，又稱孿晶型馬氏體。

圖3 片狀馬氏體

中碳鋼為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。除此還有蝶狀馬氏體和薄片狀馬氏體。

03

馬氏體轉變的特徵

馬氏體轉變的特徵：

①無擴散性， 即鐵、碳原子均不發生擴散

②共格切變性，即相變透過切變進行，母相的原子協同式的遷移到馬氏體新相，遷移的距離小於一個原子距離，與母相保持共格關係。

③存在慣習面及新相母相間的位向關係

④表面浮凸效應，即馬氏體形成時試樣表面出現的浮凸現象

⑤轉變速度極快

⑥不完全性，即不能得到 100% 的馬氏體組織，有殘餘奧氏體存在

⑦可逆性，即快速加熱至奧氏體化溫度時，馬氏體將向奧氏體轉變

馬氏體的形狀記憶效應：

形狀記憶效應：

將某些金屬材料進行變形後加熱至某一特定溫度以上，變形金屬材料形狀恢復到變形前的形狀，此現象稱形狀記憶效應，這種材料稱形狀記憶合金。

原因：

馬氏體轉變的無擴散性、共格切變性和可逆轉變性。母相冷卻過程中外加應力誘發馬氏體相變，利用馬氏體相變偽彈性產生宏觀變形。加熱過程中，當加熱溫度超過馬氏體相變逆轉變溫度時，伴隨熱彈性馬氏體逆轉變，產生形狀恢復，完成形狀記憶過程。

04 馬氏體的效能

馬氏體的塑韌性：

板條狀馬氏體：

碳含量低，亞結構為高密度位錯，形成溫度較高可發生自回火，晶格正方度（c/a）較小，內應力較小，無顯微裂紋，故具有較高的塑韌性。

片狀馬氏體：

碳含量高，亞結構主要為孿晶，相變時體積膨脹量大，內應力大，片與片相撞時易產生顯微裂紋，故脆性大。

馬氏體具有高強度、高硬度的原因：

①固溶強化：碳原子進入馬氏體的扁八面體間隙中心，形成以碳原子為中心的畸變偶極應力場，這個應力場與位錯產生強烈互動作用，阻礙位錯運動，從而產生強化。

②碳原子偏聚到位錯線處，釘扎位錯產生強化作用。

③馬氏體相變的切變性，造成馬氏體內部產生大量缺陷，如位錯、孿晶等，這些缺陷阻礙位錯運動，從而產生強化。

此外，若原奧氏體的晶粒越細小，板條馬氏體越小，則強度越高。

表2 馬氏體知識點彙總

05 貝氏體組織

按貝氏體的常見形貌，可將貝氏體組織分為兩類，即對應兩個不同的溫區。

上貝氏體（B上）：

形成溫度為 550℃～350℃，呈羽毛狀，其硬度比同樣成分的下貝氏體低，韌性比下貝氏體差，故上貝氏體的機械效能較差，脆性很大，強度很低，基本無實用價值。

下貝氏體（B下）：

形成溫度為 350℃～Ms，呈針狀或片狀，有較高的強度和硬度，還有良好的塑性和韌性，故綜合機械效能較好，是生產上的常用組織，獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。

除以上兩種還有粒狀貝氏體、無碳化無貝氏體、準上/下貝氏體、特殊下貝氏體、柱狀貝氏體、反常貝氏體。

將鋼中可能出現的九種貝氏體歸類：

以上貝氏體為代表：

無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、準上貝氏體、上貝氏體；

以下貝氏體為代表：

柱狀貝氏體、準下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。

圖4

貝氏體轉變的機制：

為半擴散型相變，碳原子短程擴散，鐵原子共格切變（貝氏體轉變機制目前仍存在爭議）。

06 貝氏體的效能

強度：

上貝氏體的強度比下貝氏體的強度低，因為下貝氏體中碳化物顆粒小、數量多、分佈均勻，對合金強化的貢獻較大；

韌性：

下貝氏體的韌性比上貝氏體高得多，因為上貝氏體中存在粗大碳化物，裂紋擴充套件迅速。

圖5

07 重要思考題

比較分析珠光體轉變、馬氏體轉變和貝氏體轉變三者間的異同。

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