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机械男——介绍热处理过程相变组织之一马氏体

热处理 jixienan 6个月前 (01-26) 231次浏览 0个评论

马氏体

今天主要通过王昆林主编的一本书《材料工程基础》,来认识热处理过程中的两大相变组织之一,马氏体。

先来认识下马氏体组织的两种不同的类型:板条马氏体(也叫带状马氏体,错位马氏体)和透镜马氏体(也叫片状马氏体,针状马氏体或者孪晶马氏体)。

下图左为板条马氏体,右为透镜马氏体。

    板条马氏体     透镜马氏体 

什么是马氏体。

一般认为,马氏体是由奥氏体晶格基础上,沿一定镜面,铁原子集体移动(不超过一个原子间距),使面心立方改组为体心正方晶体,碳原子原地不动,过饱和的留存于a铁中的过饱和固溶体。注意,马氏体是体心正方晶格,不同于铁素体的体心立方晶格。如下图:

因此,马氏体的含碳量可以很高。换句话说,就是母相奥氏体的含碳量有多少,最后形成的马氏体含碳量就能达到多少。含碳量越高,晶格畸变越严重,错位强度越高。

实验证明,马氏体片是以两相交界面为中心发生倾斜,并不发生旋转。于是,马氏体相变过程中,不但会发生体积变化,同时,也会发生形状的改变。比如在抛光的表面产生浮凸或者倾动,并使周围基体畸变。如果预先在抛光的表面划上直线刻痕,就会在相界处出现连续的折线。

马氏体有两种基本组织,其形成过程是截然不同的,也因此产生了不同的机械性能。

马氏体相变的过程有两种,即滑移和孪生。这两个过程受温度影响,外力影响,含碳量影响。

如果点阵不变,形变时滑移,那么最终得到的是板条马氏体。而如果是孪生,得到的则是透镜马氏体。一般来说,在低碳钢和低镍合金中,产生的是板条马氏体。而高碳钢和高于37%的铁镍合金里,产生的是透镜马氏体。

在显微组织里,比如上面贴出的晶相图左,我们可以看到,板条马氏体往往在一个原奥氏体晶粒内可以形成几个位向不同的晶区。一个晶区也可被几个马氏体板条分割,每个马氏体板条束由排列成束状的细长板条组成。有时,晶区也可以由两种不同的板条束组成。同一晶区内的不同种类板条束以大角度晶界分开,每个板条束内的近乎平行的细长板条以小角度晶界分开。每一个板条晶为一单晶体,由残余奥氏体薄膜分隔。板条马氏体有大量的错位,并且作为分布不均,形成胞装压晶。

透镜马氏体呈针状或竹叶状,如上面贴出的晶相图右。这里要说,虽然我们看到的透镜马氏体是针状的,但是其整体以透镜片的形式存在,也因此被称为片状马氏体。透镜马氏体显微组织中,马氏体片相互不平行,往往在一个奥氏体晶粒内,第一片马氏体片贯穿整个奥氏体晶粒,分割奥氏体,而后面形成的马氏体长度变小,错位形成。因此,片状马氏体大小不一,越是后形成的马氏体片,尺寸越小。如下面的示意图。

马氏体晶体

透镜马氏体的片层中部,有一根到两根平行的直纹,称为“中脊”。中脊是一个面,易发生自毁或,易沉淀,易腐蚀,可能是缺陷的富集区。透镜马氏体的精细亚结构主要为孪晶,但孪晶通常不扩展到马氏体边缘区,于是边缘区存在高密度的错位。

马氏体,无论是透镜马氏体还是板条马氏体,都因为碳的固溶强化作用而产生强化和硬化。特别是透镜马氏体,这种强化能使其硬度达到HV900。无论是板条马氏体还是透镜马氏体,都依靠其高密度的错位,阻止位错的运动,形成强化和硬化。马氏体形成的最终条、片,其尺寸越小,最终获得的强度越高,即界面结构强化。

但是板条马氏体和片状马氏体又不同。

板条马氏体,由于其含碳量低,加上自回火性质,所以晶格正方度小,淬火应力小。同时,板条马氏体的高密度错位分布不均,存在利于错位运动的低密度区,并且不存在显微裂纹。故,板条马氏体在拥有足够的强度和硬度的同时,具备良好的韧性。

透镜马氏体含碳量高,晶格正方畸变大,使得其塑性降低,脆性增大。同时,透镜马氏体的孪生晶界不利于滑移,进一步增大脆性。同时,由于透镜马氏体的片层形成中存在晶界撞击,易形成大量的显微裂纹,同时因为存在较大的淬火内应力,都进一步的增大了脆性。因此,透镜马氏体的特性是硬而脆。适合表面硬化、耐磨处理的部分。

另外,关于脆性和韧性,以及强度和硬度,可能对很多人依旧比较抽象。简单来说,脆性是说,一个物体,你给他一个冲击功,他发生永久变形吸收能量的部分少,多数将你冲击功转变成了晶间破裂所需的能量。因此,你一冲击,他容易断裂破碎。韧性是说,你的冲击功打上去,他就先发生弹性变形,然后发生塑性变形,晶间出现滑移、旋转等变形,并通过这个过程吸收掉你的冲击功,而不产生晶间断裂。因此,对于同样尺寸的物体,你就需要更多的冲击功,先迫使其抗冲击界面变小,然后才能使其断裂。大概就是这样。

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