淺談影響鐵碳馬氏體強度的幾種因素

摘 要：淬火可以提高金屬工件的硬度和耐磨性，目前淬火回火鋼在工程領(lǐng)域的應用非常廣泛，含碳馬氏體是淬火回火鋼的主要組織，它的強度直接影響到整個工件的強度，文章簡要的闡述了影響馬氏體強化的幾種因素。

關(guān)鍵詞：馬氏體；強度；影響因素

淬火回火鋼是目前應用非常廣泛的工程材料。淬火鋼的組織是含碳的馬氏體，具有很高的強度。馬氏體的強化因素比較復雜，而且各種因素之間可能互相影響。馬氏體是奧氏體通過無擴散型相變轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體的強化因素有以下幾種。

1 間隙碳原子的固溶強化

固溶在α-Fe中的碳原子對于強化馬氏體起著很重要的作用。只有純凈的馬氏體才能揭示固溶強化效果，并與其他的強化因素分開，即單純的碳在α-Fe中的固溶體，碳原子只能溶解在α-Fe中，不能以其他形式存在，如不能有沉淀相。為此采取一系列不同含碳量的Fe-Ni-C合金，它們的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms約-35℃。當在很低的溫度下進行馬氏體轉(zhuǎn)變時，統(tǒng)計均勻的分布在奧氏體中的碳原子全部保留在新鮮的馬氏體中，而且也是均勻分布的。淬火后立即測量馬氏體的強度，以防止碳的聚集和析出。無論是孿晶馬氏體還是板條馬氏體，屈服強度與[C%（原子）]1/2成正比。這種關(guān)系與均勻固溶強化理論是一致的。碳在α-Fe中形成巨大的點陣畸變。這種點陣畸變形成的應力場與位錯應力場的彈性相互作用，阻礙了位錯運動，產(chǎn)生很大的強化效果。馬氏體中碳的固溶強化是工程合金中固溶強化效果最顯著的一個例子。

2 亞結(jié)構(gòu)強化

馬氏體的亞結(jié)構(gòu)有兩種，含碳量較低的馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度位錯，位錯密度可達1011-1012/cm2，與劇烈變形金屬中的位錯密度相當。含碳較高的馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度的孿晶，孿晶帶的寬度約為50 。這些亞結(jié)構(gòu)強烈地阻礙位錯運動，使馬氏體具有高強度。為了揭示出亞結(jié)構(gòu)強化效果，應排除碳的固溶強化，于是用無碳馬氏體做實驗。選用碳量極低的鐵鉻合金，退火后鐵素體的屈服強度為22kg/mm2，但淬火成無碳馬氏體后的屈服強度為80kg/mm2比退火后冷軋50%鐵素體的屈服強度69kg/mm2還高。這是因為α-Fe的比容比γ-Fe的大，淬火時首先形成的無碳馬氏體α-Fe膨脹，于是收到周圍為轉(zhuǎn)變的γ-Fe的限制，產(chǎn)生巨大的壓力，這種壓力所造成的最大切應力可達100kg/mm2，遠遠超過了α-Fe和γ-Fe的屈服極限。因此α-Fe和γ-Fe都要產(chǎn)生塑性變形，使它們具有高密度的位錯。馬氏體相變時，γ-Fe中的位錯還可“遺傳”給α-Fe。因而淬火后的α-Fe，即無碳馬氏體中含有大量位錯，使馬氏體具有高強度。

3 沉淀強化

在淬火馬氏體中過飽和的碳原子析出形成碳原子叢聚或沉淀相。這種沉淀析出過程進行得很快。因此，幾乎任何在室溫以上形成的馬氏體中都存在這種沉淀物，這是馬氏體高強度的另一個原因。為了辨別出這種強化效果，就要揭示出新生成馬氏體的沉淀析出。這可用馬氏體點很低的Fe-Ni-C合金試驗，它的Ms點大約為-35℃，將它淬入液氮生成馬氏體。而在液氮溫度下立即測量其硬度，這時淬火馬氏體不會發(fā)生分解。然后，將合金在低于100℃的不同溫度下時效，再于液氮溫度下測量其硬度。在-80℃以上溫度時效，使合金的硬度升高。這就是由時效沉淀析出引起的。析出物可能是碳原子的叢聚，也可能是第二相。

如果鋼的Ms點較高，如碳鋼的Ms點在200℃-300℃，淬火時形成的馬氏體在從Ms溫度冷卻到室溫的過程中就能發(fā)生分解析出。所以一般的淬火馬氏體中都有這種沉淀產(chǎn)生物存在。但這種沉淀強化效果與固溶強化相比并不很大。因為純凈的沒有沉淀物的馬氏體的強度已經(jīng)很高。塑性變形可以促進馬氏體中的沉淀析出。塑性變形使位錯密度增高，碳原子向位錯周圍叢聚，從而促進了沉淀析出。在測量硬度和做拉伸試驗時，試樣要發(fā)生塑性變形，這促進了馬氏體的分解，析出沉淀物，使馬氏體具有高強度。這說明馬氏體具有很大的形變強化趨勢。這在淬火馬氏體拉伸曲線的起始部分明顯地表現(xiàn)出來。

4 晶粒細化強化

晶粒度對于馬氏體強度的影響也符合Hall-Petch關(guān)系。但是，馬氏體組織很復雜，它的晶粒度難以確定。實驗表明，馬氏體的屈服強度隨馬氏片尺寸的減小而增加。馬氏體晶粒的尺寸受奧氏體晶粒控制。當晶粒直徑大于0.01mm時，晶粒細化的強度效果很小。淬火前都希望得到細小的奧氏體晶粒。

參考文獻

[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海科技出版社，1983.

[2]王德尊.金屬力學性能[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，1993.

[3]周澍，張柯，顧劍鋒，等.淬火-碳分配-回火鋼的低溫組織和性能[J].材料熱處理學報，2012（6）.

[4]張慧杰，李鴻美，項金鐘，等.高強度超低碳馬氏體鋼的強化機理[J].上海金屬，2010（2）.

[5]貢海.馬氏體及其形態(tài)控制因素[J].金屬熱處理，1981（1）.

作者簡介：龐勃（1980，6-），男，籍貫：吉林省松原市，講師，碩士，主要研究方向：金屬材料。endprint