马氏体强化机制

1、2012春季学期材料力学性能课程论文院 （系）材料科学与工程专 业材料科学与工程学 生唐骜学 号 1091900101班 号 0919001铁碳马氏体的强化机制唐骜1091900101摘要：本文以铁碳马氏体的组织形貌以及马氏体转变过程为出发点，引述了马氏体的 主要强韧化机制。并通过引用各学者的实验结论，得到了铁碳马氏体的强韧化机理。关键词：马氏体，强韧化机制，高强度钢，低碳钢，时效1. 马氏体概述马氏体（martensite）是黑色金属材料的一种组织名称。将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。马氏体最先由德国冶金学家Adolf Marten

2、s（1850-1914） 于19世纪90年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有片状（plate）或者板条状（lath），但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（needle-shaped ），这也是为什么在一些地方通常描述为针状的 原因。马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT。中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识， 又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，如:Ce、Co Hf、Hg La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和 Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu

3、-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、 In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。2. 马氏体相变特征马氏体转变的一般定义为：过冷奥氏体以较快的速度冷却，抑制其扩散性分解，在较低的温度下发生的无扩散型相变称为马氏体相变。其主要特点有以下几点：（1） 马氏体相变是无扩散相变。马氏体相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体 相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移，这种位移是切变式的。原子位移的结果产生点阵应变（或形变）。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。

4、（2）产生表面相变时浮突。马氏体形状改变使先经抛光的试样表面形成浮突。马氏体形成时，与马氏体相交的表面上发生倾动，在干涉显微镜下可见到浮突的高度以 及完整尖锐的边缘。（3） 新相（马氏体）和母相之间始终保持一定的位向关系。马氏体相变时在一定的 母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在奥氏体（丫）的 135上最先形成。马氏体形成时和母相的界面上存在 大的应变。为了部分地减低这种应变能，会发生辅助的变形，使界面改变。由于马氏体相变时原子规则地发生位移，使新相（马氏体）和母相之间始终保持一定的位向关系。（4）马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度

5、开始转变为马氏体，把这温度标作Ms,加热时马氏体逆变为母相，开始逆变的温度标为As。（5） 马氏体转变是在一个温度范围内完成的。当奥氏体到达马氏体转变温度（Ms）时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。在Ms以下某温度保持不变时，少部分的奥氏体组织迅速转变，但不会继续。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体 才转变为马氏体。最后，温度到达马氏体转变结束温度Mf,马氏体转变结束。3. 马氏体的强化机制金属的强化机制大致可分为固溶强化机制、第二相强化、形变强化及细晶强化等。近年来对马氏体高强度、高硬度的本质进行了大量研究，认为马氏体的高强度、高硬度是多种强化机制综合作用的结果。主要的强化机制

6、包括：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化 和细晶强化等。3.1相变强化马氏体相变的强化重庆316L不锈钢管研究认为：在不锈钢中具有最高硬度的SUS440（2（13Cr-IC）（640-7001V）属于马氏体系不锈钢， 马氏体组织的结构非常微细，而且在其内部存在高密度的位错，若使碳过饱和固溶还能提高强度。另方面，经过最后的回火处理可以得到碳化物等析出物弥散细微分布的组织。马氏体系不锈钢用固溶碳量和加火处理可以调整其强度。例如，SUS420J2（13Cr-O . 3C）从iOOOC的高温奥氏体区急冷时，发生固溶0. 3%C的马氏体相变，再经回火热处理就会使碳化物等析出物呈微细弥散分布。其强度可

7、达到约550HV3.2细晶强化人们早己知道晶粒大小影响金属强度。铁素体晶粒大小对退火的软钢屈服强度的影响， 可以看出晶粒直径d与屈服强度间有着直线关系，晶粒越细屈服强度越高。这种屈服强度与 晶粒大小间的关系称霍尔佩琪法则，因变形在晶粒内运动的位错在晶界其运动被阻，所以晶界大量存在的细晶粒材料，其强度很高。前述的固溶强化、析出强化及加工硬化若过分提高强度，则会使韧性受损。所以，有时根据加工、使用条件使强度有一定限制。另一方面，当 晶粒细化时不但不损坏韧性，而且还能提高强度。 现在，对钢铁材料的晶粒细化的研究非常盛行，并以“超级金属的技术开发。为题进行着开发，通常不锈钢的晶粒直径为数十微米， 但在

8、这些课题中正在研究一种制造方法，使金属晶粒有1/100到数百毫微米（nm）,例如，晶粒直径为300nm的奥氏体系不锈钢其拉伸强度为1100 N/ mm2约是通常粒径材料的 2倍。为了能在不损害韧性的前提下得到高强度，对这种方法寄予了很大的希望。在JIS规定的不锈钢中存在具有微细组织的不锈钢，这是把不同组织复合的双相系不锈钢。 SUS329J4L（25Cr 6Ni 3Mo- N）具有在铁素体母相中分布着岛状奥氏体相的组织，由于为复合组织故各组织很细微。 另外，由于加入了氮使之固溶强化提高了强度，耐点蚀性也得到改善。由于晶粒细化和固溶强化的复合作用，使得双相钢的屈服强度等强度特性好于奥氏体系和铁索

9、体系。3.3 固溶强化纯金属由于强度低 , 很少用作结构材料 , 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。 合金组 元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体 , 其 强度、硬度将升高而塑性将降低 , 这个现象称为固溶强化。 固溶强化的机制是 : 金属材料的 变形主要是依靠位错滑移完成的 , 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增 大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后 , 不仅使晶格发生畸变 , 同时使位错密度增加。实验结果表明， 在碳含量小于 0.4%时，马氏体的屈服强度随碳含量增加而升高；碳含量大于0.4%时，马氏体的屈服强度不

10、再增加。 这一现象的普遍解释为， 固溶的间隙 C 原子处于 Fe 原子组成的八面体的中心位置，马氏体中的八面体为扁八面体（奥氏体中为正八面体） ， C 原子溶入后形成以 C 原子为中心的畸变偶极应力场，该应力场与位错产生强烈的交互作 用，令位错运动使马氏体强度升高。 当含碳量高于 0.4%时， C 原子间距太近， 产生的畸变偶 极应力场彼此抵消，降低了强化效果。3.4 形变强化生产金属材料的主要方法是塑性加工 , 即在外力作用下使金属材料发生塑性变形 , 使 其具有预期的性能、 形状和尺寸。 在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形。 金属材料 在冷变形过程中强度将逐渐升高 , 这一现象称为形

11、变强化。钢变形时给结晶加上了剪断应力， 在位错运动的同时， 给结晶导入了大量的位错。 加工 硬化加工轧制和拔丝这种塑性变形使晶体内的位错密度增加，是强化钢的方法。据重庆 304 不锈钢卷板研究证明这种加工硬化作用奥氏体系比铁素体系大得多。 在 18Cr-8Ni 组成的亚稳 定奥氏体系， 因位错密度增大的硬化和马氏体的生成 （ 加工引起相变 ） 容易得到高强度。 利用 加工硬化的材料称硬化材，其强度可根据轧制率的变化按H（硬级）、3/4H和1 /2H的强度水平划分， SUS 301（17Cr-TNi） 硬化材在家庭电器机械的压簧和汽车的引擎垫圈、通信机械的 连接器材等板弹簧制品方面使用非常普及。

12、 由加工硬化引起的马氏体具有磁性，所以 SUS301和 SUS 304 的 硬 化 材 也 有 磁 性 。 非 磁 性 的 弹 簧 用 材 料 有 含 高 锰 的 不 锈 钢 AISl205（17Cr-15Mn-1 5Ni-O35N） ，该钢是用锰取代了 SUS 301中的镍，由于其性质的不 同，可以固溶更多的氮。 就是说， 可以得到前述的固溶强化的效果。 在固溶化处理状态下 SUS 304的硬度约1801tV，而AISI 205的硬度约2701V，再进行加工时可发现显著的加工硬化特 性。所有钢种随着压下率增加的同时，硬度也上升。3.5 时效强化时效强化也是马氏体强化的一个重要因素， 马氏体相

13、变是无扩散相变， 但在马氏体形成 后，马氏体中的碳原子的偏聚 (马氏体自回火) 就能发生， 碳原子发生偏聚 (时效) 的结果， 碳含量越高，时效强化越显著。时效强化是由 C 原子扩散偏聚钉扎位错引起。 因此， 如果马氏体在室温以上形成， 淬火 冷却时又未能抑制 C 原子的扩散， 则在淬火至室温途中 C 原子扩散偏聚已自然形成， 而呈现 时效。所以，对于 MS 高于室温的钢，在通常淬火冷却条件下，淬火过程即伴随自回火。3.6 亚结构强化亚结构强化主要指孪晶或层错的强化作用，其表现在以下几个方面：(1) 位错与孪晶的弹性交互作用；(2) 位错穿过孪晶构成滑移轨迹的曲折；(3) 孪晶阻挡位错运动。应

14、当指出， 孪晶的强化， 据认为是由于碳原子在孪晶界面上的偏聚所造成的， 其强化作 用的贡献与钢的含碳量关系密切： 当碳含量小于 0.3%时，马氏体的强化主要寄托于间隙原子 的固溶强化；当碳含量为 0.3%-0.6% 时，马氏体强度的提高除得益于固溶强化外，还可有孪 晶和位错亚结构的强化贡献；当碳含量大于0.6%时，孪晶的强化作用显得很弱。结论：马氏体由于其高强度，高硬度在很多领域都有广泛的应用。我们在应用马氏体 的同时， 要了解马氏体的强化机制， 从而通过不同机制对马氏体强度的影响， 找到提高马氏 体强度的方法。 结果表明， 马氏体之所以有高硬度， 高强度是多种强化机制的综合作用结果。 其强化机制包括相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化和细晶强化等。各种强化机制相 互作用，相互促进