铁碳马氏体的强韧化机制

铁碳马氏体的强韧化机制

左得佑

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院2008级材料科学系1081900205

摘要:本文通过介绍金属材料的组织与结构的基本理论，介绍了铁碳合金中的马氏体转变过程。介绍了在不同碳浓度铁碳合金中的马氏体强韧化机制以及其热处理工艺过程，并引用不同学者对其进行的性能表征加以证明，得出了铁碳马氏体的强韧化机制。

关键词:金属材料结构与性能；强韧化机制；马氏体；高强度钢

1.金属材料的组织与结构

金属材料的强在所有应用材料中，凡是由金属元素或是以金属元素为主而形成的、具有一般金属特性的材料通称为金属材料。掌握金属的内部结构及其对性能的影响，对于我们更好、更合理地使用金属材料，并充分挖掘它们的潜力具有非常重的要的意义。

自然界中的固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体与非晶体。在物质内部，凡原子呈无序堆积状态的，称为非晶体，例如普通玻璃、松香、树脂等；相反，凡原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体。金属像绝大多数物质一样，在固态下其内部原子是有规则排列的，这点已经由X射线衍射、电子衍射证实，因此固态金属属于晶体。

1.1纯金属的晶体结构

1.1.1晶格、晶胞与晶格常数

晶体中的原子规则排列的方式称为晶体结构。不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。

1.1.2晶面与晶向

在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。

1.1.3金属晶体的类型

在已知的金属元素中，除少数十几种金属具有复杂的晶体结构以外，绝大多数（85％左右）金属属于以下三种晶格：体心立方晶格(bcc)、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格(hcp)。

1.1.4金属晶体的特性

（1）确定的熔点纯金属进行缓慢加热，达到一定的温度，固态金属会熔化成液态金属，并且在熔化过程中，温度保持不变，其熔化温度称为熔点；而非晶体材料在加热时，由固态转变为液态时，其温度逐渐变化。

（2）各向异性金属晶体不同方向上的物理、化学和力学性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。

1.2金属的实际晶体结构

1.2.1单晶体和多晶体

我们把内部原子排列的晶格完全一致的由单个晶粒所形成的晶体称为单晶体。现代工业中，只有为了专门用途才制造单晶体。单晶体的力学性能是各向异性的。

工业上实际使用的金属都是由许多个内部原子排列位向各不相同的晶粒所组成的多晶体。多晶体由于其内部各个晶粒之间的位向各不相同。每个晶粒所具有的各向异性相互抵消了，因此多晶体就体现不出各向异性，也称为“伪各向同性”。

1.2.2实际金属的晶体缺陷

由于结晶条件、压力加下、原子热运动等原因，在实际晶体巾还存在着大量的缺陷。这些缺陷对金属的性能将发生显著的影响。我们把实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。晶体缺陷按其几何形态可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。

实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在着各种晶体缺陷，并且这些缺陷在不断地运动变化着，金属中的许多重要变化过程，都是依靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金属的许多性能也都与晶体缺陷密切相关。

1.3金属材料的组织

所谓的组织是指用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。也可以说是人们观察（包括用肉眼直接观察或借助于仪器观察）到的合金的特征与形貌。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能则由金属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。

2马氏体及马氏体转变

2.1马氏体及马氏体转变

2.1.1马氏体：

最早只把钢的淬火产物——针状组织、硬度高、具有铁磁性称为马氏体，即马氏体是碳在α-Fe 中的过饱和固溶体。但在上世纪四十年代前后，不但在铁合金(Fe--Ni 、Fe-Mn 等)，而且在很多有色金属和合金中也发现具有马氏体相变．迄今已知，在Ce 、Co 、la 、Li 、Hg 、T1、Ti 、Pu 、V 及Zr 等纯金属中，在Au-Cd 、Cu-Al 、Cu-Sn 、Cu-Zn 、In-TI 、Au-Mn 、Ag-Cd 、Ag-Zn 、Ti-Ni 等合金中，以及半导体BaTiO3和非金属化合物V3Si 中都具有马氏体相变，并确定它们的相变晶体学特征。这些金属和化合物中形成马氏体的基本特征都和钢中相似．因此到五十年代，马氏体的名称不只用于钢的淬火产物，不仅以其组织形态及性质来定义，而

是以形成过程的基本特征来定义：凡符合马氏体相变基本特征的相变产物统称为马氏体。

图1.

马氏体显微结构b

2.1.2马氏体转变：

马氏体转变的一般定义为：过冷奥氏体以较快的速度冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变称为马氏体相变。

其主要特点为以下几点：

①切变共格和表面浮凸现象；

②马氏体转变具有无扩散性，即无论间隙原子或置换原子均不扩散；

③具有一定的位向关系和关系面；

④马氏体转变是在一个温度范围内完成的；

⑤马氏体转变具有可逆性。

3马氏体的强化机制：

钢中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。近年来对马氏体高强度、高硬度的本质进行了大量研究，认为马氏体的高强度、高硬度是多种强化机制综合作用的结果。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

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，诸如位错、孪晶和层错等，会阻碍材料的塑形变形过程，从而提高材料强度，达到强化马氏体的目的。

图2.马氏体转变过程

3.2固溶强化

实验结果表明，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。这一现象的普遍解释为，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（奥氏体中为正八面