柱状马氏体形态对钢力学性质影响的文献综述

柱状马氏体形态对钢力学性质影响的文献综述

0原实际样品中马氏体组织及亚结构的尺寸分布材料力学的一般内容是材料组织的结构对材料性能的影响。作为一个例子，本文总结了低碳燃烧后对钢的机械性质（主要是强度）的影响。在拙作《马氏体相变与马氏体》中概述了高、低碳钢的马氏体形态,以及奥氏体晶粒大小对马氏体屈服强度的影响,如图1。这是由于奥氏体晶粒大小控制部分马氏体内亚结构的尺寸。马氏体内亚结构的大小实际影响淬火钢的强度。上世纪60年代,由光学显微镜已观察到中碳钢淬火后的组织,在原奥氏体晶粒内,具有相同惯习面的马氏体条组成若干领域(packet),每领域内又有相似位向马氏体条组成、大致平行的若干束(block);束内存在同位向、同变体的条。近来,以电镜(包括电子背散射衍射EBSD,扫描电镜SEM)实验证实这三类层次的组织,显示在Fe-C条状马氏体中,含碳由0.0026%增至0.61%时,随碳含量的增加,领域和束的尺寸减小;在低碳合金(0.0026%～0.38%C)内,一个领域内存在三个平行的束,每束具有不同的位向(近K-S关系,少数为西山N关系),每束内含有两个特定的变体,见图2和图3。领域之间及束之间均为位向差较大(大角度)的界面,条间位向差较小,约10°。原奥氏体晶粒大小对领域大小和束的尺寸会有影响,如图4(图4内列出了领域大小d(μm)随原奥氏体晶粒大小D(μm)的减小而减小的式子,取自文献),决定强度的直接因素应在于原奥氏体晶粒内形成马氏体亚结构的尺寸。本文所述马氏体形态即指三种层次亚结构的尺寸。影响钢的力学性质的因素,除条状马氏体内的位错密度、碳及合金元素固溶强化外,还有α铁的摩擦应力以及马氏体形态对力学性质的贡献。碳的强化可由于固溶强化,增加位错密度(含低碳的Fe-C合金),以及碳与位错的交互作用(Ms在室温以上的Fe-C合金)。回火后还应考虑碳化物之间的距离。1束宽和束宽对自适应的亚束分布1970年,Roberts揭示Fe-Mn合金(0.003%C-4.9%Mn)条状马氏体内的领域尺寸对钢的屈服强度呈Hall-Petch关系;对小角度界面的条,其宽度也呈Hall-Petch关系,但其系数较小。图5中列出Roberts所得的数据。1976年Swarr和Krauss得出淬火Fe-0.2C合金的屈服强度强烈决定于领域大小,呈Hall-Petch关系,如图5所示。Norström于1976年揭示,淬火后Fe-C-Mn和Fe-C-Ni的屈服强度(σ0.2)为马氏体领域大小D的函数,也符合Hall-Petch关系,如图6所示;并提出条状马氏体的屈服强度σy为:式中,σ0为α-铁的摩擦应力,σ1为合金元素的固溶强化,D为领域尺寸,Ky为图中D-1/2vsσ0.2的斜率,d为条宽(0.3μm),Ks为其斜率,ρ0+K(%C)表示马氏体条内位错密度与含碳量之间的线性关系。他估计条界仅贡献强度约150N/mm2;条宽约为常数～0.3μm,Hall-Petch的系数Ks仅2.5N/mm3/2,而5%Ni钢的Ky约8N/mm3/2。Tomita和Okabayashi于1986年认为,控制屈服强度和韧脆转折温度的基本显微组织尺寸为马氏体领域的直径;减小条宽只能使力学性质有少量提高。对马氏体钢,他们提出:式中,σi和Ky为材料常数,dp为领域直径。表1列出几种钢的σi值和Ky值。2005年ICOMAT上Morito等提出:马氏体领域内马氏体束的大小为决定条状马氏体强度的主要因素。他们用光学显微镜、SEM、电子背散射衍射仪(EBSD)及TEM等对Fe-0.2C和Fe-0.2C-2Mn合金作出了新的结果。这两种合金经淬火后所得马氏体领域大小和马氏体束宽均与原奥氏体晶粒大小有关(Fe-0.2C-2Mn条宽均为0.23μm),分别如图7和图8所示。图9(a)和(b)分别表示领域大小和束宽对条状马氏体屈服强度的Hall-Petch关系。表2说明Fe-0.2C-2Mn中原奥氏体晶粒大小仅影响亚束宽度,对条宽、亚束间平均位向差、条间位向差和条内位错密度基本上没有影响。这两种合金中的马氏体束宽都比领域直径小得多,束之间系大角度界面,而且图9(b)显示两类合金比较一致的Hall-Petch系数,因此认为束宽是决定马氏体屈服强度的关键因子。应该说,这一成果在马氏体形态对强度研究上,颇显光彩。我国钢研总院惠卫军等对42CrMoVNb钢的研究也表明,细化奥氏体晶粒使马氏体领域细化,如表3,从而提高了钢的强度及韧性。王春芳等进而对17CrNiMo6钢的研究也得到马氏体束宽对屈服强度具控制作用(也符合Hall-Petch关系)。Inoue等早于1970年就曾指出:细化马氏体领域会改善钢的韧性。近年王春芳等揭示:细化17CrNiMo6钢(0.17C-1.8Cr-1.58Ni-0.23Mo)的马氏体领域会提高钢的强韧性,但对提高韧性更具影响,如图10所示;并指出:当领域直径由129μm被细化至4μm,其LSE(lowershelf-energy,低阶能)将被提高9倍。显示领域间界强烈阻碍脆断,细化领域对韧性及脆性转折温度的影响见图11。回火将使马氏体亚结构粗化(以及碳化物间距变大),致使强度下降。2马氏体条宽的影响Norström关注了马氏体条宽对淬火钢强度的影响。但认为条界仅具小角度的位向差,对强度贡献不大。Tomita和Okabayashi给出一些低合金钢内马氏体条宽对Hall-Petch方程中ky系数的影响,如图12所示。Naylor于1979年揭示:在0.065C-0.97Mn-2.32Cr-0.83Ni-0.19Mo-0.31Si钢中,随马氏体束宽的稍略减小,强度略有增高,但随着领域和条宽的共同减小,会使脆性转折温度显著下降。马氏体条宽不受控于原始奥氏体晶粒大小,一般只能由改变合金成分来改变条宽。上世纪80～90年代,发现稀土元素加入钢中使条宽变窄。1995年我们在0.27C-1Cr钢中加入0.17RE,经电镜测量,马氏体平均条宽由0.37μm减小至0.23μm。其原因可能是稀土降低母相的层错能,提高马氏体的应变能或降低马氏体/奥氏体界面能。马氏体条宽理应决定于马氏体的形核率。形核率越高,条宽越窄,和母相晶粒大小的关系很小(只是由于母相晶粒细化,使强度提高,增加马氏体相变所需驱动力);而合金成分的改变会较大地影响马氏体相变的形核率。按本文作者对超高强度钢的设计,发现0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb(wt%)钢经Q-P-T热处理后,抗拉强度达2160MPa,断后伸长率达11%。这可能是目前含<0.5wt%C、含低合金元素的具相当塑性的高级超高强度马氏体钢。其中,马氏体条外包残留奥氏体量达4%～6%,保证了钢的塑性和韧性,其马氏体条的宽度仅几十nm,比一般钢中条宽(约0.2～0.5μm)低一个数量级,应该说这是保证高强度的重要因素。Q-P-T