哈工大材料力學(xué)性能大作業(yè)-鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制

1、鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制摘要：鋼中鐵碳馬氏體的最主要特性是高強(qiáng)度、高硬度，其硬度隨碳含量的增加而升高。馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制是多種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果。主要的強(qiáng)化機(jī)制包括：相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和綜合強(qiáng)化等。本文介紹了鐵碳馬氏體及其金相組織和力學(xué)特性，著重深入分析馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制。關(guān)鍵詞：鐵碳馬氏體 強(qiáng)化機(jī)制1.馬氏體的概念，組織及力學(xué)特性1.1馬氏體的概念 馬氏體，也有稱為麻田散鐵，是純金屬或合金從某一固相轉(zhuǎn)變成另一固相時的產(chǎn)物；在轉(zhuǎn)變過程中，原子不擴(kuò)散，化學(xué)成分不改變，但晶格發(fā)生變化，同時新舊相間維持一定的位向關(guān)系并且具有切變共格的特征。馬氏體最先在淬火鋼中發(fā)現(xiàn)，是由奧氏體轉(zhuǎn)變成的

2、，是碳在鐵中的過飽和固溶體。以德國冶金學(xué)家阿道夫·馬登斯（A.Martens）的名字命名；現(xiàn)在馬氏體型相變的產(chǎn)物統(tǒng)稱為“馬氏體”。馬氏體的開始和終止溫度，分別稱為M始點(diǎn)和M終點(diǎn)；鋼中的馬氏體在顯微鏡下常呈針狀，并伴有未經(jīng)轉(zhuǎn)變的奧氏體(殘留奧氏體)；鋼中的馬氏體的硬度隨碳量增加而增高；高碳鋼的馬氏體的硬度高而脆，而低碳鋼的馬氏體具有較高的韌性。 1.3馬氏體的力學(xué)特性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，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提高但是由于殘余奧氏體量的增加，使鋼的硬度反而下降。 2.鐵

3、碳馬氏體的晶體學(xué)特性和金相形貌鋼經(jīng)馬氏體轉(zhuǎn)變形成的產(chǎn)物。絕大多數(shù)工業(yè)用鋼中馬氏體屬于鐵碳馬氏體，是碳在體心立方結(jié)構(gòu)鐵中的過飽和固溶體。鐵碳合金的奧氏體具有很寬的碳含量范圍，所形成的馬氏體在晶體學(xué)特性、亞結(jié)構(gòu)和金相形貌方面差別很大?？梢园谚F碳馬氏體按碳含量分為5個組別(見表)【1】。 表1 鐵碳馬氏體的晶體學(xué)特性和金相形貌碳含量/%晶體結(jié)構(gòu)與母相的位向關(guān)系慣習(xí)面亞結(jié)構(gòu)金相形貌<0.2體心立方(111)(011)101111(K-S)557位錯板條0.20.6體心正方(111)(011)101111(K-S)557和225位錯，孿晶板條及片狀0.61.0體心正方(111)(011)10111

4、1(K-S)225位錯，孿晶板條及片狀1.01.4體心正方(111)(011)101111(K-S)225和259孿晶板條及片狀>1.5體心正方(111)(011)101111(K-S)259孿晶板條及片狀 低碳馬氏體為體心立方結(jié)構(gòu)，中、高碳為體心正方結(jié)構(gòu)。碳原子的固溶為間隙式，處于八面體間隙之中。如圖1A中×號所示，三坐標(biāo)方向的面心位置是具有代表性的三種八面體間隙中心，構(gòu)成了體心晶格中的三套亞點(diǎn)陣，分別以1/2001、1/2010、1/2100表示，每單位晶胞中有六個八面體間隙分屬這三套亞點(diǎn)陣?！?】體心立方晶格的八面體是非等軸的，以1/2001八面體(圖1B)為例，間隙在0

5、01方向(圖1的c方向)的尺寸不但小于110，即圖1B水平正方形的 圖1 體心立方晶格的 八面體間隙A三套八面體間隙(中心)位置亞點(diǎn)陣;B體心立方八面體間隙的非對稱性 對角線方向的尺寸，而且也小于碳原子直徑。碳原子的溶入將增加c方向的原子間距，由于彈性效應(yīng)，a、b方向的間隙將略為縮小。碳原子在馬氏體中并非均勻地分配在三套亞點(diǎn)陣中，而是選擇其中一套，因此造成了晶格的正方性。 光學(xué)金相顯微鏡觀察鐵碳馬氏體具有兩類形貌，分別稱為板條狀馬氏體和片狀馬氏體，如圖3、圖4所示。板條狀馬氏體為集束的板條，同一母相晶粒內(nèi)只形成少數(shù)幾個集束，呈現(xiàn)幾個區(qū)域，域內(nèi)各板條僅以小角度交界;而片狀馬氏體則為空間方位雜亂的

6、餅狀，在磨面上為針狀。 透射電子顯微鏡觀察，與兩種金相形貌對照，馬氏體(板，片)內(nèi)部呈現(xiàn)兩類亞結(jié)構(gòu)。低碳(板條)馬氏體為高密度的位錯網(wǎng)絡(luò)，而高碳(片狀)馬氏體為極薄的孿晶片。故兩種馬氏體又分別稱為位錯馬氏體和孿晶馬氏體。多數(shù)工業(yè)實(shí)用的鐵碳馬氏體并非單一的金相形貌和亞結(jié)構(gòu)，而是混合的。淬火態(tài)兩類(板條位錯、片狀孿晶)馬氏體的相對量可由圖5的數(shù)據(jù)估計(jì)。碳含量越高，馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms越低，則片狀孿晶馬氏體量越多。當(dāng)碳含量超過0.6%時，片狀馬氏體量將超過50%(體積分?jǐn)?shù))。孿晶馬氏體的韌性低，它是高碳鋼淬火態(tài)脆性大的根本原因。【3】 圖2 鐵碳馬氏體的兩種典型金相形貌a板條(低碳)，0.03C-2Mn

7、×1000;b片狀(高碳)，1.39C×500圖3 鐵碳馬氏體的兩種典型亞結(jié)構(gòu)a位錯(板條) ×27500;b孿晶(片狀) 3. 鐵碳馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)化機(jī)制可分為固溶強(qiáng)化機(jī)制、界面強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、析出強(qiáng)化及細(xì)晶強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制。馬氏體的強(qiáng)化機(jī)制是多種強(qiáng)化機(jī)制共同作用的結(jié)果。主要的強(qiáng)化機(jī)制包括：相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、時效強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等 3.1相變強(qiáng)化馬氏體轉(zhuǎn)變指高溫奧氏體經(jīng)快速冷卻，在較低溫度下發(fā)生無擴(kuò)散切變形成體心正方的馬氏體。如圖1所示。在發(fā)生馬氏體相變的過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變的切變特性會在晶體內(nèi)部產(chǎn)生大量的微觀缺陷。產(chǎn)生的缺陷，諸如板條馬氏體中高密度

8、的錯位、片狀馬氏體中的孿晶等，會阻礙位錯的運(yùn)動，從而阻礙材料的塑形變形過程，提高了材料強(qiáng)度，達(dá)到強(qiáng)化馬氏體的目的。實(shí)驗(yàn)證明，無碳馬氏體的屈服強(qiáng)度約為284Mpa,此值與形變強(qiáng)化鐵素體的屈服強(qiáng)度很接近，而退火狀態(tài)鐵素體的屈服強(qiáng)度僅為98137Mpa，這就說明相變強(qiáng)化使屈服強(qiáng)度提高了147186MPa。 圖4 馬氏體轉(zhuǎn)變過程 3.2細(xì)晶強(qiáng)化晶界上原子排列紊亂, 雜質(zhì)富集,晶體缺陷的密度較大, 且晶界兩側(cè)晶粒的位向也不同, 所有這些因素都對位錯滑移產(chǎn)生很大的阻礙作用, 從而使強(qiáng)度升高。晶粒越細(xì)小, 晶界總面積就越大, 強(qiáng)度越高, 這一現(xiàn)象稱為細(xì)晶強(qiáng)化。原始奧氏體晶粒大小和板條馬氏體束大小對馬氏體強(qiáng)度

9、也有一些影響。由圖6 可見，馬氏體的屈服強(qiáng)度0.2 與奧氏體晶粒大小dr 及馬氏體束大小da 的平方根成線性關(guān)系，可列如下式0.2=608+69dr-1/2(MPa)0.2=449+60da-1/2(MPa) 圖5 馬氏體奧氏體屈服強(qiáng)度與晶粒大小的關(guān)系 因此，原奧氏體晶粒越細(xì)小，板條馬氏體越小，則馬氏體的強(qiáng)度越高。對中碳結(jié)構(gòu)鋼，奧氏體從單晶細(xì)化到10 級晶粒時，強(qiáng)度增加不大于245MPa。所以，在一般結(jié)構(gòu)鋼中以細(xì)化奧氏體晶粒的方法來提高馬氏體強(qiáng)度作用不大。尤其對于硬度很高的鋼，奧氏體晶粒大小對馬氏體強(qiáng)度影響更不明顯。只在一些特殊熱處理中，如形變熱處理或超細(xì)化處理，將奧氏體晶粒細(xì)化到15 級或更

10、細(xì)時，才能有望使強(qiáng)度提高490MPa。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滑移完成的, 故凡是可以增大位錯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, 同時使位錯密度增加。在碳含量小于0.4%時，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，馬氏體的屈服強(qiáng)度不再增加。這一

11、現(xiàn)象的機(jī)理：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)力場與位錯產(chǎn)生強(qiáng)烈的交互作用，令位錯運(yùn)動使馬氏體強(qiáng)度升高。當(dāng)含碳量高于0.4%時，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【5】。例如李鴻美等研究的超低碳鋼2，馬氏體主要由C、Mn、Si和Mo元素引起固溶強(qiáng)化，其強(qiáng)化增量按下式計(jì)算： （式中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為各合金元素固溶在基體中的數(shù)值，C、Mn、Si、Mo元素采用合金含量。）對于高位錯的馬氏體而言，位錯與固溶元素相互作用引起的強(qiáng)度增量小于位錯與位錯之間相互作用而引起的強(qiáng)度增量。

12、另外，固溶元素所形成的彈性應(yīng)力場與位錯應(yīng)力場相互抵消強(qiáng)度增量被削弱；對于低碳馬氏體（含碳量<0.2%），馬氏體位錯中大部分碳不處于固溶體中，而是偏聚于位錯上形成柯氏氣團(tuán)【7】。因此，可以認(rèn)為在含碳量<0.2%時，碳的直接強(qiáng)化作用是位錯強(qiáng)化，其固溶強(qiáng)化增量視為“0”。但是，Mn、Si、Mo元素造成的固溶強(qiáng)度增量卻是不可忽視的。 3.4形變強(qiáng)化 形變強(qiáng)化亦稱為冷變形強(qiáng)化、加工硬化和冷作硬化。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

13、稱為形變強(qiáng)化。在不同殘余變形量的條件下，馬氏體的屈服強(qiáng)度與碳含量關(guān)系如圖15 所示。 由圖可知，當(dāng)殘余變形量很小時（=0.02%）,屈服強(qiáng)度0.02 幾乎與碳含量無關(guān)，并且很低，約為196MPa?？墒?，當(dāng)殘余變形量為2%時，屈服強(qiáng)度2 卻隨碳含量增加而急劇增大，這個現(xiàn)象說明，馬氏體本身比較軟，但在外力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。這與畸變偶極應(yīng)力場的強(qiáng)化作用有關(guān)。 圖6 3.5時效強(qiáng)化時效強(qiáng)化也是馬氏體強(qiáng)化的一個重要因素，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（時效）的結(jié)果，碳含量

14、越高，時效強(qiáng)化越顯著?！?】 時效強(qiáng)化是由C 原子擴(kuò)散偏聚釘扎位錯引起。因此，如果馬氏體在室溫以上形成，淬火冷卻時又未能抑制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。圖73.6 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的強(qiáng)化作用【9，其表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)位錯與孿晶的彈性交互作用；(2)位錯穿過孿晶構(gòu)成滑移軌跡的曲折；(3)孿晶阻擋位錯運(yùn)動。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【10】， 其強(qiáng)化作用的貢獻(xiàn)與鋼的含碳量關(guān)系密切： 對于碳含量低于0.3%的F

15、e-C合金馬氏體，其亞結(jié)構(gòu)為位錯，主要靠C原子固溶強(qiáng)化，（碳原子釘扎位錯）。碳含量大于0.3%時 ，其亞結(jié)構(gòu)中孿晶的含量增多。由于孿晶對材料的強(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原子釘扎位錯的固溶強(qiáng)化作用越來越大，并且隨著碳含量的增加，馬氏體中的孿晶的相對量越來越多，孿晶對馬氏體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也越來越大，但是當(dāng)碳含量大于0.8%時，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)時效的Fe-Ni-C合金的位錯型馬氏體與孿晶型馬氏體的抗壓強(qiáng)度，在圖中可見，在低碳量范圍內(nèi)，兩者的抗壓強(qiáng)度相差很小，但是隨著碳含量的增加，孿晶型馬氏體的抗壓強(qiáng)度增加較快，兩者的=壓力

16、強(qiáng)度差增大，這說明碳含量增高時，孿晶亞結(jié)構(gòu)對馬氏體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)大。 上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明馬氏體中存在孿晶時 ，對強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。3.8第二相強(qiáng)化1合金第二相一般分為兩大類，包括分散型和集聚型。其形態(tài)如圖 所示。1） 分散型第二相強(qiáng)化第二相為強(qiáng)、硬質(zhì)點(diǎn)分布于晶內(nèi)或晶界上，當(dāng)位錯運(yùn)動到第二相質(zhì)點(diǎn)是產(chǎn)生阻礙作用，提高馬氏體基體的塑性變形抗力，使強(qiáng)度升高。位錯遇到第二相質(zhì)點(diǎn)是有兩種作用機(jī)制：第一種是位錯繞過機(jī)制（第二相粒子的特點(diǎn)不參與變形，與基體不共格），位錯繞過質(zhì)點(diǎn)時只繞過并留下了位錯環(huán)。如圖3所示。這些位錯環(huán)形成應(yīng)力場對位錯運(yùn)動形成一定的阻力，對滑移位錯所售的阻力增大。此外，位錯運(yùn)動的阻力也與第二相的半徑

17、、形狀、分布、數(shù)量有關(guān)： 由公式看出：當(dāng)粒子的體積分?jǐn)?shù)越大，越小則強(qiáng)度越高；當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ拥捏w積分?jǐn)?shù)一定時，粒子半徑約小則粒子數(shù)量越多，越小則強(qiáng)度越高。 圖9 位錯的繞過機(jī)制 第二種是切過機(jī)制（第二相粒子可變形，與基體保持共格），位錯切過第二相是產(chǎn)生以下幾個作用中的幾種提高馬氏體的變形抗力。如圖4所示。（1） 界面強(qiáng)化。位錯切過粒子時，粒子產(chǎn)生寬度為b的表面臺階，由于出現(xiàn)了新的表面積，使總的界面能升高。（2） 反相疇強(qiáng)化。當(dāng)粒子是有序結(jié)構(gòu)時，則位錯切過粒子時會打亂滑移面上下的有序排列，產(chǎn)生反相疇界，引起能量的升高。（3） 層錯強(qiáng)化。當(dāng)粒子的層錯能與基體不同，當(dāng)擴(kuò)展位錯通過后，其寬度會發(fā)生變化，引

18、起能量升高。（4） 共格強(qiáng)化。由于粒子與基體的比體積差別，而且沉淀粒子與母相之間保持共格或半共格結(jié)合，故在粒子周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，此應(yīng)力場與周圍會產(chǎn)生交互作用，對位錯運(yùn)動有阻礙。（5） 錯排強(qiáng)化。由于第二相粒子與基體的晶體點(diǎn)陣不同或至少是點(diǎn)陣常數(shù)不不同，故當(dāng)位錯切過時必然在氣滑移面上造成原子的錯排，需要額外做功，給位錯運(yùn)動帶來困難。（6） 割階強(qiáng)化。由于基體與粒子中的滑移面取向不相一致，則位錯切過后會產(chǎn)生一割階，割階的存在會阻礙整個位錯線的運(yùn)動。 圖10 位錯的切過機(jī)制2） 集聚型第二相強(qiáng)化1當(dāng)將組成合金的兩相晶粒尺寸屬同一數(shù)量級，且都為塑性相時，則合金的變形抗力曲解與兩相的體積分?jǐn)?shù)。作為一級

19、近似，可以分別假設(shè)合金變形時的應(yīng)變相同和應(yīng)力相同。于是，合金在一定的應(yīng)變下的平均流變應(yīng)力和一定應(yīng)力下的平均應(yīng)變可由混合律表述： 式中，1和2分別為兩相的體積分?jǐn)?shù)（1+2=1），1 和2分別為一定應(yīng)變時的兩相流變應(yīng)力，1和2分別為一定應(yīng)力時的兩相應(yīng)變。如圖5所示。 圖11 （a）等應(yīng)力模型（b）等應(yīng)變模型3.7綜合作用效果上述各種強(qiáng)化機(jī)制雖然同是存在于馬氏體中，其強(qiáng)度可以用下式表示： 其中，為材料的原始屈服強(qiáng)度，為材料的固溶強(qiáng)化增量，為材料的第二相強(qiáng)化增量，為時效強(qiáng)化增量， 為材料的相變強(qiáng)化和形變強(qiáng)化引起的位錯強(qiáng)化增量，為材料的晶粒大小引起的強(qiáng)化增量。但是，這些不同機(jī)制對馬氏體的強(qiáng)化效果并不是線