鋼中馬氏體組織形態(tài)穩(wěn)定化

鋼中馬氏體組織形態(tài)穩(wěn)定化各種淬火方法第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天45鋼(含0.45%C)正常淬火組織第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天35鋼（含0.35%C）亞溫淬火組織35鋼（含0.35%C）亞溫淬火組織

第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天T12鋼（含1.2%C）正常淬火組織第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1．板條狀馬氏體2．片狀馬氏體3．其他馬氏體形態(tài)4．影響馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的因素第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1．板條狀馬氏體

板條狀馬氏體是低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼和不銹鋼等合金中形成的一種典型的馬氏體組織，因其顯微組織是由許多成群的板條組成，故稱為板條狀馬氏體。又因?yàn)檫@種馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為位錯(cuò)，通常也稱為位錯(cuò)型馬氏體。其光學(xué)顯微組織形態(tài)如圖10.18所示。

第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.1818Ni馬氏體時(shí)效鋼的板條馬氏體組織第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天板條馬氏體光鏡下電鏡下第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

圖10.19板條馬氏體顯微組織構(gòu)成示意圖相同慣習(xí)面的馬氏體板條平行排列構(gòu)成馬氏體板條群，尺寸大約為20-35微米。一個(gè)板條群又可分成幾個(gè)平行的區(qū)域，每一個(gè)小塊內(nèi)的板條均具有相同的取向。一個(gè)慣習(xí)面上可以有六個(gè)不同的取向。也有人認(rèn)為，一個(gè)板條內(nèi)只可能形成兩種不問取間的塊。金相呈現(xiàn)為黑白交替的塊。每個(gè)板條為一個(gè)馬氏體單晶體一個(gè)板條群也可以只由一種同位向束所組成慣習(xí)面為(111)γ第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

板條狀馬氏體由板條群所組成（圖中A），一個(gè)原始奧氏體晶粒內(nèi)可有幾個(gè)板條群。板條群由若干尺寸大致相同的板條在空間位向大致平行排列所組成，一個(gè)板條群又可分成幾個(gè)平行的區(qū)域（圖中B），稱為同位向束，同位向束之間呈大角晶界。一個(gè)板條群也可以只由一種同位向束所組成（圖中C）。

第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

每個(gè)同位向束由若干個(gè)平行板條所組成（圖中D），每個(gè)板條為一個(gè)馬氏體單晶體。馬氏體板條具有平直界面，界面近似平行于奧氏體的{111}γ，即其慣習(xí)面。

相同慣習(xí)面的馬氏體板條平行排列構(gòu)成馬氏體板條群。

第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

馬氏體板條多被連續(xù)的殘余奧氏體薄膜（20納米）所隔開，且板條間殘余奧氏體薄膜的碳含量較高，在室溫下很穩(wěn)定，對鋼的機(jī)械性能會產(chǎn)生顯著影響。相鄰馬氏體板條一般以小角晶界相間，也可以呈孿晶關(guān)系，呈孿晶關(guān)系時(shí)板條間無殘余奧氏體存在。第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天亞結(jié)構(gòu)：馬氏體板條內(nèi)具有高密度位錯(cuò)，其密度約為0.3～0.9×1012cm-2，與劇烈冷作硬化的鐵相似，有時(shí)也會有少量相變孿晶。位向關(guān)系：在一個(gè)馬氏體板條群內(nèi)，馬氏體與奧氏體的位向關(guān)系均在K-S和西山關(guān)系之間，并以處于二者之間的G-T關(guān)系最多。

第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

板條狀馬氏體的顯微組織構(gòu)成隨鋼的成分變化而改變。碳含量小于0.3％時(shí)，馬氏體板條群及群中的同位向束均很清晰；碳含量在0.3～0.6％，板條群清晰，而同位向束不清晰；碳含量在0.6～0.8％，板條混雜生成的傾向性很強(qiáng)，無法辨認(rèn)板條群和同位向束。第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

改變奧氏體化溫度可顯著改變奧氏體晶粒大小，但對馬氏體板條寬度幾乎無影響。而板條群大小隨奧氏體晶粒增大而增大，且兩者之比大致不變。所以一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)生成的馬氏體板條群的數(shù)量基本不變。隨淬火冷卻速度增大，馬氏體的板條群徑和同位向束寬同時(shí)減小。所以，淬火時(shí)加速冷卻有細(xì)化板條狀馬氏體組織的作用。

第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2．片狀馬氏體

片狀馬氏體是鐵基合金中的另一種典型的馬氏體組織，常見于淬火高、中碳鋼及高Ni的Fe-Ni合金中，也稱透鏡片狀馬氏體，其光學(xué)顯微組織形態(tài)如圖10.20所示。

第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.20Fe-32Ni合金的片狀馬氏體組織馬氏體片之間不相互平行第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天片狀馬氏體光鏡下第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

片狀馬氏體的空間形態(tài)呈雙凸透鏡片狀，也稱為透鏡片狀馬氏體。因其與試樣磨面相截在顯微鏡下呈針狀或竹葉狀，又稱為針狀或竹葉狀馬氏體。片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶，所以又稱為孿晶型馬氏體。

第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

片狀馬氏體的顯微組織特征為馬氏體片之間不相互平行。

在一個(gè)成分均勻的奧氏體晶粒內(nèi)，冷卻至稍低于Ms點(diǎn)時(shí)，先形成的第一片馬氏體將貫穿整個(gè)奧氏體晶粒而將其分割為兩半，使隨后形成的馬氏體的大小受到限制。因此片狀馬氏體的大小不一，越是后形成的馬氏體片就越小。

第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.21片狀馬氏體顯微組織示意圖慣習(xí)面為(225)γ或(259)γ第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

片狀馬氏體的慣習(xí)面為(225)γ或(259)γ，與母相的位向關(guān)系為K-S關(guān)系或西山關(guān)系。片狀馬氏體內(nèi)有許多相變孿晶，孿晶接合部分的帶狀薄筋稱為中脊，中脊為高密度的相變孿晶區(qū)。相變孿晶的存在是片狀馬氏體組織的重要特征。孿晶間距大約為5nm，一般不擴(kuò)展到馬氏體邊界上，在馬氏體片邊緣區(qū)域則為復(fù)雜的位錯(cuò)組列。

第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)亞結(jié)構(gòu)的差異，可將片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)分為以中脊為中心的相變孿晶區(qū)（中間部分）和無孿晶區(qū)（片的周圍部分，存在位錯(cuò)）。

孿晶區(qū)所占比例隨合金成分變化而異。在Fe-Ni合金中，Ni含量越高（Ms點(diǎn)越低），則孿晶區(qū)所占比例就越大。對同一成分合金，隨Ms點(diǎn)降低（如改變奧氏體化溫度）孿晶區(qū)所占比例也增大。

第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3．其他馬氏體形態(tài)1）蝶狀馬氏體在Fe－Ni合金和Fe－Ni(Cr)－C合金中，當(dāng)馬氏體在板條狀馬氏體和片狀馬氏體的形成溫度范圍之間的溫度區(qū)域形成時(shí)，會出現(xiàn)具有特異形態(tài)的馬氏體，這種馬氏體的立體形態(tài)為“V”形柱狀，其斷面呈蝴蝶形，故稱為蝶狀馬氏體或多角狀馬氏體。

第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.22Fe-18Ni-0.7Cr-0.5C合金的蝶狀馬氏體第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

蝶狀馬氏體兩翼的慣習(xí)面為{225}γ，兩翼相交的結(jié)合面為{100}γ。電鏡觀察證實(shí)，蝶狀馬氏體的內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)，無孿晶存在，與母相的晶體學(xué)位向關(guān)系大體上符合K-S關(guān)系。第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2）薄片狀馬氏體

在Ms點(diǎn)極低的Fe-Ni-C合金中可觀察到一種厚度約為3～10μm的薄片狀馬氏體，其立體形態(tài)為薄片狀，與試樣磨面相截呈寬窄一致的平直帶狀，帶可以相互交叉，呈現(xiàn)曲折、分枝等形態(tài)，如圖10.23所示。

第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

圖10.23Fe-31Ni-0.28C合金的薄片狀馬氏體第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

薄片狀馬氏體的慣習(xí)面為{259}γ，與奧氏體之間的位向關(guān)系為K-S關(guān)系，內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為{112}αˊ孿晶，孿晶的寬度隨碳含量升高而減小。平直的帶中無中脊，這是它與片狀馬氏體的不同之處。電鏡下第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3）ε馬氏體

上述各種馬氏體都是具有體心立方（正方）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的馬氏體(α′)。而在奧氏體層錯(cuò)能較低的Fe-Mn-C或Fe-Cr-Ni合金中有可能形成具有密排六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的ε馬氏體。ε馬氏體的光學(xué)顯微組織如圖10.24所示。第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.24Fe-16.4Mn-0.09C合金的ε馬氏體第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

ε馬氏體呈極薄的片狀，厚度僅為100～300nm，其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)為高密度層錯(cuò)。ε馬氏體的慣習(xí)面為{111}γ，與奧氏體之間的位向關(guān)系為：{111}γ∥{0001}ε，<110>γ∥<1120>ε。第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4．影響馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的因素1）化學(xué)成分

母相奧氏體的化學(xué)成分是影響馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的主要因素，其中尤以碳含量最為重要。在Fe-C合金中0.3％C以下1.0％C以上0.3～1.0％C板條狀馬氏體片狀馬氏體板條狀和片狀的混和組織第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天0.45%C0.2%C1..2%C馬氏體形態(tài)與含碳量的關(guān)系第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

在其它合金元素中:凡能縮小γ相區(qū)的均能促使得到板條狀馬氏體；凡能擴(kuò)大γ相區(qū)的將促使馬氏體形態(tài)從板條狀轉(zhuǎn)化為片狀。能顯著降低奧氏體層錯(cuò)能的合金元素（如Mn）將促使轉(zhuǎn)化為ε馬氏體。第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天2）馬氏體的形成溫度隨馬氏體的形成溫度降低位錯(cuò)孿晶板條狀蝶狀片狀薄片狀第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

由于馬氏體相變是在Ms～Mf之間進(jìn)行的，因此，對于一定成分的奧氏體來說，有可能轉(zhuǎn)變成幾種不同形態(tài)的馬氏體（圖10.25）。第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.25Fe-Ni-C合金馬氏體形態(tài)與碳含量的關(guān)系第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天Ms點(diǎn)較高的奧氏體，可能只形成板條狀馬氏體；

Ms點(diǎn)略低的奧氏體，可能形成板條狀與片狀的混合組織；

Ms點(diǎn)更低的奧氏體，不再形成板條狀馬氏體，相變一開始就形成片狀馬氏體；

Ms點(diǎn)極低的奧氏體，片狀馬氏體也不再形成，而只能形成薄片狀馬氏體。

第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天3）奧氏體的層錯(cuò)能

奧氏體的層錯(cuò)能低時(shí)，易形成ε馬氏體。但層錯(cuò)能對其它形態(tài)馬氏體的影響尚不統(tǒng)一。一般認(rèn)為，奧氏體的層錯(cuò)能愈低，愈難于形成相變孿晶，而愈趨向于形成位錯(cuò)型馬氏體。如層錯(cuò)能極低的18-8不銹鋼在液氮溫度下也只能形成位錯(cuò)板條狀馬氏體。

第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天4）奧氏體與馬氏體的強(qiáng)度

馬氏體的形態(tài)還與Ms點(diǎn)處的奧氏體的屈服強(qiáng)度以及馬氏體的強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)奧氏體屈服強(qiáng)度<200MPa時(shí):

若形成的馬氏體的強(qiáng)度較低，則得到{111}γ慣習(xí)面的板條狀馬氏體；若形成的馬氏體的強(qiáng)度較高，則得到{225}γ慣習(xí)面的片狀馬氏體；當(dāng)奧氏體的屈服強(qiáng)度>200MPa時(shí)，則形成強(qiáng)度較高的{259}γ慣習(xí)面的片狀馬氏體。第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天此現(xiàn)象的相變理論基礎(chǔ)是：相變應(yīng)力的松弛，若在奧氏體和馬氏體內(nèi)都以滑移變形方式進(jìn)行，則形成{111}γ板條狀馬氏體；若在奧氏體內(nèi)以滑移變形方式，而在馬氏體內(nèi)以孿生變形方式進(jìn)行，則形成{225}γ片狀馬氏體；若只在馬氏體內(nèi)以孿生變形方式進(jìn)行，則形成{259}γ片狀馬氏體。

第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天5）滑移和孿生變形的臨界分切應(yīng)力的大小

馬氏體的內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)取決于相變時(shí)的變形方式是滑移變形還是孿生變形。合金成分和溫度決定滑移變形和孿生變形的臨界分切應(yīng)力的大小，因而決定馬氏體的亞結(jié)構(gòu)和形態(tài)，即滑移變形和孿生變形的臨界分切應(yīng)力大小是控制馬氏體亞結(jié)構(gòu)及其形態(tài)的因素。

第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.26滑移和孿生的臨界分切應(yīng)力與溫度的關(guān)系第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若T0′位于Ms～Mf之間，在較高溫度（Ms～T0′），滑移變形的臨界分切應(yīng)力小于孿生變形的臨界分切應(yīng)力，馬氏體相變的二次切變將以滑移變形的方式進(jìn)行，所以形成位錯(cuò)型馬氏體；而在較低溫度（T0′～Mf），孿生變形的臨界分切應(yīng)力較低，馬氏體相變的二次切變則以孿生變形的方式進(jìn)行，所以形成孿晶型馬氏體。

第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天若Ms～Mf均高于T0′，則全部形成位錯(cuò)型馬氏體；相反，若Ms～Mf均低于T0′，則全部形成孿晶型馬氏體。

第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天10.2.3奧氏體的穩(wěn)定化

所謂奧氏體的穩(wěn)定化系指奧氏體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在外界因素作用下發(fā)生某種變化而使奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)遲滯的現(xiàn)象。通常把奧氏體的穩(wěn)定化分為熱穩(wěn)定化和機(jī)械穩(wěn)定化兩類。第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天1．奧氏體的熱穩(wěn)定化

淬火時(shí)因緩慢冷卻或在冷卻過程中停留而引起奧氏體的穩(wěn)定性提高，使馬氏體轉(zhuǎn)變遲滯的現(xiàn)象稱為奧氏體的熱穩(wěn)定化。第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

前已述及，在一般冷卻條件下降溫形成馬氏體的轉(zhuǎn)變量只取決于最終冷卻溫度，而與時(shí)間無關(guān)。但若在Ms點(diǎn)以下TA溫度停留一段時(shí)間后再繼續(xù)冷卻，則馬氏體轉(zhuǎn)變并不立即恢復(fù)，而是要冷至Ms′溫度后才重新形成馬氏體，即要滯后θ（θ＝TA-Ms′）度相變才能繼續(xù)進(jìn)行（如圖10.27所示）。第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.27Ms點(diǎn)以下奧氏體熱穩(wěn)定化現(xiàn)象示意圖轉(zhuǎn)變量減少了δ（δ＝M1－M2）瞬時(shí)形核，瞬時(shí)長大，而與時(shí)間無關(guān)C、N原子向馬氏體核胚的位錯(cuò)界面偏聚，包圍馬氏體核胚，直至足以釘扎它，阻止其長大成馬氏體晶核。第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

與正常冷卻相比，在相同溫度TR（如室溫）下的轉(zhuǎn)變量減少了δ（δ＝M1－M2）或殘余奧氏體量增加了δ，δ值的大小與測定溫度TR有關(guān)。奧氏體的熱穩(wěn)定化程度可以用滯后溫度間隔θ或某一溫度下殘余奧氏體增量δ來度量。

主要與等溫溫度、奧氏體轉(zhuǎn)變量和等溫時(shí)間、化學(xué)成分等有關(guān)。第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

奧氏體的熱穩(wěn)定化有一個(gè)溫度上限，常以Mc表示。在Mc點(diǎn)以上等溫停留時(shí)并不產(chǎn)生熱穩(wěn)定化，只有在Mc點(diǎn)以下等溫停留或緩慢冷卻時(shí)才會引起熱穩(wěn)定化。對于不同的鋼種，Mc點(diǎn)可以低于Ms點(diǎn)，也可以高于Ms點(diǎn)。對于Mc點(diǎn)高于Ms點(diǎn)的鋼種，在Ms點(diǎn)以上等溫或緩慢冷卻時(shí)也會產(chǎn)生熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。

第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

一般情況下，等溫溫度越高，淬火后獲得的馬氏體量就越少，即δ值就越大，這說明奧氏體熱穩(wěn)定化程度也就越高。但當(dāng)?shù)葴販囟瘸^一定限度后，隨等溫溫度的升高，奧氏體穩(wěn)定化的程度反而下降，這種現(xiàn)象稱為反穩(wěn)定化。

第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

已轉(zhuǎn)變的馬氏體量對奧氏體的熱穩(wěn)定化程度也有很大影響，奧氏體的熱穩(wěn)定化程度隨已轉(zhuǎn)變馬氏體量的增多而增大。

這說明馬氏體形成時(shí)對周圍奧氏體的機(jī)械作用促進(jìn)了奧氏體熱穩(wěn)定化程度的發(fā)展。所以，研究奧氏體熱穩(wěn)定化的影響因素時(shí)，均需固定馬氏體的轉(zhuǎn)變量。

第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

在一定的等溫溫度下，停留時(shí)間越長，則達(dá)到的奧氏體熱穩(wěn)定化程度就越高，如圖10.28所示。

比較圖中不同等溫溫度下的曲線可以看出，等溫溫度越高，達(dá)到最大熱穩(wěn)定化程度所需的時(shí)間就越短。可見，熱穩(wěn)定化動力學(xué)過程是同時(shí)與溫度和時(shí)間有關(guān)的。

第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天圖10.28等溫停留時(shí)間對熱穩(wěn)定化程度的影響

(含碳0.96%的低合金鋼)停留時(shí)間越長，則達(dá)到的奧氏體熱穩(wěn)定化程度就越高。等溫溫度越高，達(dá)到最大熱穩(wěn)定化程度所需的時(shí)間就越短。可見，熱穩(wěn)定化動力學(xué)過程是同時(shí)與溫度和時(shí)間有關(guān)的。第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

化學(xué)成分對奧氏體的熱穩(wěn)定化有明顯的影響，其中尤以C和N最為重要。在Fe-Ni合金中，只有當(dāng)C和N的總含量超過0.01％時(shí)才能發(fā)生熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。無碳的Fe-Ni合金無熱穩(wěn)定化現(xiàn)象。在鋼中，碳含量增高可使奧氏體的熱穩(wěn)定化程度增大。鋼中常見的碳化物形成元素Cr、Mo、V等有促進(jìn)熱穩(wěn)定化的作用；而非碳化物形成元素Ni、Si等對熱穩(wěn)定化的影響不大。

第58頁,共65頁，2024年2月25日，星期天奧氏體熱穩(wěn)定化的機(jī)制

一般認(rèn)為與原子的熱運(yùn)動有關(guān)，即認(rèn)為是由于C、N原子在適當(dāng)溫度下向晶體點(diǎn)陣缺陷處偏聚（C、N原子釘扎位錯(cuò)），因而強(qiáng)化了奧氏體，使馬氏體相變的切變阻力增大所致。第59頁,共65頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)馬氏體相變的位錯(cuò)形核理論，在等溫停留時(shí)，C、N原子向馬氏體核胚的位錯(cuò)界面偏聚，包圍馬氏體核胚，直至足以釘扎它，阻止其長大成馬氏體晶核。所以滯后溫度θ值的意義是為了獲得額外化學(xué)驅(qū)動力以克服由于C、N原子釘扎位錯(cuò)界面而增加的相變阻力所需要的過冷度。

第