淺談板條狀位錯(cuò)型馬氏體的理論應(yīng)用

Application of theory of dislocation martensite lath

北京礦冶研究總院丹東冶金機(jī)械廠 北京

BGRIMM Dandong Metallurgical Machinery Plant

摘要：板條狀位錯(cuò)型馬氏體具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，值得推廣應(yīng)用。闡述了合金的化學(xué)成分與馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系及其性能特點(diǎn)。

Abstract: Lath dislocation martensite good comprehensive mechanical properties, it is worthy of popularization and application. Discusses the relationship between the chemical composition of the alloy and martensitic morphology and internal structure and performance characteristics.

關(guān)鍵詞：板條狀位錯(cuò)型馬氏體；亞結(jié)構(gòu)；強(qiáng)韌化

Key words: Dislocation martensite lath; Sub structure; strengthening and toughening

馬氏體是鋼和一些鐵合金的重要的基本組織。隨著合金種類和成份的變化馬氏體的形態(tài)和內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)等也跟著變化，這些變化對(duì)馬氏本的機(jī)械性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。由于電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，揭示了馬氏體的精細(xì)結(jié)構(gòu)，使人們對(duì)馬氏體的成分、組織結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系有了比較清晰的概念，對(duì)馬氏體的形成規(guī)律也有了進(jìn)一步的了解。

1．馬氏體的相變特征

將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經(jīng)迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強(qiáng)的一種淬火組織。人們最早只把鋼中由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。由于馬氏體相變時(shí)原子規(guī)則地發(fā)生位移，使新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關(guān)系，在鐵基合金中由面心立方母相γ變?yōu)轶w心立方(正方)馬氏體由奧氏體急速冷卻（淬火）形成，這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒(méi)有時(shí)間擴(kuò)散出晶胞。當(dāng)奧氏體到達(dá)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始產(chǎn)生，母相奧氏體組織開(kāi)始不穩(wěn)定。只有當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，更多的奧氏體才轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

2．馬氏體的種類

近年來(lái)，隨著薄膜透射電子顯微技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)馬氏體的形態(tài)及其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)鋼中的馬氏體組織形態(tài)雖然是多種多樣，馬氏體的組織形態(tài)就其特征而言，大體上可分為以下幾類。

2.1板條狀馬氏體

板條狀馬氏體是低、中碳鋼，馬氏體時(shí)效鋼，不銹鋼等鐵系合金中形成的一種典型的馬氏體組織。因其顯微組織是由許多成群的板條組成，故稱為板條狀馬氏體。板條狀馬氏體的立體形態(tài)為細(xì)長(zhǎng)的扁棒狀，在光鏡下為一束束的細(xì)條狀組織，每束內(nèi)條與條之間尺寸大致相同并呈平行排列。在透射電鏡下觀察表明，板條內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)主要是高密度的錯(cuò)位（ρ=1012/cm2），所以通常也稱之為位錯(cuò)型馬氏體。

2.2片狀馬氏體

鐵系合金中出現(xiàn)的另一種典型的馬氏體組織是片狀馬氏體，常見(jiàn)于淬火高、中碳鋼及高Ni的Fe-Ni合金中。這種馬氏體的空間形態(tài)呈雙凸透鏡片狀，所以稱之為透鏡片狀馬氏體。

2.3其它馬氏體形態(tài)

其它馬氏體形態(tài)主要有蝶狀馬氏體、薄片狀馬氏體、ε＇馬氏體。

3．合金的化學(xué)成分與馬氏體形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系

鋼中合金元素的含量對(duì)馬氏體形態(tài)有顯著的影響。Fe-C和Fe-Ni合金的馬氏體形態(tài)隨合金含量的增加而從板條狀變成為片狀即為典型的例子。例如Fe-C合金中，0.3％C以下為板條狀，1％C以上為片狀，0.3～1.0％C之間時(shí)兩者共存。碳含量小于0.4％的鋼中基本沒(méi)有殘留奧氏體，Ms點(diǎn)隨碳含量的增高而下降，而孿晶馬氏體量和殘留奧氏體量則隨之升高。

4．馬氏體的性能

鋼件熱處理強(qiáng)化后的性能與淬火馬氏體的性能有密切的關(guān)系。其中最突出的問(wèn)題是強(qiáng)度和韌性的配合。因此，需要從決定馬氏體強(qiáng)度和韌性的一般規(guī)律出發(fā)，找出設(shè)計(jì)或選用新的鋼種以及制訂合適的熱處理工藝的一些基本原則。

4.1馬氏體的硬度和強(qiáng)度

鋼中馬氏體最主要的特性就是高硬度、高強(qiáng)度，其硬度隨碳含量的增加而升高。但當(dāng)碳含量達(dá)0.6％時(shí)，淬火鋼的硬度接近最大值。碳含量進(jìn)一步增加時(shí)雖然馬氏體硬度會(huì)有所增高，但由于殘留奧氏體量增加，使鋼的硬度反而會(huì)下降。合金元素對(duì)馬氏體硬度影響不大。

4.2馬氏體的機(jī)械性能與形態(tài)及亞結(jié)構(gòu)的關(guān)系

淬火和回火馬氏體的硬度與抗拉強(qiáng)度之間存在著線性關(guān)系。對(duì)屈強(qiáng)比為常數(shù)的合金，硬度和屈服強(qiáng)度之間也存在類似關(guān)系。Fe-C合金馬氏體的硬度與其屈服強(qiáng)度成良好的線性關(guān)系。因此，在研究馬氏體的性能時(shí)，常由鋼淬火所測(cè)量的硬度來(lái)大致估計(jì)鋼中馬氏體的強(qiáng)度。

低碳的位錯(cuò)型馬氏體具有良好的韌性，隨其碳含量的增加，韌性顯著下降。如對(duì)碳含量為0.6％的馬氏體即使經(jīng)低溫回火，沖擊韌性還是很低。對(duì)于0.17％C馬氏體當(dāng)其中孿晶馬氏體量增加2倍以上時(shí)，斷裂韌性才顯著下降。而對(duì)含碳量0.35％的馬氏體隨孿晶馬氏體量增加，強(qiáng)度直線上升，斷裂韌性直線下降。由此可見(jiàn)，馬氏體的韌性主要決定于它的亞結(jié)構(gòu)。在強(qiáng)度相同的條件下，位錯(cuò)型馬氏體的韌性比孿晶馬氏體好得多。

綜上所述，馬氏體的強(qiáng)度主要決定于它的碳含量及其組織結(jié)構(gòu)，而馬氏體的韌性主要決定于它的亞結(jié)構(gòu)。低碳的位錯(cuò)型馬氏體具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的韌性。高碳的孿晶型馬氏體具有高的強(qiáng)度，但韌性很差。因此，以各種途徑來(lái)強(qiáng)化馬氏體，但使其亞結(jié)構(gòu)仍保持位錯(cuò)型，便可兼具強(qiáng)度和韌性。

5．結(jié)語(yǔ)

目前，板條狀位錯(cuò)型馬氏體鋼已經(jīng)在很多工業(yè)部門(mén)得到了應(yīng)用，但應(yīng)用的廣泛程度遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國(guó)家。這其中主要原因是我國(guó)企業(yè)對(duì)其原理認(rèn)識(shí)不足，當(dāng)然也有我們的制造工藝水平所限。本人認(rèn)為可以在以下兩個(gè)方面予以應(yīng)用?？捎冒鍡l狀位錯(cuò)型馬氏體鋼替代調(diào)質(zhì)鋼。另外，板條狀位錯(cuò)型馬氏體鋼(HRC40～50)是一種韌性較高錳鋼稍差，但硬度較高錳鋼高出許多，在適宜的情況下可用板條狀位錯(cuò)型馬氏體鋼替代高錳鋼。

6.參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

鄭志，男，1975年出生，遼寧丹東人，本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)主要從事技術(shù)管理工作。