马氏体组织

马氏体(martensite)是黑色金属材料的一种组织名称。最先由德国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状(plate)或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT）。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。

名称及来源

马氏体就是以人名命名的：

对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫·马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多，今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。

被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜（！）观察铁的金相组织，并在1878年发表了《铁的显微镜研究》，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。（这个工作我们现在做的好像也蛮多的。）他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（"Staatliche Materialprüfungsamt"）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。

形成过程

马氏体长大的过程是相界面推移的过程。由于两相的比体积差、界面共格等因素作用，引起弹性应变能的增加，应变能的增大导致马氏体长大过程受阻，最终马氏体片停止长大。这个过程分为以下三个阶段：

第一阶段

火，经硝酸酒精浸蚀后在扫描电镜下观察呈黑色，其余的淬火马氏体为灰白色。可见，第一阶段形核长大的马氏体沿着晶界长大，也沿着惯习面向品内长大。马氏体片在长度和厚度方向上的生长是热弹性的，即在冷却过程巾增大，而在加热过程中减小。

第二阶段

第二阶段的马氏体转变量为20%～70%。这一阶段也应当是马氏体的形核长大过程，虽然较少观察到马氏体的形核，其特点是自调节的变体组群的形成和推进。按照惯习面的面族的不同取向形成马氏体变体组，各变体引起的弹性能互相抵消一部分，因而一个组群马氏体的形成引起的弹性应变能被降低，这有利于马氏体片的形成和推进。这就是“自调节”作用，科学技术哲学称其为自组织过程。图中所示为马氏体长大的第二阶段示意图和Cu-Zn-Al合金马氏体长大的电镜照片。

第三阶段

第三阶段的马氏体转变量为70%～100%，属于递减阶段。此阶段的特点是母相品粒已经被马氏体片分割成许多小块区域，新生的马氏体只能在分割包围的高应力区域内形核长大。马氏体形核长大越来越困难，马氏体片尺寸越来越小。此阶段所占的温度范围较大，但转变量较小，最后还可能有受胁迫的奥氏体不能转变为马氏体而残留下来。图为CrWMn钢粗大马氏体+残留奥氏体组织，图中在黑色马氏体片夹缝中残留奥氏体(白色区)。

含碳量的影响

1．组织形貌的演化

从低碳马氏体到超高碳马氏体，其二维形态从板条状→条片状→片状→凸透镜状演化。马氏体组织形貌由板条状过渡到片状，片状和透镜片状马氏体的空间取向增多，非集束化，而对应的三维形态应当为盘状→条片状→扁针状。马氏体片条从平行分布到呈现交角分布；在这个演化过程中，立体形状总的趋势是由盘状向扁针状演化，

2．亚结构的演化

从低碳马氏体到高碳马氏体，亚结构发生变化，低碳的板条状马氏体的亚结构主要是极高密度的位错，孪晶和层错少。中碳马氏体的亚结构也是以高密度位错为主，但孪晶增多。高碳马氏体的哑结构是孪晶+高密度位错。电镜分析表明，从低碳到高碳马氏体，均有微细的层错业结构存存，位错与层错往往是伴生的。

3．位向关系和惯习面的演化

不同含碳量的过冷奥氏体转变为马氏体时普遍存在K—S关系。钢中马氏体的惯习面随着含碳量和形成温度的不同而异，如从低碳马氏体到高碳马氏体，有(557)[原为(111)]→(225)→(259)。

4．晶体结构的演化

含碳量增加时，马氏体的品体结构由体心立方(bcc)向体心正方(bct)结构过渡。当碳的质量分数小于0．2%时为体心立方结构的马氏体，正方度为l；而中碳、高碳马氏体的正方度大于1。某些钢中还有密排六方(hcp)ε马氏体。

扩展

有色金属和合金以及陶瓷材料等也都发现了马氏体转变，因此，凡是基本特征属于马氏体转变的相变，其转变产物都称为马氏体。