铁碳马氏体强化机制

铁碳马氏体的强化机制

摘要：本文介绍碳钢马氏体中的不同强化机制，解释了马氏体高强本质。 关键词：马氏体、强化机制

一、固溶强化[1]

固溶体是以某一组元为溶剂，在晶体点阵中溶入其他组元原子所形成的均匀混合的固态熔体，它保持着金属的晶体结构。按照组元原子所处的位置分为两类：间隙固溶体和置换式固溶体。固溶强化是由于溶质原子与溶剂原子的尺寸不匹配，使晶体的晶格发生畸变，形成一个强烈的应力场（间隙C 原子造成非对称畸变偶极），该应力场与位错发生强烈的交互作用，阻碍位错的运动，提高马氏体的屈服强度。在碳含量小于0.4%时，马氏体的屈服强度随碳含量增加而升高；碳含量大于0.4%时，马氏体的屈服强度不再增加。这一现象的机理：固溶的间隙C 原子处于Fe 原子组成的八面体的中心位置，马氏体中的八面体为扁八面体，C 原子溶入后形成以C 原子为中心的畸变偶极应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作用，令位错运动使马氏体强度升高。当含碳量高于0.4%时，C 原子间距太近，产生的畸变偶极应力场彼此抵消，降低了强化效果。例如李鸿美等研究的超低碳钢[2]，马氏体主要由C 、Mn 、Si 和Mo 元素引起固溶强化，其强化增量按下式计算：

][11][83][37][4570)(Mo Si Mn C MPa ss

+++=σ

（式中的质量分数为各合金元素固溶在基体中的数值，C 、Mn 、Si 、Mo 元素采用合金含量。） 对于高位错的马氏体而言，位错与固溶元素相互作用引起的强度增量小于位错与位错之间相互作用而引起的强度增量。另外，固溶元素所形成的弹性应力场与位错应力场相互抵消强度增量被削弱；对于低碳马氏体（含碳量<0.2%），马氏体位错中大部分碳不处于固溶体中，而是偏聚于位错上形成柯氏气团。因此，可以认为在含碳量<0.2%时，碳的直接强化作用是位错强化，其固溶强化增量视为“0”。但是，Mn 、Si 、Mo 元素造成的固溶强度增量却是不可忽视的。 二、相变强化[1]

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。由于切变造成了晶格内造成晶格缺陷密度很高的亚结构，如板条马氏体中高密度的错位、片状马氏体中的孪晶等，这些缺陷都阻碍为错的运动，使得马氏体强化。这就是所谓的相变强化。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1 马氏体相变

三、时效强化[2]

马氏体形成以后，在室温下只需几分钟甚至几秒钟就通过原子的扩散使马氏体的强度升高，这便是时效强化。时效强化的机理在于一般钢的Ms 点大都处在室温以上，因此在淬火过程中及在室温停留时，或在外力作用下，都会发生自回火。即碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉扎位错使位错难以运动。 四、位错强化

由于马氏体相变使马氏体板条和孪晶片层中产生了大量的位错如图2所示，高位错密度在位错滑移中相互作用使运动受阻从而产生强化。位错密度越高，金属抵抗塑性变形的能力越大。其强度增量可以由Hall-Pech 公式表述：

ρασ

Gb =?d

式中G 为剪切模量，b 是伯氏模量，ρ为位错密度，α为常数。

图2 马氏体中的位错[2] 五、第二相强化[3]

合金第二相一般分为两大类，包括分散型和集聚型。其形态如图 所示。 1、分散型第二相强化

第二相为强、硬质点分布于晶内或晶界上，当位错运动到第二相质点是产生阻碍作用，提高马氏体基体的塑性变形抗力，使强度升高。位错遇到第二相质点是有两种作用机制：

第一种是位错绕过机制（第二相粒子的特点不参与变形，与基体不共格），位错绕过质点时只绕过并留下了位错环。如图3所示。这些位错环形成应力场对位错运动形成一定的阻力，对滑移位错所售的阻力增大。此外，位错运动的阻力也与第二相的半径、形状、分布、数量有关：

λ

σ1

k

p

=

?

由公式看出：当粒子的体积分数φ越大，λ越小则强度越高；当第二相粒子的体积分数φ一定时，粒子半径约小则粒子数量越多，λ越小则强度越高。

图3 位错的绕过机制

第二种是切过机制（第二相粒子可变形，与基体保持共格），位错切过第二相是产生以下几个作用中的几种提高马氏体的变形抗力。如图4所示。

（1）界面强化。位错切过粒子时，粒子产生宽度为b 的表面台阶，由于出现了新的表面积，使总的界面能升高。

（2）反相畴强化。当粒子是有序结构时，则位错切过粒子时会打乱滑移面上下的有序排列，产生反相畴界，引起能量的升高。

（3）层错强化。当粒子的层错能与基体不同，当扩展位错通过后，其宽度会发生变化，引起能量升高。

（4）共格强化。由于粒子与基体的比体积差别，而且沉淀粒子与母相之间保持共格或半共格结合，故在粒子周围产生弹性应力场，此应力场与周围会产生交互作用，对位错运动有阻碍。

（5）错排强化。由于第二相粒子与基体的晶体点阵不同或至少是点阵常数不不同，故当位错切过时必然在气滑移面上造成原子的错排，需要额外做功，给位错运动带来困难。

（6）割阶强化。由于基体与粒子中的滑移面取向不相一致，则位错切过后会产生一割阶，割阶的存在会阻碍整个位错线的运动。

图4 位错的切过机制

2、集聚型第二相强化[3]

当将组成合金的两相晶粒尺寸属同一数量级，且都为塑性相时，则合金的变形抗力曲解与两相的体积分数。作为一级近似，可以分别假设合金变形时的应变相同和应力相同。于是，合金在一定的应变下的平均流变应力和一定应力下的平均应变可由混合律表述：

εε

σσ

σ

σ2

21

12

21

1

ΦΦΦΦ+=+=-

-

式中，Φ1和Φ2分别为两相的体积分数（Φ1+Φ2=1），σ1 和σ2分别为一定应变时的两相流变应力，ε1和ε2分别为一定应力时的两相应变。如图5所示。

图5 （a）等应力模型（b）等应变模型

六、原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小对马氏体强度的影响[4]

原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束的尺寸对马氏体强度也有一定影响。原始奥氏体晶粒越细小、马氏体板条束越小，则马氏体强度越高。这是由于相界面阻碍位错的运动造成的马氏体强化。如图6 所示。

图6 0.2%钢马氏体的屈服强度与晶粒大小的关系

七、形变强化机制[4]

形变强化指将马氏体碳钢在一定的变形时，金属中位错密度急剧增加，材料发生加工硬化。其强度可由以下公式表述：

ε

σn

=

k

而马氏体的加工硬化率是各种组织中最大的。形变强化如图7所示。

图7 形变量对马氏体强度的影响

七、综合作用效果

上述各种强化机制虽然同是存在于马氏体中，其强度可以用下式表示： d

k

Gb h

p

ss s 10++++=+ρασ

σ

σ

σσ

其中，σ0为材料的原始屈服强度，σss

为材料的固溶强化增量，σ

p

为材料的第二相

强化增量，σh

为时效强化增量，ρ

α

Gb 为材料的相变强化和形变强化引起的位错强化

增量，

d k

1

为材料的晶粒大小引起的强化增量。但是，这些不同机制对马氏体的强化效果

并不是线性叠加的。原因在于各种强化机制间存在着相互的关系。例如，形变强化致使马氏

体中的第二相形核率增加，第二相体积减小，第二相强化效果增加；反之，第二相增加使位错运动受阻，使马氏体形变时增殖出更多位错强化效果增强；有如，在马氏体中固溶元素的增加，使析出的第二相减少，固溶强化效果增加而第二相强化效果减小；在前文中提到，在李鸿美等研究的超低碳钢中，C 元素的固溶强化作用相对于其对位错钉扎作用可以被忽略。 部分强化机制间的相互关系如8所示。

图8，部分强化机制之间的关系

参考文献

[1] 超低碳钢的强化机制研究 李鸿美等 稀有金属 第34 卷增刊 2010 年12 月 [2] 中国低活化马氏体钢组织性能及强化机理 李华杰 北京科技大学学报 第33卷第2期 [3] 材料科学基础（第二版） 胡赓祥 上海交通大学出版社 [4] 金属热处理原理 赵连成 哈尔滨工业大学出版社

细晶 强 化

固溶强化

第二相 强 化

形变强化

促进固溶，减小偏析

相互

竞争

相互促进

阻碍形变变，促进形变强化

促进再结晶

使第二相破

碎，促进固溶

作用弱