淺談板條狀位錯型馬氏體的理論應用

Application of theory of dislocation martensite lath

北京礦冶研究總院丹東冶金機械廠 北京

BGRIMM Dandong Metallurgical Machinery Plant

摘要：板條狀位錯型馬氏體具有優良的綜合機械性能，值得推廣應用。闡述了合金的化學成分與馬氏體形態及其內部結構的關系及其性能特點。

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.

關鍵詞：板條狀位錯型馬氏體；亞結構；強韌化

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和內部精細結構等也跟著變化，這些變化對馬氏本的機械性能會產生很大影響。由于電子顯微鏡技術的發展，揭示了馬氏體的精細結構，使人們對馬氏體的成分、組織結構和性能之間關系有了比較清晰的概念，對馬氏體的形成規律也有了進一步的了解。

1．馬氏體的相變特征

將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）后經迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。人們最早只把鋼中由奧氏體轉變為馬氏體的相變稱為馬氏體相變。由于馬氏體相變時原子規則地發生位移，使新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關系，在鐵基合金中由面心立方母相γ變為體心立方(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有時間擴散出晶胞。當奧氏體到達馬氏體轉變溫度時，馬氏體轉變開始產生，母相奧氏體組織開始不穩定。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變為馬氏體。

2．馬氏體的種類

近年來，隨著薄膜透射電子顯微技術的發展，人們對馬氏體的形態及其精細結構進行了詳細的研究，發現鋼中的馬氏體組織形態雖然是多種多樣，馬氏體的組織形態就其特征而言，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為細長的扁棒狀，在光鏡下為一束束的細條狀組織，每束內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，板條內的亞結構主要是高密度的錯位（ρ=1012/cm2），所以通常也稱之為位錯型馬氏體。

2.2片狀馬氏體

鐵系合金中出現的另一種典型的馬氏體組織是片狀馬氏體，常見于淬火高、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

其它馬氏體形態主要有蝶狀馬氏體、薄片狀馬氏體、ε＇馬氏體。

3．合金的化學成分與馬氏體形態及其內部結構的關系

鋼中合金元素的含量對馬氏體形態有顯著的影響。Fe-C和Fe-Ni合金的馬氏體形態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之間時兩者共存。碳含量小于0.4％的鋼中基本沒有殘留奧氏體，Ms點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

鋼件熱處理強化后的性能與淬火馬氏體的性能有密切的關系。其中最突出的問題是強度和韌性的配合。因此，需要從決定馬氏體強度和韌性的一般規律出發，找出設計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馬氏體的硬度和強度

鋼中馬氏體最主要的特性就是高硬度、高強度，其硬度隨碳含量的增加而升高。但當碳含量達0.6％時，淬火鋼的硬度接近最大值。碳含量進一步增加時雖然馬氏體硬度會有所增高，但由于殘留奧氏體量增加，使鋼的硬度反而會下降。合金元素對馬氏體硬度影響不大。

4.2馬氏體的機械性能與形態及亞結構的關系

淬火和回火馬氏體的硬度與抗拉強度之間存在著線性關系。對屈強比為常數的合金，硬度和屈服強度之間也存在類似關系。Fe-C合金馬氏體的硬度與其屈服強度成良好的線性關系。因此，在研究馬氏體的性能時，常由鋼淬火所測量的硬度來大致估計鋼中馬氏體的強度。

低碳的位錯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。如對碳含量為0.6％的馬氏體即使經低溫回火，沖擊韌性還是很低。對于0.17％C馬氏體當其中孿晶馬氏體量增加2倍以上時，斷裂韌性才顯著下降。而對含碳量0.35％的馬氏體隨孿晶馬氏體量增加，強度直線上升，斷裂韌性直線下降。由此可見，馬氏體的韌性主要決定于它的亞結構。在強度相同的條件下，位錯型馬氏體的韌性比孿晶馬氏體好得多。

綜上所述，馬氏體的強度主要決定于它的碳含量及其組織結構，而馬氏體的韌性主要決定于它的亞結構。低碳的位錯型馬氏體具有相當高的強度和良好的韌性。高碳的孿晶型馬氏體具有高的強度，但韌性很差。因此，以各種途徑來強化馬氏體，但使其亞結構仍保持位錯型，便可兼具強度和韌性。

5．結語

目前，板條狀位錯型馬氏體鋼已經在很多工業部門得到了應用，但應用的廣泛程度遠不如發達國家。這其中主要原因是我國企業對其原理認識不足，當然也有我們的制造工藝水平所限。本人認為可以在以下兩個方面予以應用。可用板條狀位錯型馬氏體鋼替代調質鋼。另外，板條狀位錯型馬氏體鋼(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型馬氏體鋼替代高錳鋼。

6.參考文獻

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[4] 于永泗.機械工程材料. 第八版. 大連：大連理工大學出版社，2010.78-80.

作者簡介

鄭志，男，1975年出生，遼寧丹東人，本科學歷，工程師，現主要從事技術管理工作。