铁碳马氏体的强化机制

铁碳马氏体的强化机制

摘要

本文简要介绍了铁碳马氏体的机械性能和组织结构。着重论述了铁碳马氏体的强化机制，铁碳马氏体主要通过：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化、孪晶强化、细晶强化等方式来提高它的强度。

关键词马氏体、强化机制

正文

钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生无扩散性相变的产物为马氏体组织。二十年代中期，人们已经意识到钢中马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方点阵。

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。

近年来对马氏体高强度的本质进行了大量的研究工作，认为引起马氏体高强度的原因是多方面的，主要的强化机制主要有以下几种方式。

（一）相变强化

马氏体相变的切变特征造成在晶体内产生大量微观缺陷（位错、孪晶及层错等），使得马氏体强化，称之为相变强化。实验证明，无碳马氏体的屈服强度为284MPa。这个值与形变强化铁素体的屈服强度相近。而退火铁素体的屈服强度仅为98—137MPa。说明相变强化使强度提高了147—186MPa。

（二）固溶强化

固溶强化是提高金属材料强度的一种重要方法。

固溶强化的原因是复杂的，主要包括溶质原子与位错的弹性交互作用，电子交互作用、化学交互作用、溶质原子的偏聚和短程有序化、改变基体键合力等几个方面造成的强化作用。

固溶体中，溶质原子在其周围引起弹性畸变，产生弹性应力场。由于位错周围也有弹性应力场存在。溶质原子应力场和位错应力场相互作用，可以降低整个系统的弹性能。相互作用会导致苛氏气团出现，并因钉扎位错而阻碍位错的运动，造成金属强度的提高。这种弹性交互作用起因于溶质原子造成的阵畸变，溶质浓度越高，点阵畸变涉及范围广而强化效果显著。因此固溶强度随溶质浓度增大而增大。

研究表明铁碳马氏体的屈服强度随马氏体中的碳含量的增加而增加，但是当碳含量达到4%以上时，强度不再增加，而且当碳含量从零增加至4%时屈服强度的增量达到约700MPa。原因是马氏体中的八面体为扁八面体，碳原子融入后形成了以碳原子为中心的畸变偶极应力场，这个应力场与位错产生强烈的交互作用，而使马氏体的强度增强。但是碳含量超过4%以后，使马氏体进一步增强的效果显著减弱，可能是因为碳原子靠得太近，以致畸变偶极应力场之间应相互抵消而降低了应力。

形成置换式固溶体的合金元素对马氏体的固溶强化效应相比C来说要小得多，据估计，仅与合金元素对铁素体的固溶强化效果大致相同。这源于间隙式固溶强化与置换式强化机制的不同所致。由于晶体中的间隙与C原子相比非常小，当Fe中固溶C时所产生的畸变要比固溶合金元素时产生更多的畸变，所以对材料的强化作用更大。

一般来说，溶质原子与位错的弹性交互作用较强烈，但是对温度十分敏感，常温下作用大；电子和和化学作用较弱，但是对温度不敏感，高温下强化效果显著。

（三）时效强化

经理论计算，马氏体在室温下只需几分钟甚至是几秒就能通过原子扩散而产生时效强化。并且，时效强化也与碳含量有关，碳含量越高，时效强化效果越显著。

时效强化由C原子扩散钉扎位错引起。当工件从高温降温时，如果在降温途中停留或者是降温速度太慢的话，C原子将会扩散导致偏聚。这将会成为材料以后塑性变形的巨大阻力，造成材料变形抗力的提高。如果马氏体在室温以上形成，淬火冷却时又未能抑制C原子的扩散，则在淬火至室温途中C原子扩散偏聚已自然形成，而呈现时效强化。

马氏体时效钢就是基于这一原理而获得良好的综合性能的。

以无碳(或微碳)马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化。这使其具有一些独特的性能：高强韧性，低硬化指数，良好成形性，简单的热处理工艺，时效时几乎不变形，以

及很好的焊接性能。因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门获得广泛的应用。

（四）形变强化

在不同的参与变形量的条件下，马氏体的屈服强度与碳含量的关系如图所示，由图可见，当残余变形量很小时，（ε=0.02%），屈服强度几乎与碳含量无关，并且很低，约196MPa。可是，当残余变形量为2%时，屈服强度却随着碳含量的增加而急剧增大。这说明，马氏体本身是比较软的，但是在外力的作用下因塑性变形而急剧加工硬化，所以，马氏体的形变强化指数很大，加工硬化率很高。

其本质是材料发生塑性变形时，由于位错的增殖作用，材料中会产生大量的位错。而材塑性变形的很重要的一部分是靠位错的滑移而产生的。由Bailey-Hirsch公式

τ=τ0+αGb√ρ

其中：

τ—位错滑移的阻力

τ0—

晶体中除了位错作用外其它的位错滑移阻力（派那里、第二相阻力、固溶原子阻力等）

α—材料有关的常数，通常取0.3~0.5

G—晶体的切变模量

b—位错的伯式矢量

ρ—金属中的位错密度

可知：材料中位错的密度越大，即单位体积中位错的密度越多，位错滑移的阻力越大。即材料变形的抗力越大。金属材料在低温下经过变形，使体内位错密度大幅提高，而是变形抗力增大，达到强化金属的目的。这就是形变强化的机理。而当金属中的C含量越大时位错绕过机制越强烈，位错增殖越快。所以形变强化量随其含碳量的增加而增加。

但是在高温下，形变强化的作用就不会太大了。这是因为：当金属的温度达到金属的再结晶温度时，金属会发生再结晶而是金属中的缺陷及位错的密度大幅下降，使形变强化的作用消失。即在高温时形变强化不再起作用。

（五）孪晶对马氏体强度的贡献

对于碳含量低于0.3%的Fe-C合金马氏体，其亚结构为位错，主要靠C原子固溶强化，（碳原子钉扎位错）。碳含量大于0.3%时，其亚结构中孪晶的含量增多。由于孪晶对材料的强度也有一定的贡献，使材料的强度进一步提高。

随着马氏体中碳含量的提高，C原子钉扎位错的固溶强化作用越来越大，并且随着碳含量的增加，马氏体中的孪晶的相对量越来越多，孪晶对马氏体强度的贡献也越来越大，但是当碳含量大于0.8%时，硬度不再上升，这是由于残余奥氏体的影响。

下图表示未经时效的Fe-Ni-C合金的位错型马氏体与孪晶型马氏体的抗压强度，在图中可见，在低碳量范围内，两者的抗压强度相差很小，但是随着碳含量的增加，孪晶型马氏体的抗压强度增加较快，两者的=压力强度差增大，这说明碳含量增高时，孪晶亚结构对马氏体的强度贡献大。