高碳鋼中馬氏體的組織結(jié)構(gòu)及形成機(jī)制

計(jì)云萍，劉宗昌，任慧平，鄭雪芹

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，包頭014010；2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)公司動(dòng)力能源公司，包頭014010）

0 引 言

碳含量不同的鋼淬火后獲得的馬氏體組織結(jié)構(gòu)不同，而且?jiàn)W氏體晶粒的尺寸不等、成分均勻性不同時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的組織形貌也不相同。工業(yè)用鋼淬火馬氏體組織結(jié)構(gòu)的研究已有百余年的歷史，且取得了豐碩的成果，但由于鋼的成分、加熱溫度、淬火冷卻方式不同，得到的馬氏體組織形貌形形色色，亞結(jié)構(gòu)也極為復(fù)雜，至今觀察分析尚不夠全面。深入觀察馬氏體的組織形貌與亞結(jié)構(gòu)是研究馬氏體相變機(jī)制的重要試驗(yàn)方法；另外，組織結(jié)構(gòu)與使用性能密切相關(guān)，因此，研究馬氏體的組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

在工業(yè)常用的淬火溫度下，鋼中馬氏體組織細(xì)小，在光學(xué)顯微鏡下一般難以看清或分辨出組織形貌，需要升高淬火加熱溫度，或在掃描電鏡、透射電鏡下才能分辨其組織結(jié)構(gòu)特征。此外，高碳鋼或過(guò)共析鋼在Ac1～Accm之間加熱后呈現(xiàn)奧氏體和未溶碳化物的組織狀態(tài)，淬火后得到隱晶馬氏體組織，在光學(xué)顯微鏡下觀察時(shí)除了卵石狀未溶碳化物外，看不到馬氏體的真實(shí)面貌。而有關(guān)隱晶馬氏體組織的電鏡觀察與形成機(jī)制的研究報(bào)道也較少。為此，作者將不同的幾種工業(yè)用高碳鋼加熱淬火后獲得了馬氏體組織，采用掃描電鏡和透射電鏡觀察其組織形貌與亞結(jié)構(gòu)，并探討其形成機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn) 材 料 為 60Si2CrV、CrWMn、Mn13 和GCr15 4種常用高碳鋼，將其分別在不同的加熱溫度下淬火，然后采用Axiovert 25CA型蔡司光學(xué)顯微鏡（OM）、QUANTA－400型環(huán)境掃描電鏡（SEM）和JEM－2100型透射電鏡（TEM）觀察馬氏體的組織形貌、亞結(jié)構(gòu)，分析形核長(zhǎng)大機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 馬氏體的組織形貌與亞結(jié)構(gòu)

將60Si2CrV鋼于1 200℃加熱淬火后得到了粗大的片狀馬氏體組織，馬氏體片細(xì)長(zhǎng)互成不同夾角分布，顯然是沿著某些界面長(zhǎng)大的，如圖1（a）所示；馬氏體片中存在孿晶和高密度位錯(cuò)，其中孿晶片薄厚不等，長(zhǎng)短不一，如圖1（b）所示。

圖1 60Si2CrV鋼于1 200℃淬火后的馬氏體組織Fig.1 OM （a）and TEM （b）morphology of martensite after 60Si2CrV steel quenching at 1 200℃

將CrWMn鋼于1 100℃高溫加熱淬火，得到了典型的片狀馬氏體組織，馬氏體片存在中脊，片間夾雜著殘留奧氏體，如圖2（a）所示；馬氏體片中存在孿晶和高密度位錯(cuò)，其中孿晶片薄厚不等，長(zhǎng)短不一，如圖2（b）所示。

圖2 CrWMn鋼于1 100℃淬火后的馬氏體組織Fig.2 Morphology of martensite after CrWMn steel quenching at 1 100℃：（a）OM morphology of plate martensite and（b）TEM morphology of twin crystal and tangled dislocation in martensite piece

將Mn13鋼加熱到1 050℃奧氏體化并保溫10min，然后爐冷到700℃保溫2h，隨后水淬，得到箭狀或片狀的馬氏體組織，如圖3所示，可見(jiàn)，馬氏體內(nèi)部存在精細(xì)孿晶，孿晶片厚度不等，片間距為50～100nm，其周圍是殘留奧氏體，奧氏體內(nèi)沒(méi)有觀察到高密度位錯(cuò)。

圖3 Mn13鋼淬火后馬氏體組織的TEM形貌Fig.3 TEM morphology of martensite after Mn13steel quenching

將GCr15鋼加熱到850℃奧氏體化，保溫之后在150℃熱油中淬火，冷卻后得到隱晶馬氏體組織。由圖4（a）可見(jiàn)，灰白色的基體為馬氏體，其上分布著碳化物顆粒。由圖4（b）可見(jiàn)，馬氏體片形狀不規(guī)則，大小不等，排列混亂，組織中白色卵石狀顆粒為未溶滲碳體。GCr15鋼馬氏體形成溫度（Ms）約為230℃，油淬冷卻到150℃時(shí)得到變溫馬氏體，在等溫過(guò)程中，變溫馬氏體被回火成為回火馬氏體，然后再冷卻到室溫的過(guò)程中又得到一部分馬氏體。圖中黑色的馬氏體片為回火馬氏體，灰白色的是未被回火馬氏體。由圖4（c）可見(jiàn)，GCr15鋼淬火馬氏體為隱晶馬氏體，呈片狀，其實(shí)際上也是片狀馬氏體，但馬氏體片界面不清晰，形狀不規(guī)則，分布混亂，未溶碳化物分布在馬氏體基體上。

圖4 GCr15鋼淬火后的隱晶馬氏體組織Fig.4 OM （a），SEM （b）and TEM （c）morphology of cryptocrystalline martensite after GCr15steel quenching

2.2 馬氏體的形核長(zhǎng)大

將60Si2CrV鋼于950℃奧氏體化后冷卻到260℃等溫3min，然后淬火到室溫，獲得的馬氏體組織形貌如圖5（a）所示，可見(jiàn)，馬氏體片沿著奧氏體晶界優(yōu)先形核，且主要沿著晶界長(zhǎng)大，也有部分沿晶內(nèi)長(zhǎng)大。淬火過(guò)程中優(yōu)先沿原奧氏體晶界形成的少量變溫馬氏體在等溫過(guò)程中被回火，經(jīng)硝酸酒精腐蝕后，在掃描電鏡下觀察呈黑色，其余的淬火馬氏體為灰白色。

圖5 不同鋼中的馬氏體片在晶界上形核長(zhǎng)大Fig.5 Nucleation and growth of martensite along crystal grain boundary of 60Si2CrV steel（a）and GCr15steel（b）

將GCr15鋼加熱到1 100℃，保溫后淬火到120℃的熱油中并等溫30min，然后再空冷到室溫，獲得的馬氏體組織如圖5（b）所示，可見(jiàn)，馬氏體片既在原奧氏體晶界上形核長(zhǎng)大，也在晶內(nèi)形核長(zhǎng)大。由于在120℃等溫過(guò)程中變溫馬氏體被回火，因此經(jīng)硝酸酒精腐蝕后呈黑色，等溫后冷卻得到的馬氏體為灰白色。

將4mm厚的Mn13鋼薄試樣加熱到1050℃，保溫10min，然后爐冷到700℃保溫2h，之后水淬，得到馬氏體組織，圖6是Mn13鋼馬氏體在孿晶界面上形核長(zhǎng)大的SEM形貌，可見(jiàn)，馬氏體片在孿晶界面上形成，向?qū)\晶內(nèi)沿著某晶面長(zhǎng)大，呈片狀，且交角相遇分布，馬氏體片不能跨越孿晶界面。

圖6 Mn13鋼中馬氏體在孿晶界面上形核長(zhǎng)大的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of martensite nucleation and growth at twin crystal interface of Mn13steel

將GC15鋼加熱到850℃奧氏體化，保溫之后在150℃熱油中淬火，冷卻后得到隱晶馬氏體組織，如圖7所示，其中M1為首先在大顆粒滲碳體周圍（即奧氏體A／Fe3C相界面）形核長(zhǎng)大的馬氏體，M2為冷卻到室溫過(guò)程中形成的馬氏體，先形成的馬氏體片在150℃熱油中經(jīng)等溫回火而呈黑色。由于大顆粒碳化物周圍的奧氏體中碳含量低，該微區(qū)具有較高的馬氏體形成溫度，因此在變溫轉(zhuǎn)變中首先形成馬氏體片。

圖7 GCr15鋼中隱晶馬氏體在相界面形核的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of cryptocrystalline martensite nucleation at phase interface of GCr15steel

總之，高碳鋼中馬氏體既可以在奧氏體晶粒內(nèi)部形核，也可以在奧氏體晶界、孿晶界面及相界面等處形核。

2.3 馬氏體的形成機(jī)制

高碳鋼中馬氏體為片狀馬氏體，工業(yè)用工具鋼、軸承鋼等零件淬火后通常會(huì)獲得隱晶馬氏體（片狀馬氏體）；高碳鋼馬氏體的亞結(jié)構(gòu)以孿晶為主，但也有高密度的位錯(cuò)。

大量的試驗(yàn)研究表明，馬氏體形核為非均勻形核，馬氏體可在位錯(cuò)、晶界、孿晶界面、表面和相界面等各種晶體缺陷處形核［1－2］，符合固態(tài)相變形核的一般規(guī)律。劉宗昌等指出［3－5］，切變機(jī)制不能解釋馬氏體在晶界、孿晶界面和相界面上的形核長(zhǎng)大過(guò)程，也不符合省能原則。過(guò)冷奧氏體從高溫區(qū)到低溫區(qū)的轉(zhuǎn)變是一個(gè)復(fù)雜的整合系統(tǒng)，是一個(gè)逐級(jí)演化的過(guò)程，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形核機(jī)制也應(yīng)當(dāng)是逐漸演化的。馬氏體形核是無(wú)擴(kuò)散型原子集體協(xié)同位移的過(guò)程［6］。

新相的形核－長(zhǎng)大是遵循能量消耗最小原則進(jìn)行的。新相形成時(shí)，在新相周圍的母相中會(huì)引發(fā)應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生畸變能，成為相變阻力。無(wú)論是共格畸變能，還是非共格畸變能，其大小均隨新舊相錯(cuò)配度的增大和母相彈性模量（E）的增大而增大，因此會(huì)影響新相的形狀。

馬氏體相變時(shí)的應(yīng)變能是造成馬氏體組織呈現(xiàn)不同形貌的根本原因［7－8］。對(duì)于馬氏體中高密度纏結(jié)位錯(cuò)和孿晶等亞結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，一般認(rèn)為是母相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)的切變所致。按照科學(xué)技術(shù)哲學(xué)的觀點(diǎn)［9］，馬氏體中亞結(jié)構(gòu)的形成是系統(tǒng)自組織的結(jié)果。自然界任何自然事物的演化都遵循省能的原則。就過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而言，為了減少應(yīng)變能阻力，馬氏體晶核以一定的位向關(guān)系，沿著母相的某一晶面、晶向長(zhǎng)大。在馬氏體晶格擴(kuò)展過(guò)程中，系統(tǒng)自組織的結(jié)果形成了位錯(cuò)、層錯(cuò)和孿晶等亞結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)轉(zhuǎn)變的自身?xiàng)l件、環(huán)境因素選擇形成亞結(jié)構(gòu)的類型。

馬氏體相變是一級(jí)相變，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)體積膨脹，新生成的馬氏體相承受壓應(yīng)力，母相承受拉應(yīng)力，相變過(guò)程中將引起體積應(yīng)變能的增加。新舊相的錯(cuò)配度與溫度變化無(wú)關(guān)，而與馬氏體的成分有關(guān)。彈性模量是溫度敏感的物理量，溫度降低時(shí)，彈性模量迅速提高［10］。馬氏體轉(zhuǎn)變溫度越低，金屬的彈性模量越大，體積應(yīng)變能越大。

馬氏體相變過(guò)程中，碳含量低時(shí)，馬氏體形成溫度較高，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較高，原子活動(dòng)能力強(qiáng)，彈性模量較小，新相形成時(shí)引起的畸變能較小，故形成板條狀的位錯(cuò)馬氏體。隨著碳含量的增加，馬氏體形成溫度降低，在連續(xù)冷卻條件下，冷卻速率增大，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，畸變能不斷增大，馬氏體的形貌由板條狀向片狀演化；隨著畸變能的增加，在馬氏體長(zhǎng)大的過(guò)程中，若改變長(zhǎng)大方向，按照鏡面對(duì)稱的方向長(zhǎng)大，則可降低、調(diào)整應(yīng)變能，亞結(jié)構(gòu)則從位錯(cuò)型過(guò)渡到孿晶型。這些均與應(yīng)變能的變化密切相關(guān)。

分析認(rèn)為，隱晶馬氏體的形成與高碳鋼在臨界區(qū)（Ac1～Accm）加熱得到特殊的奧氏體狀態(tài)有關(guān)，在該溫度區(qū)間，奧氏體成分不均勻、晶粒細(xì)小，碳化物未能完全溶解，得到細(xì)小的奧氏體晶粒和大量彌散的未溶碳化物，其中奧氏體中的碳含量分布極不均勻。碳含量不等，再加上合金元素分布不均勻，故各個(gè)微區(qū)中馬氏體的形成溫度不等，馬氏體片的形成有先有后，其長(zhǎng)大也受限制，剛剛形成即終止，難以長(zhǎng)大為尺寸較大的馬氏體片。由于各個(gè)馬氏體片之間的界面不是很清晰，在光學(xué)顯微鏡下就呈現(xiàn)為“隱晶”形貌。

3 結(jié) 論

（1）高碳鋼中馬氏體為片狀馬氏體，隱晶馬氏體實(shí)際上也是片狀馬氏體；高碳鋼馬氏體的亞結(jié)構(gòu)以孿晶為主，但也有高密度的位錯(cuò)。

（2）高碳鋼中的馬氏體可在奧氏體晶粒內(nèi)部形核，也可在奧氏體晶界、孿晶界面及相界面等處形核，符合固態(tài)相變形核的一般規(guī)律。

（3）馬氏體相變時(shí)的體積應(yīng)變能是影響馬氏體組織形貌的根本原因，奧氏體晶粒內(nèi)成分不均勻，各微區(qū)馬氏體形成溫度存在差異，是造成馬氏體“隱晶”的原因；馬氏體亞結(jié)構(gòu)的形成是馬氏體相變過(guò)程中系統(tǒng)自組織的結(jié)果，與體積應(yīng)變能的變化密切相關(guān)；隨著鋼中碳含量的增加，馬氏體形成溫度降低，應(yīng)變能增加，組織形貌逐漸演化為片狀，形成相應(yīng)的亞結(jié)構(gòu)也是為了調(diào)節(jié)應(yīng)變能。

致謝：感謝內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)——“高附加值鋼鐵材料成型及組織控制團(tuán)隊(duì)”的支持。

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