1.马氏体转变的热力学条件

马氏体相变也符合一般的相变规律，遵循相变的热力学条件。马氏体相变的驱动力是新相马氏体（M）和母相奥氏体（A）的吉布斯自由能之差。相同成分的马氏体与奥氏体的吉布斯自由能和温度的关系如图2-13所示。马氏体和奥氏体的自由能均随着温度上升而下降，到T₀温度时二者相等。与加热转变不同，当奥氏体被过冷到略低于T₀时，马氏体转变并不发生，必须过冷到T₀以下某一温度Ms时，才会发生马氏体转变，到Mf点转变结束。其中，T₀为奥氏体吉布斯自由能与马氏体吉布斯自由能相等的温度；Ms为马氏体开始转变的温度，即达到可提供马氏体相变所需的最小驱动力的温度；Mf为马氏体连续转变的最低温度点。

T₀、Ms和Mf与碳质量分数的关系如图2-14所示。

综上所述，在T₀到Ms之间，马氏体相变不会自动发生，但若引入塑性变形，使塑性变形的机械驱动力与相变的化学驱动力（马氏体与奥氏体二相的吉布斯自由能差）叠加，并达到马氏体相变所需的最小驱动力ΔG_A→M（即ΔG_γ→α，见图2-15）时，马氏体相变也会发生。此时的温度为Md，称为形变诱发马氏体温度点。Md不能大于T₀。形变马氏体的形态与前述的马氏体相同。

图2-13 相同成分的马氏体与奥氏体的吉布斯自由能和温度的关系

图2-14 T₀、Ms和Mf与碳质量分数的关系

图2-15 形变诱发马氏体转变原理示意图

所以要得到马氏体组织，必须把钢加热到奥氏体状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷却到Ms点以下的温度。因此，马氏体的形成条件是一定的冷速（大于临界冷却速度）和深度过冷（低于Ms点）。大于临界冷却速度是为了抑制珠光体型转变（或贝氏体转变）；深度过冷是为了保证系统吉布斯自由能的降低，以便为马氏体的形成提供足够的相变驱动力。

2.影响钢中Ms点的主要因素

Ms在生产中有很重要的意义，因此了解影响Ms点的因素是十分必要的。

（1）化学成分的影响 一般来说，Ms主要取决于钢的化学成分，其中碳的影响尤其显著。

1）碳质量分数的影响：当w_C<0.6%时，随着w_C增大，Ms和Mf均降低；当w_C>0.6%，且Mf<0℃时，随着w_C增大，Ms和Mf均降低。其原因为：w_C增大，使奥氏体的强度增大，相变阻力增大，切变困难，Ms下降。

2）合金元素的影响：合金元素和碳一样都能在钢中形成间隙固溶体，对γ相和α相都有固溶强化作用，但对α相的固溶强化作用尤为显著，因而增大了马氏体相变的切变阻力，使相变驱动力增大。同时，碳和合金元素还是稳定γ相的元素，它们降低奥氏体向马氏体转变的平衡温度T₀，故强烈降低Ms点。如图2-16所示，除Al、Co以外，合金元素均使Ms点降低，只是效果不如碳的影响显著。

图2-16 合金元素对Ms点的影响(www.daowen.com)

降低Ms点的合金元素按其影响强烈程度排列，顺序为：Mn、Cr、Ni、Mo、Cu、W、V、Ti。其中，W、V、Ti等强碳化物形成元素在钢中大都以碳化物的形态存在，淬火加热时一般溶于奥氏体的量很小，故对Ms点的影响不大。

一般认为降低Ms点的合金元素同样降低Mf点。

（2）形变与应力的影响 如前所述，奥氏体在Md～Ms之间进行塑性变形时会诱发马氏体相变，同样在Ms～Mf之间进行塑性变形也可以促进马氏体相变，使马氏体转变数量增加。一般说来，形变量越大，形变温度越低，则形变诱发马氏体转变的量就越多。

由于马氏体相变时必然产生体积膨胀，因此多向压缩应力将阻止马氏体的形成，因而降低Ms点。而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。

（3）奥氏体化条件的影响 加热温度和保温时间对Ms点的影响较为复杂。加热温度升高和保温时间延长有利于碳和合金元素溶入奥氏体中，而使Ms点下降，但同时又会引起奥氏体晶粒的长大，并使晶体缺陷减少，马氏体形成时的切变阻力减小，从而使Ms点升高。一般情况下，当不发生化学成分的变化时，即在完全奥氏体化的条件下，提高加热温度和延长保温时间将使Ms点有所提高；而在不完全加热条件下，提高加热温度和延长保温时间将使奥氏体中的碳和合金元素含量增加，导致Ms点下降。

在奥氏体成分一定的情况下，晶粒细化，则奥氏体强度提高，马氏体相变的切变阻力增大，使Ms点下降。但当晶粒细化并不显著影响切变阻力时，对Ms点没有太大影响。

（4）淬火冷却速度的影响 淬火冷却速度对Ms点的影响如图2-17所示。

1）在淬火冷却速度较低时，Ms点保持恒定，形成一个较低的台阶，相当于钢的名义Ms点。

2）在淬火冷却速度很高时，出现一个较高的Ms点恒定的台阶。

3）在上述两种淬火冷却速度之间，Ms点随着淬火冷却速度的增大而上升。

图2-17 淬火冷却速度对Ms点的影响

产生上述这种现象的原因是：在一般情况下，相变之前奥氏体中碳的分布是不均匀的，在位错等缺陷处发生偏聚，形成所谓的“碳原子气团”。这种“气团”的大小与温度有关，在高温下原子扩散能力很强，碳原子偏聚倾向较小，因此“气团”的尺寸也较小。但当温度降低时，原子扩散能力减弱，碳原子的偏聚倾向逐渐加大，因而“气团”的尺寸随着温度降低而逐渐增大。在正常淬火条件下，这些“气团”可以达到足够大，对奥氏体起强化作用。但极快的淬火速度抑制“气团”的形成，引起奥氏体的弱化，使马氏体相变时的切变阻力增大，因而使Ms点升高。但当冷却速度足够大时，“气团”完全被抑制，Ms点不再随着淬火冷却速度的增大而升高。

（5）磁场的影响 试验证明，钢在磁场中淬火冷却时，外加磁场将诱发马氏体相变，与不加磁场相比，Ms点升高，并且相同温度下的马氏体转变量增加。但是，外加磁场只能使Ms点升高，而对Ms点以下的相变行为并无影响。

外加磁场影响马氏体相变的原因主要是外加磁场使具有最大磁饱和强度的马氏体相趋于更稳定。如图2-18所示，在磁场中马氏体的吉布斯自由能降低，而磁场对非铁磁相奥氏体的吉布斯自由能的影响却不大，因此两相平衡温度T₀升高，Ms点也随着升高。当然，也可认为，外加磁场实际上是用磁能补偿了一部分化学驱动力，由于磁力诱发而使马氏体相变能在Ms点以上进行。这种现象从热力学角度来看，与形变诱发马氏体相变很相似。

图2-18 外加磁场引起Ms点升高的热力学示意图