鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制摘要本文簡(jiǎn)要介紹了鐵碳馬氏體的機(jī)械性能和組織結(jié)構(gòu)。著重論述了鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制,鐵碳馬氏體主要通過(guò)：相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、攣晶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等方式來(lái)提高它的強(qiáng)度。關(guān)鍵詞馬氏體、強(qiáng)化機(jī)制正文鋼經(jīng)奧氏體化后快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解，在較低的溫度下發(fā)生無(wú)擴(kuò)散性相變的產(chǎn)物為馬氏體組織。二十年代中期，人們己經(jīng)意識(shí)到鋼中馬氏體是碳在a—Fe中的過(guò)飽和固溶體，具有體心正方點(diǎn)陣。鐵碳馬氏體最主要的性質(zhì)就是高硬度、高強(qiáng)度，其硬度隨碳含量的增加而增加。但是當(dāng)碳含量達(dá)到6%時(shí)，淬火鋼的硬度達(dá)到最大值，這是因?yàn)樘己窟M(jìn)一步提高，雖然馬氏體的硬度會(huì)提高但是由于殘余奧氏體量的增加，使鋼的硬度反而卜.降。近年來(lái)對(duì)馬氏體高強(qiáng)度的本質(zhì)進(jìn)行了大量的研究工作，認(rèn)為引起馬氏體高強(qiáng)度的原因是多方面的，主要的強(qiáng)化機(jī)制主要有以卜幾種方式。（一）相變強(qiáng)化馬氏體相變的切變特征造成在晶體內(nèi)產(chǎn)生大量微觀缺陷（位錯(cuò)、攣晶及層錯(cuò)等），使得馬氏體強(qiáng)化，稱之為相變強(qiáng)化。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)碳馬氏體的屈服強(qiáng)度為284MPa°這個(gè)值與形變強(qiáng)化鐵素體的屈服強(qiáng)度相近。而退火鐵素體的屈服強(qiáng)度僅為98—137MPa。說(shuō)明相變強(qiáng)化使強(qiáng)度提高了147—186MPa°（-）固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是提高金屬材料強(qiáng)度的一種重要方法。固溶強(qiáng)化的原因是復(fù)雜的，主要包括溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用，電子交互作用、化學(xué)交互作用、溶質(zhì)原子的偏聚和短程有序化、改變基體鍵合力等幾個(gè)方面造成的強(qiáng)化作用。固溶體中，溶質(zhì)原子在其周闈引起彈性畸變，產(chǎn)生彈性應(yīng)力場(chǎng)。由于位錯(cuò)周圍也有彈性應(yīng)力場(chǎng)存在。溶質(zhì)原子應(yīng)力場(chǎng)和位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)相互作用，可以降低整個(gè)系統(tǒng)的彈性能。相互作用會(huì)導(dǎo)致苛氏氣團(tuán)出現(xiàn)，并因釘扎位錯(cuò)而阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，造成金屬?gòu)?qiáng)度的提高。這種彈性交互作用起因于溶質(zhì)原子造成的陣畸變，溶質(zhì)濃度越高，點(diǎn)陣畸變涉及范I韋I廣而強(qiáng)化效果顯著。因此固溶強(qiáng)度隨溶質(zhì)濃度增大而增大。研究表明鐵碳馬氏體的屈服強(qiáng)度隨馬氏體中的碳含量的增加而增加，但是當(dāng)碳含量達(dá)到4%以上時(shí)，強(qiáng)度不再增加，而且當(dāng)碳含量從零增加至4%時(shí)屈服強(qiáng)度的增量達(dá)到約700MPao原因是馬氏體中的八面體為扁八面體，碳原子融入后形成了以碳原子為中心的畸變偶極應(yīng)力場(chǎng)，這個(gè)應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，而使馬氏體的強(qiáng)度增強(qiáng)。但是碳含量超過(guò)4%以后，使馬氏體進(jìn)一步增強(qiáng)的效果顯著減弱，可能是因?yàn)樘荚涌康锰?，以致畸變偶極應(yīng)力場(chǎng)之間應(yīng)相互抵消而降低了應(yīng)力o形成置換式固溶體的合金元素對(duì)馬氏體的固溶強(qiáng)化效應(yīng)相比C來(lái)說(shuō)要小得多，據(jù)估計(jì),僅與合金元素對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化效果大致相同。這源于間隙式固溶強(qiáng)化與置換式強(qiáng)化機(jī)制的不同所致。由于晶體中的間隙與C原子相比非常小，當(dāng)Fe中固溶C時(shí)所產(chǎn)生的畸變要比固溶合金元素時(shí)產(chǎn)生更多的畸變，所以對(duì)材料的強(qiáng)化作用更大。一般來(lái)說(shuō)，溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的彈性交互作用較強(qiáng)烈，但是對(duì)溫度十分敏感，常溫下作用大；電子和和化學(xué)作用較弱，但是對(duì)溫度不敏感，高溫下強(qiáng)化效果顯著。?0.4053nm 馬氏體中的扁八面體（三）時(shí)效強(qiáng)化經(jīng)理論計(jì)算，馬氏體在室溫下只需幾分鐘甚至是幾秒就能通過(guò)原子擴(kuò)散而產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。并且，時(shí)效強(qiáng)化也與碳含量有關(guān)，碳含量越高，時(shí)效強(qiáng)化效果越顯著。時(shí)效強(qiáng)化由C原子擴(kuò)散釘扎位錯(cuò)引起。當(dāng)工件從高溫降溫時(shí)，如果在降溫途中停留或者是降溫速度太慢的話，C原子將會(huì)擴(kuò)散導(dǎo)致偏聚。這將會(huì)成為材料以后塑性變形的巨大阻力，造成材料變形抗力的提高。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原子擴(kuò)散偏聚已自然形成，而呈現(xiàn)時(shí)效強(qiáng)化。馬氏體時(shí)效鋼就是基于這一原理而獲得良好的綜合性能的。以無(wú)碳（或微碳）馬氏體為基體的，時(shí)效時(shí)能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼。與傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼不同，它不用碳而靠金屬間化合物的彌散析出來(lái)強(qiáng)化。這使其具有一些獨(dú)特的性能：高強(qiáng)韌性，低硬化指數(shù)，良好成形性，簡(jiǎn)單的熱處理工藝，時(shí)效時(shí)幾乎不變形，以及很好的焊接性能。因而馬氏體時(shí)效鋼已在需要此種特性的部門獲得廣泛的應(yīng)用。（四）形變強(qiáng)化在不同的參與變形量的條件下，馬氏體的屈服強(qiáng)度與碳含量的關(guān)系如圖所示，由圖可見(jiàn),當(dāng)殘余變形量很小時(shí)，（8=0.02%）,屈服強(qiáng)度幾乎與碳含量無(wú)關(guān)，并且很低，約196MPao4是，當(dāng)殘余變形量為2%時(shí)，屈服強(qiáng)度卻隨著碳含量的增加而急劇增大。這說(shuō)明，馬氏體本身是比較軟的，但是在外力的作用下因塑性變形而急劇加工硬化，所以，馬氏體的形變強(qiáng)化指數(shù)很大，加工硬化率很高。其本質(zhì)是材料發(fā)生塑性變形時(shí)，由于位錯(cuò)的增殖作用，材料中會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。而材塑性變形的很重要的一部分是靠位錯(cuò)的滑移而產(chǎn)生的。由Bailey-Hirsch公式t=t0+aGb^/p其中：i一位錯(cuò)滑移的阻力邛一晶體中除了位錯(cuò)作用外其它的位錯(cuò)滑移阻力（派那里、第二相阻力、固溶原子阻力等）a一材料有關(guān)的常數(shù)，通常取0.3-0.5G一晶體的切變模量b一位錯(cuò)的伯式矢量p一金屬中的位錯(cuò)密度可知：材料中位錯(cuò)的密度越大，即單位體積中位錯(cuò)的密度越多，位錯(cuò)滑移的阻力越大。即材料變形的抗力越大。金屬材料在低溫卜.經(jīng)過(guò)變形，使體內(nèi)位錯(cuò)密度大幅提高，而是變形抗力增大，達(dá)到強(qiáng)化金屬的目的。這就是形變強(qiáng)化的機(jī)理。而當(dāng)金屬中的C含量越大時(shí)位錯(cuò)繞過(guò)機(jī)制越強(qiáng)烈，位錯(cuò)增殖越快。所以形變強(qiáng)化量隨其含碳量的增加而增加。但是在高溫下，形變強(qiáng)化的作用就不會(huì)太大了。這是因?yàn)椋寒?dāng)金屬的溫度達(dá)到金屬的再結(jié)晶溫度時(shí)，金屬會(huì)發(fā)生再結(jié)晶而是金屬中的缺陷及位錯(cuò)的密度大幅下降，使形變強(qiáng)化的作用消失。即在高溫時(shí)形變強(qiáng)化不再起作用。

1800160014001200100080060018001600140012001000800600CTetoiAH2BS128406789圖4—64馬氏體的屈阪強(qiáng)度與碳含地的關(guān)系（五）李晶對(duì)馬氏體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)對(duì)于碳含量低于0.3%的Fe-C合金馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)，主要靠C原子固溶強(qiáng)化,（碳原子釘扎位錯(cuò)）。碳含量大于03%時(shí),其亞結(jié)構(gòu)中率晶的含量增多。由于攣晶對(duì)材料的強(qiáng)度也有一定的貢獻(xiàn)，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。隨著馬氏體中碳含量的提高，C原子釘扎位錯(cuò)的固溶強(qiáng)化作用越來(lái)越大，并且隨著碳含量的增加，馬氏體中的李晶的相對(duì)量越來(lái)越多，攣晶對(duì)馬氏體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大，但是當(dāng)碳含量大于0.8%時(shí)，硬度不再上升，這是由于殘余奧氏體的影響。下圖表示未經(jīng)時(shí)效的Fe-Ni-C合金的位錯(cuò)型馬氏體與攣晶型馬氏體的抗壓強(qiáng)度，在圖中可■見(jiàn)，在低碳量范闈內(nèi)，兩者的抗壓強(qiáng)度相差很小，但是隨著碳含量的增加，李晶型馬氏體的抗壓強(qiáng)度增加較快，兩者的=壓力強(qiáng)度差增大，這說(shuō)明碳含量增高時(shí)，宰晶亞結(jié)構(gòu)對(duì)馬氏體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大。

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186142o8642(?(/*!e?w田0000oO18642034一66未經(jīng)酎效的李晶馬氏怵與位錯(cuò)馬氏體的抗壓aa（Fe—Ni—C合金）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明馬氏體中存在李晶時(shí)，對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。（六）原始奧氏體晶粒大小和板條馬氏體束大小的影響原始奧氏體晶粒大小和板條馬氏體束大小對(duì)馬氏體強(qiáng)度也有一定的影響。原始奧氏體晶粒越細(xì)小，板條馬氏體束越小，則馬氏體的強(qiáng)度越高。對(duì)中碳低合金鋼,奧氏體從單晶細(xì)化到10級(jí)晶粒時(shí)，強(qiáng)度增加不大于245MPa。所以，在一般鋼中以細(xì)化奧氏體晶粒的方法來(lái)提高馬氏體強(qiáng)度的作用不大，尤其對(duì)硬度很高的鋼，奧氏體晶粒的大小對(duì)馬氏體強(qiáng)度的影響更不明顯。結(jié)論：Fe-C馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制主要靠其中碳原子的固溶強(qiáng)化，淬火過(guò)程中伴隨馬氏體時(shí)效（自回火）也有顯著的強(qiáng)化效果。隨馬氏體中碳和合金元素的增加，率晶亞結(jié)構(gòu)將有附加的強(qiáng)化作用，細(xì)化奧氏體晶粒大小和板條馬氏體大小，也能提高一些馬氏體