哈工大材料力学性能大作业-铁碳马氏体的强化机制

铁碳马氏体的强化机制

摘要：钢中铁碳马氏体的最主要特性是高强度、高硬度，其硬度随碳含量的增加而升高。马氏体的强化机制是多种强化机制共同作用的结果。主要的强化机制包括：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化和综合强化等。本文介绍了铁碳马氏体及其金相组织和力学特性，着重深入分析马氏体的强化机制。

关键词：铁碳马氏体强化机制

1.马氏体的概念，组织及力学特性

1.1马氏体的概念

马氏体，也有称为麻田散铁，是纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学成分不改变，但晶格发生变化，同时新旧相间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。

马氏体最先在淬火钢中发现，是由奥氏体转变成的，是碳在α铁中的过饱和固溶体。以德国冶金学家阿道夫·马登斯（A.Martens）的名字命名；现在马氏体型相变的产物统称为“马氏体”。马氏体的开始和终止温度，分别称为M始点和M终点；钢中的马氏体在显微镜下常呈针状，并伴有未经转变的奥氏体(残留奥氏体)；钢中的马氏体的硬度随碳量增加而增高；高碳钢的马氏体的硬度高而脆，而低碳钢的马氏体具有较高的韧性。

1.3马氏体的力学特性

铁碳马氏体最主要的性质就是高硬度、高强度，其硬度随碳含量的增加而增加。但是当碳含量达到6%时，淬火钢的硬度达到最大值，这是因为碳含量进一步提高，虽然马氏体的硬度会提高但是由于残余奥氏体量的增加，使钢的硬度反而下降。

2.铁碳马氏体的晶体学特性和金相形貌

钢经马氏体转变形成的产物。绝大多数工业用钢中马氏体属于铁碳马氏体，是碳在体心立方结构铁中的过饱和固溶体。

铁碳合金的奥氏体具有很宽的碳含量范围，所形成的马氏体在晶体学特性、亚结构和金相形貌方面差别很大。可以把铁碳马氏体按碳含量分为5个组别(见表)【1】。

低碳马氏体为体心立方结构，中、高碳为体心正方结构。碳原子的固溶为间隙式，处于八面体间隙之中。如图1A中×号所示，三坐标方向的面心位置是具有代表性的三种八面体间隙中心，构成了体心晶格中的三套亚点阵，分别以1/2[001]、1/2[010]、1/2[100]表示，每单位晶胞中有六个八面体间隙分属这三套亚点阵。【2】体心立方晶格的八面体是非等轴的，以1/2[001]八面体(图1B)为例，间隙在[001]方向(图1的c方向)的尺寸不但小于[110]，即图1B水平正方形的

图1 体心立方晶格的八面体间隙

A—三套八面体间隙(中心)位置亚点阵;B—体心立方八面体间隙的非对称性

对角线方向的尺寸，而且也小于碳原子直径。碳原子的溶入将增加c方向的原子间距，由于弹性效应，a、b方向的间隙将略为缩小。碳原子在马氏体中并非均匀地分配在三套亚点阵中，而是选择其中一套，因此造成了晶格的正方性。

光学金相显微镜观察铁碳马氏体具有两类形貌，分别称为板条状马氏体和片状马氏体，如图3、图4所示。板条状马氏体为集束的板条，同一母相晶粒内只形成少数几个集束，呈现几个区域，域内各板条仅以小角度交界;而片状马氏体则为空间方位杂乱的饼状，在磨面上为针状。

透射电子显微镜观察，与两种金相形貌对照，马氏体(板，片)内部呈现两类亚结构。低碳(板条)马氏体为高密度的位错网络，而高碳(片状)马氏体为极薄的孪晶片。故两种马氏体又分别称为位错马氏体和孪晶马氏体。

多数工业实用的铁碳马氏体并非单一的金相形貌和亚结构，而是混合的。淬火态两类(板条——位错、片状——孪晶)马氏体的相对量可由图5的数据估计。碳含量越高，马氏体转变点Ms越低，则片状——孪晶马氏体量越多。当碳含量超过0.6%时，片状马氏体量将超过50%(体积分数)。孪晶马氏体的韧性低，它是高碳钢淬火态脆性大的根本原因。【3】

图2 铁碳马氏体的两种典型金相形貌

a—板条(低碳)，0.03C-2Mn×1000;b—片状(高碳)，

1.39C×500

图3 铁碳马氏体的两种典型亚结构

a—位错(板条) ×27500;b—孪晶(片状)

3.铁碳马氏体的强化机制

强化机制可分为固溶强化机制、界面强化、弥散强化、析出强化及细晶强化等多种强化机制。马氏体的强化机制是多种强化机制共同作用的结果。主要的强化机制包括：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化和细晶强化等

3.1相变强化

马氏体转变指高温奥氏体经快速冷却，在较低温度下发生无扩散切变形成体心正方的马氏体。如图1所示。在发生马氏体相变的过程中，马氏体转变的切变特性会在晶体内部产生大量的微观缺陷。产生的缺陷，诸如板条马氏体中高密度的错位、片状马氏体中的孪晶等，会阻碍位错的运动，从而阻碍材料的塑形变形过程，提高了材料强度，达到强化马氏体的目的。实验证明，无碳马氏体的屈服强度约为284Mpa,此值与形变强化铁素体的屈服强度很接近，而退火状态铁素体的屈服强度仅为98~137Mpa，这就说明相变强化使屈服强度提高了147~186MPa。

图4 马氏体转变过程

3.2细晶强化

晶界上原子排列紊乱, 杂质富集,晶体缺陷的密度较大, 且晶界两侧晶粒的位向也不同, 所有这些因素都对位错滑移产生很大的阻碍作用, 从而使强度升高。晶粒越细小, 晶界总面积就越大, 强度越高, 这一现象称为细晶强化。

原始奥氏体晶粒大小和板条马氏体束大小对马氏体强度也有一些影响。由图6 可见，马氏体的屈服强度σ0.2 与奥氏体晶粒大小dr 及马氏体束大小da 的平方根成线性关系，可列如下式

σ0.2=608+69dr-1/2(MPa)

σ0.2=449+60da-1/2(MPa)

图5 马氏体奥氏体屈服强度与晶粒大小的关系

因此，原奥氏体晶粒越细小，板条马氏体越小，则马氏体的强度越高。对中碳结构钢，奥氏体从单晶细化到10 级晶粒时，强度增加不大于245MPa。所以，在一般结构钢中以细化奥氏体晶粒的方法来提高马氏体强度作用不大。尤其对于硬度很高的钢，奥氏体晶粒大小