固态相变 教学课件 作者 刘宗昌第4章马氏体相变与马氏体4.5马氏体相变热力学.ppt

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1、4.5马氏体相变热力学1.马氏体相变热力学分类：1）由面心立方母相转变为体心立方（正方）马氏体的热力学，主要以铁基合金为代表，其中，Fe-C合金进行了较多的工作。对马氏体点（Ms）能直接由热力学数学处理求得近似值。并且确定相变驱动力在282卡/克原子以上（1180J/mol）。2）由面心立方转变为六方ε-马氏体的热力学，如钴、钴合金、Fe-Ni-Cr不锈钢等，其相变驱动力较小，仅数十J/mol。3）热弹性马氏体热力学，相变驱动力很小，热滞小（几个J/mol）。2.Fe-C合金马氏体相变热力学条件马氏体、奥氏体的自由焓与温度的关系几种

2、Fe-C合金马氏体相变驱动力从纯铁到1.2%C的Fe-C合金，相变驱动力随着碳浓度的增高而增大。说明高碳马氏体相变需要较大的过冷度。增加奥氏体中的碳含量，则降低马氏体点（Ms），在具有更大相变驱动力的情况下才能发生马氏体相变。按照KRC、LFG模型计算的相变驱动力铁基合金中马氏体相变驱动力均为-1180J/mol以上。在有色合金中，马氏体相变驱动力均较小，多为热弹性马氏体。如Co合金中为-4～-16J/mol；钛合金、锆合金中为-25J/mol；Ag和Au合金中为-8～-20J/mol；In合金中约为-1.5J/mol。4.马氏体相

3、变阻力马氏体相变的阻力均为正值，暂不考虑切变阻力，则应当包括如下各项：(1)因为比体积变化引起膨胀所造成的应变能Nv；(2)在马氏体内部形成高密度位错、大量孪晶、微细层错所需的能量，分别记为Nd、Nt、Nc；(3)马氏体周围的奥氏体中形成位错所需的能量也记为Nd；(4)马氏体板条或片的界面能记为Nj；(5)其他能量：表面能Ns，磁场能Nm，应力场能Ny，母相缺陷能Nq等。(6)释放相变潜热Qf。母相缺陷能Nq对于马氏体相变形核起促进作用，但不是所有缺陷处都形核，一部分遗传给新相。故忽略Nq。各项阻力之总和为：ΣN=Nv+Nd+Nt+

4、Nc+Nj+Ns+Nm+Ny+Qf式中，各项能量单位的量纲以J/mol表示。4.1纯铁马氏体相变时的阻力体积应变能：计算得马氏体相变的体积应变能为Nv=509J·mol-1。位错应变能约为Nd=418J·mol-1总阻力=Nv+Nd+Nc+Nj=936J·mol-1（纯铁马氏体相变临界相变驱动力为-1180J·mol-1）4.2钢中马氏体相变切变的耗能各种切变模型进行切变需要的切变耗能：切应变耗能N=0.5Gγ2VK-S切变使γ-Fe→α马氏体（0%C）时，共需切变能量为Nk=44.9×103J·mol-1；西山切变模型，需切变能量

5、Nx=35×103J·mol-1；G-T切变模型，共需切变能量NG=25.3×103J·mol-1。可见，切变耗能太大，是相变驱动力远远不能达到的。切变应变能计算：Aaronson等采用下列方程进行计算Wε=1400J·mol-1（350℃）。高碳凸透镜状马氏体,算得Wε=7340J·mol-1。加上936J·mol-1显然切变造成的应变能与其他各项阻力之和大于相变驱动力，相变驱动力不足以完成切变过程。5.马氏体点Ms点是马氏体相变的开始温度，它是奥氏体和马氏体的两相自由焓之差达到相变所需耍的最小驱动力值时的温度。奥氏体和马氏体两相

6、自由焓相等的温度是平衡温度，表示为T0。马氏体相变需在T0以下某一温度开始，这个温度即为Ms温度。马氏体点与成分的关系Ms（℃）＝550－361×（％C）－39×（％Mn）-35(%V)-20(%Cr)-17(%Ni)-10(%Cu)-5×(%Mo+%W)+15×(%Co)+30(%Al)Ms（℃）＝538－317×（％C）－33×（％Mn）-28(%Cr)-17(%Ni)-11×(%Mo+%W+Si%)马氏体点与元素含量成线性关系。上述2式成立的条件是完全奥氏体化，并且它们不适用于高碳钢和高合金钢。马氏体点（Ms）与成分的非线性关

7、系工具钢和合金结构钢的马氏体点与碳含量的关系影响马氏体点的因素1）奥氏体晶粒大小的影响奥氏体化温度愈高，晶粒愈粗大，Ms点愈高。其原因缺乏研究报道。奥氏体晶粒大小对Ms的影响奥氏体化温度对Ms点温度的影响2）形变和应力对Ms的影响奥氏体冷到Ms点以上某一温度进行塑性变形，会引起Ms点升高，产生形变马氏体，而形变温度高于某一温度时，塑性变形不引起马氏体转变，这个温度为Md点。范性形变提供有利于马氏体形核的晶体缺陷，促使马氏体的形成。弹性应力对马氏体转变产生与形变相类似的影响。马氏体转变时发生比容胀大，体积膨胀的现象，多向压应力会阻碍马

8、氏体的继续转变，降低马氏体点。拉应力或单向压应力往往有利于马氏体的形成，使Ms点升高。马氏体点的应用(1)Ms点是制定热处理工艺的依据。贝氏体等温淬火，马氏体等温淬火，形变等温淬火等工艺都需要参考钢的Ms温度。在分析和控制热处理质量时