馬氏體強(qiáng)化機(jī)制

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2012春季學(xué)期材料力學(xué)性能課程論文院 （系） 材料科學(xué)與工程 專 業(yè) 材料科學(xué)與工程 學(xué) 生 唐 驁 學(xué) 號 班 號 鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制唐驁摘要：本文以鐵碳馬氏體的組織形貌以及馬氏體轉(zhuǎn)變過程為出發(fā)點(diǎn)，引述了馬氏體的主要強(qiáng)韌化機(jī)制。并通過引用各學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，得到了鐵碳馬氏體的強(qiáng)韌化機(jī)理。關(guān)鍵詞：馬氏體，強(qiáng)韌化機(jī)制，高強(qiáng)度鋼，低碳鋼，時(shí)效1. 馬氏體概述馬氏體(martensite)是黑色金屬材料的一種組織名稱。將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。馬氏體最先由德國冶金學(xué)家 Adolf Martens(1850-

2、1914)于19世紀(jì)90年代在一種硬礦物中發(fā)現(xiàn)。馬氏體的三維組織形態(tài)通常有片狀(plate)或者板條狀(lath)，但是在金相觀察中（二維）通常表現(xiàn)為針狀（needle-shaped），這也是為什么在一些地方通常描述為針狀的原因。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（BCT）。中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織。高的強(qiáng)度和硬度是鋼中馬氏體的主要特征之一。 20世紀(jì)以來，對鋼中馬氏體相變的特征累積了較多的知識，又相繼發(fā)現(xiàn)在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、

3、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本特征屬馬氏體相變型的相變產(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體。2. 馬氏體相變特征馬氏體轉(zhuǎn)變的一般定義為：過冷奧氏體以較快的速度冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解，在較低的溫度下發(fā)生的無擴(kuò)散型相變稱為馬氏體相變。其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）馬氏體相變是無擴(kuò)散相變。馬氏體相變時(shí)沒有穿越界面的原子無規(guī)行走或順序跳躍，因而新相（馬氏體）承襲了母相的化學(xué)成分、原子序態(tài)和晶體缺陷。馬氏體相變時(shí)原子有規(guī)則地保持其相鄰原子間的相對關(guān)系進(jìn)行位移，這種位移是切變式的。原子位移的結(jié)果產(chǎn)生點(diǎn)陣應(yīng)變(或形變)。這種切變位移不但使母相點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)改變，而且產(chǎn)生宏觀的形狀改變。（2）產(chǎn)生表面相變時(shí)浮突。

4、馬氏體形狀改變使先經(jīng)拋光的試樣表面形成浮突。馬氏體形成時(shí)，與馬氏體相交的表面上發(fā)生傾動(dòng)，在干涉顯微鏡下可見到浮突的高度以及完整尖銳的邊緣。（3）新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關(guān)系。馬氏體相變時(shí)在一定的母相面上形成新相馬氏體，這個(gè)面稱為慣習(xí)（析）面，它往往不是簡單的指數(shù)面，如鎳鋼中馬氏體在奧氏體()的135上最先形成。馬氏體形成時(shí)和母相的界面上存在大的應(yīng)變。為了部分地減低這種應(yīng)變能，會(huì)發(fā)生輔助的變形，使界面改變。由于馬氏體相變時(shí)原子規(guī)則地發(fā)生位移，使新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關(guān)系。（4）馬氏體相變具有可逆性。當(dāng)母相冷卻時(shí)在一定溫度開始轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，把這溫度標(biāo)作Ms,加

5、熱時(shí)馬氏體逆變?yōu)槟赶?，開始逆變的溫度標(biāo)為As。（5）馬氏體轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的。當(dāng)奧氏體到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變開始產(chǎn)生，母相奧氏體組織開始不穩(wěn)定。在Ms以下某溫度保持不變時(shí)，少部分的奧氏體組織迅速轉(zhuǎn)變，但不會(huì)繼續(xù)。只有當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，更多的奧氏體才轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。最后，溫度到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束。3. 馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制金屬的強(qiáng)化機(jī)制大致可分為固溶強(qiáng)化機(jī)制、第二相強(qiáng)化、形變強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化等。近年來對馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的本質(zhì)進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為馬氏體的高強(qiáng)度、高硬度是多種強(qiáng)化機(jī)制綜合作用的結(jié)果。主要的強(qiáng)化機(jī)制包括：相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、形變強(qiáng)

6、化和細(xì)晶強(qiáng)化等。3.1 相變強(qiáng)化馬氏體相變的強(qiáng)化重慶316L不銹鋼管研究認(rèn)為：在不銹鋼中具有最高硬度的SUS 440(2(13Cr-IC)(640-7001V)屬于馬氏體系不銹鋼，馬氏體組織的結(jié)構(gòu)非常微細(xì)，而且在其內(nèi)部存在高密度的位錯(cuò)，若使碳過飽和固溶還能提高強(qiáng)度。另方面，經(jīng)過最后的回火處理可以得到碳化物等析出物彌散細(xì)微分布的組織。馬氏體系不銹鋼用固溶碳量和加火處理可以調(diào)整其強(qiáng)度。例如，SUS 420J2(13Cr-O3C)從i000C的高溫奧氏體區(qū)急冷時(shí)，發(fā)生固溶03C的馬氏體相變，再經(jīng)回火熱處理就會(huì)使碳化物等析出物呈微細(xì)彌散分布。其強(qiáng)度可達(dá)到約550HV3.2 細(xì)晶強(qiáng)化人們早己知道晶粒大小

7、影響金屬強(qiáng)度。鐵素體晶粒大小對退火的軟鋼屈服強(qiáng)度的影響，可以看出晶粒直徑d與屈服強(qiáng)度間有著直線關(guān)系，晶粒越細(xì)屈服強(qiáng)度越高。這種屈服強(qiáng)度與晶粒大小間的關(guān)系稱霍爾佩琪法則，因變形在晶粒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)在晶界其運(yùn)動(dòng)被阻，所以晶界大量存在的細(xì)晶粒材料，其強(qiáng)度很高。前述的固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化及加工硬化若過分提高強(qiáng)度，則會(huì)使韌性受損。所以，有時(shí)根據(jù)加工、使用條件使強(qiáng)度有一定限制。另一方面，當(dāng)晶粒細(xì)化時(shí)不但不損壞韌性，而且還能提高強(qiáng)度?，F(xiàn)在，對鋼鐵材料的晶粒細(xì)化的研究非常盛行，并以“超級金屬的技術(shù)開發(fā)。為題進(jìn)行著開發(fā)，通常不銹鋼的晶粒直徑為數(shù)十微米，但在這些課題中正在研究一種制造方法，使金屬晶粒有1100到數(shù)百毫

8、微米(nm)，例如，晶粒直徑為300nm的奧氏體系不銹鋼其拉伸強(qiáng)度為1100 Nmm2，約是通常粒徑材料的2倍。為了能在不損害韌性的前提下得到高強(qiáng)度，對這種方法寄予了很大的希望。在JIS規(guī)定的不銹鋼中存在具有微細(xì)組織的不銹鋼，這是把不同組織復(fù)合的雙相系不銹鋼。SUS329J4L(25Cr6Ni3MoN)具有在鐵素體母相中分布著島狀?yuàn)W氏體相的組織，由于為復(fù)合組織故各組織很細(xì)微。另外，由于加入了氮使之固溶強(qiáng)化提高了強(qiáng)度，耐點(diǎn)蝕性也得到改善。由于晶粒細(xì)化和固溶強(qiáng)化的復(fù)合作用，使得雙相鋼的屈服強(qiáng)度等強(qiáng)度特性好于奧氏體系和鐵索體系。3.3 固溶強(qiáng)化 純金屬由于強(qiáng)度低, 很少用作結(jié)構(gòu)材料, 在工業(yè)上合金的

9、應(yīng)用遠(yuǎn)比純金屬廣泛。合金組元溶入基體金屬的晶格形成的均勻相稱為固溶體。純金屬一旦加入合金組元變?yōu)楣倘荏w,其強(qiáng)度、硬度將升高而塑性將降低, 這個(gè)現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的機(jī)制是: 金屬材料的變形主要是依靠位錯(cuò)滑移完成的, 故凡是可以增大位錯(cuò)滑移阻力的因素都將使變形抗力增大, 從而使材料強(qiáng)化。合金組元溶入基體金屬的晶格形成固溶體后, 不僅使晶格發(fā)生畸變, 同時(shí)使位錯(cuò)密度增加。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在碳含量小于0.4%時(shí)，馬氏體的屈服強(qiáng)度隨碳含量增加而升高；碳含量大于0.4%時(shí)，馬氏體的屈服強(qiáng)度不再增加。這一現(xiàn)象的普遍解釋為，固溶的間隙C 原子處于Fe 原子組成的八面體的中心位置，馬氏體中的八面體為扁八

10、面體（奧氏體中為正八面體），C 原子溶入后形成以C 原子為中心的畸變偶極應(yīng)力場，該應(yīng)力場與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，令位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使馬氏體強(qiáng)度升高。當(dāng)含碳量高于0.4%時(shí)，C 原子間距太近，產(chǎn)生的畸變偶極應(yīng)力場彼此抵消，降低了強(qiáng)化效果。3.4 形變強(qiáng)化生產(chǎn)金屬材料的主要方法是塑性加工, 即在外力作用下使金屬材料發(fā)生塑性變形, 使其具有預(yù)期的性能、形狀和尺寸。在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形稱為冷變形。金屬材料在冷變形過程中強(qiáng)度將逐漸升高, 這一現(xiàn)象稱為形變強(qiáng)化。 鋼變形時(shí)給結(jié)晶加上了剪斷應(yīng)力，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，給結(jié)晶導(dǎo)入了大量的位錯(cuò)。加工硬化加工軋制和拔絲這種塑性變形使晶體內(nèi)的位錯(cuò)密度增加，是強(qiáng)化鋼的

11、方法。據(jù)重慶304不銹鋼卷板研究證明這種加工硬化作用奧氏體系比鐵素體系大得多。在18Cr-8Ni組成的亞穩(wěn)定奧氏體系，因位錯(cuò)密度增大的硬化和馬氏體的生成(加工引起相變)容易得到高強(qiáng)度。利用加工硬化的材料稱硬化材，其強(qiáng)度可根據(jù)軋制率的變化按H(硬級)、34H和12H的強(qiáng)度水平劃分，SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機(jī)械的壓簧和汽車的引擎墊圈、通信機(jī)械的連接器材等板彈簧制品方面使用非常普及。由加工硬化引起的馬氏體具有磁性，所以SUS 301和SUS 304的硬化材也有磁性。非磁性的彈簧用材料有含高錳的不銹鋼AISl205(17Cr-15Mn-15Ni-O35N)，該鋼是用錳取代了S

12、US 301中的鎳，由于其性質(zhì)的不同，可以固溶更多的氮。就是說，可以得到前述的固溶強(qiáng)化的效果。在固溶化處理狀態(tài)下SUS 304的硬度約1801tV，而AISl 205的硬度約2701V，再進(jìn)行加工時(shí)可發(fā)現(xiàn)顯著的加工硬化特性。所有鋼種隨著壓下率增加的同時(shí)，硬度也上升。3.5時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化也是馬氏體強(qiáng)化的一個(gè)重要因素，馬氏體相變是無擴(kuò)散相變，但在馬氏體形成后，馬氏體中的碳原子的偏聚（馬氏體自回火）就能發(fā)生，碳原子發(fā)生偏聚（時(shí)效）的結(jié)果，碳含量越高，時(shí)效強(qiáng)化越顯著。時(shí)效強(qiáng)化是由C 原子擴(kuò)散偏聚釘扎位錯(cuò)引起。因此，如果馬氏體在室溫以上形成，淬火冷卻時(shí)又未能抑制C 原子的擴(kuò)散，則在淬火至室溫途中C 原

13、子擴(kuò)散偏聚已自然形成，而呈現(xiàn)時(shí)效。所以，對于MS 高于室溫的鋼，在通常淬火冷卻條件下，淬火過程即伴隨自回火。3.6 亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化主要指孿晶或?qū)渝e(cuò)的強(qiáng)化作用，其表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)位錯(cuò)與孿晶的彈性交互作用；(2)位錯(cuò)穿過孿晶構(gòu)成滑移軌跡的曲折；(3)孿晶阻擋位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)當(dāng)指出，孿晶的強(qiáng)化，據(jù)認(rèn)為是由于碳原子在孿晶界面上的偏聚所造成的，其強(qiáng)化作用的貢獻(xiàn)與鋼的含碳量關(guān)系密切：當(dāng)碳含量小于0.3%時(shí)，馬氏體的強(qiáng)化主要寄托于間隙原子的固溶強(qiáng)化；當(dāng)碳含量為0.3%-0.6%時(shí)，馬氏體強(qiáng)度的提高除得益于固溶強(qiáng)化外，還可有孿晶和位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化貢獻(xiàn)；當(dāng)碳含量大于0.6%時(shí)，孿晶的強(qiáng)化作用顯得很弱。結(jié)論：馬氏體由于其高強(qiáng)度，高硬度在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。我們在應(yīng)用馬氏體的同時(shí)，要了解馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制，從而通過不同機(jī)制對馬氏體強(qiáng)度的影響，找到提高馬氏體強(qiáng)度的方法。結(jié)果表明，馬氏體之所以有高硬度，高強(qiáng)度是多種強(qiáng)化機(jī)制的綜合作用結(jié)果。其強(qiáng)化機(jī)制包括相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等。各種強(qiáng)化機(jī)制相互作用