鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變之馬氏體

　　1、定義

　?。?）馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解（低于MS點(diǎn)發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變叫做馬氏體轉(zhuǎn)變。值得注意的是基本特征屬于馬氏體轉(zhuǎn)變的相變，其相變產(chǎn)物都稱為馬氏體。

　?。?）馬氏體：鋼中的馬氏體就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是碳在α-Fe中過(guò)飽和的間隙固溶體。

　　2、馬氏體的組織形態(tài)

　　鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）、片狀馬氏體（又稱針狀馬氏體）。

　?。?）板條馬氏體 板條馬氏體是在低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成一種典型的馬氏體組織。

　　（2）片狀馬氏體 高碳鋼（ωC＞0.6%）、ωNi=30%的不銹鋼及一些有色金屬和合金，淬火時(shí)形成的片狀馬氏體組織。

　　3、馬氏體的性能

　　（1）馬氏體力學(xué)性能顯著特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高硬度。

　　（2）含碳量對(duì)馬氏體性能的影響：硬度主要取決于含碳量。ωC＜0.5%時(shí)馬氏體的硬度隨著含碳量增加急劇增高，當(dāng)ωC＞0.6%左右雖然馬氏體硬度有所增高，但是由于殘余奧氏體量增加，反而使得鋼的硬度有所下降。

　　（3）合金元素對(duì)馬氏體的硬度影響不大，但可以提高強(qiáng)度。

　?。?）馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的硬度是多方面的，主要包含：固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化以及時(shí)效強(qiáng)化，具體介紹如下：

　　固溶強(qiáng)化：間隙原子處于α相晶格的八面體間隙中，造成晶格的正方畸變，并形成了一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，從而提高馬氏體的強(qiáng)度。

　　相變強(qiáng)化：馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在晶體內(nèi)造成密度很高的晶格缺陷，無(wú)論板條馬氏體中的高密度位錯(cuò)還是片狀馬氏體中的孿晶都阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使馬氏體強(qiáng)化。

　　時(shí)效強(qiáng)化：馬氏體形成以后，碳及合金元素的原子向位錯(cuò)或其他晶格缺陷處擴(kuò)散偏聚或析出，釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，從而造成馬氏體強(qiáng)化。

　?。?）馬氏體板條群或馬氏體片尺寸越小，則馬氏體強(qiáng)度越高；這是由于馬氏體相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的，原始奧氏體晶粒越小，則馬氏體強(qiáng)度越高。馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)。

　　孿晶馬氏體：高強(qiáng)度、但韌性差。

　　位錯(cuò)馬氏體：高強(qiáng)度、良好的韌性。

　?。?）馬氏體的體積：在鋼中的各種組織中，奧氏體的比體積最小，馬氏體的比體積最大；因此，淬火形成馬氏體時(shí)由于鋼的體積膨脹是淬火時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力、引起工件變形甚至開(kāi)裂的主要原因之一。

　　4、馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

　　馬氏體轉(zhuǎn)變同其他固態(tài)相變一樣，相變驅(qū)動(dòng)力也是新相與母相的化學(xué)自由能差，即單位體積馬氏體與奧氏體的自由能差。相變阻力也是新相形成時(shí)的界面能及應(yīng)變能。

　　盡管馬氏體形成時(shí)與奧氏體存在共格界面，界面能很小，但是由于共格應(yīng)變能較大，特別是馬氏體與奧氏體比體積相差較大以及需要克服切面阻力并產(chǎn)生大量的晶格缺陷，增加很大的彈性應(yīng)變能，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的相變阻力很大，需要足夠大的過(guò)冷度才能使相變驅(qū)動(dòng)力大于相變阻力，以發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。

　　馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms點(diǎn)則可以定義為馬氏體與奧氏體的自由能差到相變所需要的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度。

　　馬氏體轉(zhuǎn)變是過(guò)冷奧氏體在低溫范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變，相對(duì)于珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變具有如下一系列特點(diǎn)：

　　1）馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性

　　馬氏體轉(zhuǎn)變是奧氏體在很大過(guò)冷度下進(jìn)行的，此時(shí)無(wú)論是鐵原子、碳原子還是合金元素原子，其活動(dòng)能力很低，因而，馬氏體轉(zhuǎn)變是在無(wú)擴(kuò)散的情況下進(jìn)行的。只有點(diǎn)陣規(guī)則的重構(gòu)，新相和母相無(wú)成分的變化。

　　2）馬氏體的轉(zhuǎn)變的切變共格性

　　切變：兩個(gè)距離很近、大小相等、方向相反的平行力作用于同一物體上所引起的形變。 

　　馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在預(yù)先拋光的試樣上表面出現(xiàn)傾斜，產(chǎn)生表面浮凸。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明馬氏體轉(zhuǎn)變和母相的宏觀有著直接的聯(lián)系，說(shuō)明馬氏體是以切變方式形成的。

　　3）馬氏體轉(zhuǎn)變速度

　　取決于馬氏體的形核率，當(dāng)大于臨界晶核半徑的核胚全部耗盡，相變終止。由于過(guò)冷度越大，臨界晶核尺寸越小，只有進(jìn)一步降溫才能使更小的核胚成為晶核并長(zhǎng)大成馬氏體。一般工業(yè)用碳鋼及合金鋼，馬氏體轉(zhuǎn)變是連續(xù)（變溫）冷卻過(guò)程中進(jìn)行的。鋼中奧氏體以大于臨界淬火速度的速度冷卻到MS點(diǎn)以下，立即形成一定數(shù)量的馬氏體，相變沒(méi)有孕育期；隨著溫度的下降，又形成一定數(shù)量的馬氏體，而先形成的馬氏體不再長(zhǎng)大。馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著溫度的降低而逐漸增加。

　　高碳鋼和許多合金鋼的MS點(diǎn)在室溫以上，而Mf點(diǎn)在室溫以下，則淬火冷卻到室溫將保留相當(dāng)數(shù)量未轉(zhuǎn)變的奧氏體，這個(gè)部分叫殘留奧氏體；如果為使殘留奧氏體全部轉(zhuǎn)變“冷處理”，可以放入液氮中處理。 

　　影響殘奧數(shù)量的因素：碳含量越高，殘奧越多、含有降低Ms的元素，殘奧越多。

　　殘留奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化：由于奧氏體在淬火過(guò)程中受到較大塑性變形或者受到壓應(yīng)力而造成的穩(wěn)定化現(xiàn)象叫做奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化。殘留奧氏體就與機(jī)械穩(wěn)定化有關(guān)，被包圍在馬氏體之間的奧氏體處于受壓縮狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)。

　　4）形變誘發(fā)馬氏體（形變馬氏體）

　　在Ms點(diǎn)以上對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，變形量越大，馬氏體轉(zhuǎn)變量越多，這種現(xiàn)象稱為形變誘發(fā)馬氏體相變。

　　5）馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性

　　可逆性：在某些鐵和金、鎳與其他有色金屬中，奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，重新加熱時(shí)已形成的馬氏體又能無(wú)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。

　　一般碳鋼中不發(fā)生按馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)的逆轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵诩訜釙r(shí)馬氏體早已經(jīng)分解為鐵素體和碳化物；這個(gè)過(guò)程為“回火”。

文章摘自：機(jī)械裝備缺陷與失效分析