位错马氏体与低碳马氏体型钢

实际应用
机器零件用钢一般要求
良好的强韧性配合 高的抗疲劳和抗冲击性能 高的耐磨性 低的缺口敏感性 较严格的化学成分控制
只要刚件尺寸不很大， 能保证淬火件的心部非M 组织少于10%，用低碳M 组织代替中碳回火S组织 完全是有可能的。
采用现有的低C钢和低C 合金钢
例如：右图所示的鱼尾 螺栓（联结铁路钢轨的 紧固螺栓），要求 σb≥1000MPa，原来用 40B，现在改用含Mn的 普通低C合金钢16Mn
晶粒细化和马氏体条束细化：
细化条束明显有利于低碳马氏体钢的韧性和低温性能，常用 的使奥氏体保持细的起始晶粒状态的元素有V、Ti等。
国产低碳低合金钢用于制造整体淬火零件的钢种现有以下的系列： Mn-V、 Mn-B 、Mn-V-B 和Si-Mn-Mo-V
所用钢
：用15，20，20Cr，18CrMnTi和18Cr2Ni4WA等低碳渗碳用钢，
以一定尺寸进行剧烈的淬火处理可以得到均匀的马氏体组织；
低碳条状马氏体的亚结构
其通常是由位错缠结而成的胞状亚结构；
位错密度达1011~1012cm-2(一般的先共析铁素体位错密度要 比它低4~5个数量级)，且位错呈平直线状；
位错马氏体与低碳马氏体型 钢
中碳钢经调质处理 得到回火索氏体组织 而应用与实际生产
共析钢过冷所得 索氏体组织
回火索氏体组织
没有应用的原因： ①淬透性差（例 如：>95%M的临 界直径，20钢在 10%的食盐水中 淬火为6~7mm）； ②对其组织结构 和力学性能规律 认识不足。
机器构件用钢
前_60年代_后
在0.1%~0.29%C范围内： σ0.2和σb与C间呈线性变化 关系，0.01%C→ σ0.2和σb 分别增加约30MPa（如右图）
20系列钢的淬火M的 σ0.2=1250MPa， σb=1500MPa
强度（二）
右图所示为15钢静强度 随回火温度升高而变化 的情况
在250℃回火后静强度 的降低比较明显。
孪晶，但只是局部的，数量 不多； 与母相奥氏体的晶体学位相 关系是K-S关系，惯习面是 （111）γ
板条马氏体显微组织的晶体学特征示意图
低C-M的组织形态
低碳钢的马氏体组织结构
低碳钢淬火马氏体组织
低碳钢淬火马氏体 自回火和回火组织
淬火态组织
：条状位错马氏体+少量的条状孪晶马氏体和片状孪
晶马氏体+自回火碳化物+少量的未转变奥氏体
S关系。
薄片状马氏体
在Ms点极低的Fe-Ni-C 合金中发现的；
呈非常细的带状（立体 图形为薄片状），带呈 相互交叉、分枝等特异 形态；
是由孪晶组成的全孪晶 型马氏体
薄板状马氏体（Fe-31Ni-0.23C）
ε’马氏体
晶体结构为密排六方点 阵；
易于在Mn-Fe-C合金中 形成；
立体结构呈薄片状，沿 （111）γ面呈魏氏组 织状态形成；
孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。依孪晶形成原因的不同，可分为"形 变孪晶"、"生长孪晶"和"退火孪晶"等。正因为孪晶与层错密切相关，一 般层错能高的晶体不易产生孪晶。
蝶状马氏体的显微组织
蝶状马氏体的立体形状
蝶状马氏体 出现在Fe-Ni合金和Fe-Ni-C合金中； 在0~-60℃范围内形成； 立体形状为细长杆状，断面呈蝴蝶状； 内部亚结构为高密度位错，与母相晶体学关系大体上符合K-
合金化设计时应考虑：
位错马氏体的获得：
B是推迟低碳钢先共析铁素体最为有效的元素，其他如Cr、 Si和Mn也有这种效应，B的加入量很低；
加入Cr 、Mo和W可促进贝氏体转变； Ni和Mn则促进中温块状铁素体的形成。
条间奥氏体薄膜的形成：
大凡扩大奥氏体区域的元素皆有利于条间形成奥氏体薄膜， Ni和Mn是典型代表。 Ni和Mn可保证奥氏体薄膜取得热力 学上的稳定性，但要有足够的加入量。
开始推广应用 整体淬火的低碳钢
高压透射电子显微镜 用以研究钢的组织
对其组织形态和精细 结构有了正确认识
在研究中碳钢回火 组织的多次冲击韧性时 发现了低碳马氏体对钢件 的良好的强韧性配合的作用
位错马氏体与低碳马氏体型钢
板条M组织形态
汽车轮胎螺栓
位错马氏体
马氏体
（按组织形态划分）
C在α-Fe中形成的 过饱和固溶体
孪晶马氏体
板条状马氏体 ☆
其他马氏体形态 ☆
片状马氏体 ☆
影响M形态及其内部亚结构的因素
1. 化学成分 奥氏体中碳含量的影响最为重要，在碳钢中，当C含量：
※ C<0.3%时，生成板条M，亚结构为位错； ※ C>1.0%时，生成片状M，亚结构为孪晶； ※ C为0.31.0%时，生成混合型组织(片状+板条)。 2. 形成温度
决定疲劳寿命的参量 疲劳裂纹萌生期
N0.1与da/dN
（产生0.1mm裂纹 所需的运转周次）
疲劳裂纹 扩展速率
疲劳裂纹扩展门槛值 △Kth表示材料组织裂纹 开始疲劳扩展的性能
其值越大，阻止裂纹开 始疲劳扩展的能力就越 大，材料也就越好。
多次冲击抗力
主要与材料强度有关， 另外对塑性也有明显的 要求
石墨化元素Si 、Ni和Al能有效的阻止Fe3C的形核和张大， 从而也提高奥氏体的分解能力。
回火抗力的提高：
Si是（推迟挥霍转化程度）/（M3点下降温度数）比值最小 的元素，表明Si 的加入不仅提高淬火钢的回火抗力，且不致 由于它的加入使MS点降低的过多而引起淬火开裂倾向或增加孪晶马
氏体量；但Si量不可过高，否则会使钢脆化；
较低的△K速th值率和da较/d高N的的疲问劳题裂纹扩展
低碳M本身具有良好的塑性和高的形变强化指数，表明它具有较高的形变强化能 力，通过预拉形变强化，或者表面滚压强化，以及喷丸强化，能有效的延长疲劳 寿命，可以使低C马氏体在性能上的这个短处得到弥补
低碳马氏体型结构钢的设计
性能要求： 较高的强度水平，优异的强韧性配合； 较高的疲劳极限； 较高的冲击值，低的韧脆转化温度； 低的缺口敏感度。
﹤200℃：位错组态变化不明显； ~400 ℃：位错胞尺寸变大，缠结位错局部松 动； ~500 ℃：位错胞壁已渐消失； ﹥600 ℃：位错基本消逝，位错呈网状和条状分布。
低碳 钢淬 火M 的强 韧性
强度 塑性 韧性
疲劳抗力 多次冲击抗力
强度（一）
静强度的增高依靠它的C含 量，与合金元素无关；
※ MS点高的A，冷却后形成板条M，亚结构为位错; ※ MS点低的A， 冷却后形成片状M，亚结构为孪晶; ※ MS点不高不低的A，冷却后形成混合型组织(片状+板
条 M)，亚结构为位错+孪晶。
片状马氏体
片状马氏体示意图
片状马氏体
出现于淬火中、高碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中 ；
立体外形呈双凸透镜状，断面为针状或竹叶状 ，所以又称针状马氏体或 竹叶状马氏体；
自回火碳化物
形态：
粒状和杆状
出现位置：位错M内
①粒状碳化物总是在位错区域内析出 ②杆状碳化物呈多向分布，亦有相互平行排 列 的（沿某个方向择优发展的初期长
成）
室温时效
充分自回火M（所有条状M均产生碳化物沉淀） 可以发现碳化物在数量和尺寸上发生变化
未充分自回火M（部分条状M产生碳化物析出） 观察不到什么作用
较低的静载荷缺口敏感性。
塑性
低碳M
σb=1500MPa时，ψK=50-58%
40Cr
σb=1500MPa时, ψK=52.3%
低碳M组织的塑性是好的
韧性(一)
与中碳回火索氏体相比： 1、用FATT评价
低碳M的冷脆倾向性较高 2、在等强度的条件下
①低碳M的冷脆倾向性较低； ②随着冲击温度的降低，低 碳M的CVN值下降缓慢。在60℃时，其CVN值可维持在 50J，而一般中碳回火索氏体 仅为20J或更低。
碳量的定夺及合金元素的选择
碳量的定夺 C是控制低碳马氏体强化最为有效的因素。C量主要视强韧性
配合要求而定；应不超过0.25％,过量的C将出现间隙固溶，
从而降低韧塑性。 合金元素的选择 各种合金元素对奥氏体相变的热力学和动力学的作用各不相
同，对相变后组织结构的影响各不相同，从而使钢表现出不 同的力学性能和工艺加工性能。根据不同的性能要求，合金 元素的加入应有所不同。
组织与成分设计
钢材使用组织的设计构思
以条状位错马氏体为基体组织，在此基体上均匀分布着ε碳化物或θ-碳化物细微粒子，碳化物与基体保持着共格关 系；在组织可容许存在很少量的片状或条状孪晶马氏体；
细小的马氏体条束；
在马氏体条间存在着稳定的奥氏体薄膜，其量为5～10％； 要考虑以下的三个方面
位错马氏体的获得； 条间残余奥氏体薄膜的形成； 以及其他的强韧化控制组织因素的取得。
亚结构主要为孪晶，因此又称为孪晶型马氏体；
马氏体相变时，第一片分割奥氏体晶粒，以后的马氏体片愈来愈小，其 片的大小几乎完全取决于奥氏体晶粒的大小。
片状马氏体的形成过程
孪晶
孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对 称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。
韧性(二)
一般中碳钢的断裂韧性KIC 值随回火温度的上升而升高， 但同时强度下降；
低碳M在低温回火范围内， 其KIC值和强度有着相同的 变化趋势。
所以，在低温回火时，低碳 M的强韧性配合比较好。
疲劳抗力
疲劳强度
并没有明显的优势 较低的疲劳缺口敏感性
与中碳回火索氏体相比
疲劳裂纹 萌生与扩展
高的N0.1值 da/dN稍低于等强度的中碳回火组织 较低的门槛值△Kth（图10-6）
少量孪晶的出现受Ms点位置和冷却速率的影响：Ms点低， 冷速大，孪晶马氏体量就会增多。
自回火
Ms≥260℃的低碳低合金钢会发生淬火马氏体自回火现象；
当Ms﹥300 ℃时，可以达到充分自回火，析出更多的碳化物；
影响因素：Ms点位置、冷却速率和化学成分；
低碳钢的Ms点较高，在工程上常用的淬火冷却条件下，是难 以避免自回火的，而且比较容易达到充分自回火状态。
亚结构为大量的位错。
薄片状εˊ马氏体（Fe-16.4Mn）
低碳淬火马氏体☆
成分特点
C<0.3% 不同要求时的合金元素
工艺
组织结构☆
（强韧机制☆）
性能 （强韧性☆）
实际应用☆
位错马氏体
出现于低、中碳钢，马氏体 时效钢，不锈钢等铁系合金 中；
其亚结构主要为位错，所以 称其为位错马氏体；
一般叫做板条马氏体； 在板条内有时也会存在相变
低碳M与等强度中碳钢 回火态组织相比具有更 好的塑性；
较高的多次冲击抗力 另外，还有较低的多次
冲击缺口敏感性
低碳M强韧化机制
强化机制 ①倚赖于C的固溶强化
在刃位错附近偏聚形成 Cottrell气团，在螺位错附 近偏聚形成Snoek气团，造 成强化； ②自回火碳化物的沉淀强化效 应； ③M条束可以看成“有效晶 粒”，其宽度对组织屈服强 度的作用符合Hall-Patch关 系。
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强度（三）
低碳钢零件尺寸较大，内层将出现以下组织：贝氏体、屈氏体、珠光体、先共析 铁素体和中温块状铁素体；
当上述组织含量≥0.2时（如d=15mm钢件，心部铁素体含量高于10%）便对钢件 强度产生不利影响；
所以应当注意
：淬透性对低碳马氏体钢件性能的影响。
强度（四）
低碳马氏体具有较高的硬化指数n值：说明低碳钢具有高的形变强化和均匀分 配强化的能力；
碳化物 聚集长 大
晶内和 晶界上 碳化物 明显球 化
600 ℃
自回火M组织在 进行回火处理时
将继续发生回火转变
~500 ℃
250~300 ℃
①出现 ε→ θ的碳化物 类型改变 ②条状M的晶界上出现 杆状碳化物
150~200℃
①自回火碳 化物长大
②析出回火 碳化物 ε- 碳化物 或 θ-碳化物
低碳M的位错亚结构在回火过程中的 变化