热处理原理与工艺 教学课件 作者 候旭明 第三、四章.docVIP

第三章 马氏体转变 如前所述，钢经奥氏体化后，以足够快的冷却速度冷却到马氏体转变点Ms温度以下，将发生马氏体转变，用这种热处理方法获得马氏体组织的过程称马氏体淬火。淬火是使钢强化的主要手段，因此研究马氏体组织及其转变规律，对热处理生产有着重要的实际意义。 早期，人们只把碳钢淬火后，获得硬而脆的片状组织称为马氏体。后来发现，马氏体相变不仅在钢中存在，在某些其他合金（如Fe-Ni, Ni-Ti, Cu-Zn等）中也存在。因此，后来将钢铁或非铁合金中通过马氏体转变形成的产物统称为马氏体，尽管其与钢中马氏体的形态和结构有很大的不同。 马氏体相变是一个复杂的问题。本章主要介绍钢中马氏体转变，组织形态和性能等。 第一节 马氏体的结构、组织形态和力学性能 一、马氏体晶体结构 略 二、马氏体组织形态和亚结构 （一）板条马氏体 板条马氏体是低、中碳钢、低碳合金钢、不锈钢、Fe-Ni合金中形成的一种典型马氏体组织。图3-3是低碳钢淬火所得板条马氏体，其主要特征是马氏体板条单元呈细长板条状，并且许多板条相互平行地群集在一起，故称为板条马氏体，板条是马氏体的基本单元。由于肉眼能分辨的最小距离是0.2mm，所以单个板条的尺寸（约为0.2μm）已超出光学显微镜的分辨能力。板条间存在很薄的奥氏体薄膜（见图3-3b中黑线）。 介绍图3-4及束、块、板条关系：（略）。 板条束尺寸与原奥氏体晶粒尺寸有关。板条束的尺寸随奥氏体晶粒增大而增大，但板条宽度几乎没有变化。由此可认为，一个原奥氏体晶粒内，生成的板条束数量大体是不变的。 板条马氏体的亚结构主要是位错（见图3-3b），其密度约为1011/㎝2 ，根据这一特征,板条马氏体又称为位错马氏体。 （二）透镜片状马氏体 透镜片状马氏体常见于淬火的高碳钢及含镍较高（wc＞29%）的Fe-Ni合金。片状马氏体组织典型形态如图3-5所示。其马氏体单元的立体形态是双凸透镜片状，由于试样磨面与双凸透镜片状马 氏体相截，在显微镜下呈现为片状或针状形态，故称为片状马氏体或针状马氏体。在金相显微镜下可看到马氏体片大小不一，且互不平行。马氏体片之间往往伴随有残留未转变的奥氏体，即残余奥氏体。马氏体片一般不会越过奥氏体晶界。当冷至Ms点以下时，最先形成的马氏体往往横贯奥氏体晶粒，后形成的马氏体，在被先形成的马氏体所分割的奥氏体内进行，这样分割的结果，使后期形成的马氏体变得愈来愈细小，因此，在一个奥氏体晶粒内部，先后形成的马氏体大小相差悬殊，如图3-6所示。 粗大片状马氏体组织，使钢的塑性和韧性变坏。在实际生产中，钢的马氏体组织都很细小。例如高碳钢或合金工具钢，在正常加热淬火后，马氏体组织极为细小，在光学显微镜下一般很难分辨，这种马氏体组织通常称为隐针马氏体。 透镜片状马氏体的亚结构：（略）。 （三）其它形态马氏体 1.蝶状马氏体 蝶状马氏体的主体形状为V形柱体，横截面呈蝴蝶状而得名。如图3-8所示。它最早在Fe-Ni合金冷至-10℃时发现，后来在碳钢中也有发现。 2.薄片状马氏体 这种马氏体现出在Ms温度低于-100℃的Fe-Ni-C合金中，呈薄片状，见图3-9。马氏体内部亚结构全部是孪晶。 3.ε马氏体 这种马氏体片极薄，仅为100-300nm，其晶体结构为密排六方点，ε马氏体薄片沿奥氏体的｛111｝γ面呈魏氏组织分布，如图3-10所示。亚结构是层错。在18-8不锈钢和高锰钢中出现这种马氏体，它常与板条马氏体、片状马氏体共存。 三、影响马氏体形态及亚结构的因素 影响马氏体形态的因素，主要是奥氏体的化学成分和马氏体形成温度。 由图3-11可知，碳含量≤0.2% 的奥氏体，几乎全部形成板条马氏体，碳含量＞1.0%的奥氏体全部形成片状马氏体。碳含量介于0.2%~1.0%之间时，形成板条马氏体与片状马氏体的混合组织；其中，含碳量越高，片状马氏体越多，板条马氏体越少。 一般认为，板条马氏体主要在Ms~350℃之间形成，片状马氏体主要在200℃以下形成。碳含量0.2%~1.0%之间的奥氏体在马氏体区较高温度先形成板条马氏体，然后在较低温度形成片状马氏体。 此外，马氏体形态还与奥氏体强度和层错能等有关。 马氏体的亚结构与转变时的切变方式有关，当切变以滑移方式进行，形成位错亚结构；以孪生方式进行，则形成孪晶亚结构。 四、马氏体的性能 1.马氏体的硬度和强度 引起马氏体强化是由于以下几方面原因： 1)过饱和碳引起的固溶强化 固溶强化效果随碳含量增大而增大，当碳含量超过0.6%后，强化效果减弱。合金元素一般以置换式固溶于马氏体中，固溶强化效果比碳元素小得多。 2)马氏体时效强化 一般，碳含量大于0.4%时，马氏体的强化中即包含有时效强化的作用。 3)亚结构引起的强化 板条马氏体中的位错亚结构，透镜片状马氏体的孪晶亚结构都是滑移变形的障碍，使形