2012春季學期材料力學性能課程論文鐵碳馬氏體的強化機制摘要：本文以鐵碳馬氏體的組織形貌以及馬氏體轉變過程為出發點，引述了馬氏體的主要強韌化機制。並通過引用各學者的實驗結論，得到了鐵碳馬氏體的強韌化機理。關鍵詞：馬氏體，強韌化機制，高強度鋼，低碳鋼，時效馬氏體概述馬氏體()是黑色金屬材料的一種組織名稱。將鋼加熱到一定溫度（形成奧氏體）後經迅速冷卻（淬火），得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。馬氏體最先由德國冶金學家(1850-1914)於19世紀90年代在一種硬礦物中發現。馬氏體的三維組織形態通常有片狀(plate)或者板條狀(lath)，但是在金相觀察中（二維）通常表現為針狀（-），這也是為什麼在一些地方通常描述為針狀的原因。馬氏體的晶體結構為體心四方結構（BCT）。中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織。高的強度和硬度是鋼中馬氏體的主要特征之一。20世紀以來，對鋼中馬氏體相變的特征累積了較多的知識，又相繼發現在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。

目前廣泛地把基本特征屬馬氏體相變型的相變產物統稱為馬氏體。馬氏體相變特征馬氏體轉變的一般定義為：過冷奧氏體以較快的速度冷卻，抑制其擴散性分解，在較低的溫度下發生的無擴散型相變稱為馬氏體相變。其主要特點有以下幾點：（1）馬氏體相變是無擴散相變。馬氏體相變時沒有穿越界面的原子無規行走或順序跳躍，因而新相（馬氏體）承襲了母相的化學成分、原子序態和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規則地保持其相鄰原子間的相對關系進行位移，這種位移是切變式的。原子位移的結果產生點陣應變(或形變)。這種切變位移不但使母相點陣結構改變，而且產生宏觀的形狀改變。（2）產生表面相變時浮突。馬氏體形狀改變使先經拋光的試樣表面形成浮突。馬氏體形成時，與馬氏體相交的表面上發生傾動，在幹涉顯微鏡下可見到浮突的高度以及完整尖銳的邊緣。（3）新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關系。馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體，這個面稱為慣習（析）面，它往往不是簡單的指數面，如鎳鋼中馬氏體在奧氏體(γ)的{135}上最先形成。馬氏體形成時和母相的界面上存在大的應變。為了部分地減低這種應變能，會發生輔助的變形，使界面改變。由於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。

（4）馬氏體相變具有可逆性。當母相冷卻時在一定溫度開始轉變為馬氏體，把這溫度標作Ms,加熱時馬氏體逆變為母相，開始逆變的溫度標為As。（5）馬氏體轉變是在一個溫度範圍內完成的。當奧氏體到達馬氏體轉變溫度（Ms）時，馬氏體轉變開始產生，母相奧氏體組織開始不穩定。在Ms以下某溫度保持不變時，少部分的奧氏體組織迅速轉變，但不會繼續。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變為馬氏體。最後，溫度到達馬氏體轉變結束溫度Mf，馬氏體轉變結束。馬氏體的強化機制金屬的強化機制大致可分為固溶強化機制、第二相強化、形變強化及細晶強化等。近年來對馬氏體高強度、高硬度的本質進行了大量研究，認為馬氏體的高強度、高硬度是多種強化機制綜合作用的結果。主要的強化機制包括：相變強化、固溶強化、時效強化、形變強化和細晶強化等。3.1相變強化馬氏體相變的強化重慶316L不銹鋼管研究認為：在不銹鋼中具有最高硬度的(2(13Cr-IC)(640-700[1V)屬於馬氏體系不銹鋼，馬氏體組織的結構非常微細，而且在其內部存在高密度的位錯，若使碳過飽和固溶還能提高強度。另方面，經過最後的回火處理可以得到碳化物等析出物彌散細微分布的組織。

馬氏體系不銹鋼用固溶碳量和加火處理可以調整其強度。例如，(13Cr-O．3C)從i000~C的高溫奧氏體區急冷時，發生固溶0．3％C的馬氏體相變，再經回火熱處理就會使碳化物等析出物呈微細彌散分布。其強度可達到約.2細晶強化人們早己知道晶粒大小影響金屬強度。鐵素體晶粒大小對退火的軟鋼屈服強度的影響，可以看出晶粒直徑d與屈服強度間有著直線關系，晶粒越細屈服強度越高。這種屈服強度與晶粒大小間的關系稱霍爾佩琪法則，因變形在晶粒內運動的位錯在晶界其運動被阻，所以晶界大量存在的細晶粒材料，其強度很高。前述的固溶強化、析出強化及加工硬化若過分提高強度，則會使韌性受損。所以，有時根據加工、使用條件使強度有一定限制。另一方面，當晶粒細化時不但不損壞韌性，而且還能提高強度。現在，對鋼鐵材料的晶粒細化的研究非常盛行，並以“超級金屬的技術開發。為題進行著開發，通常不銹鋼的晶粒直徑為數十微米，但在這些課題中正在研究一種制造方法，使金屬晶粒有1／100到數百毫微米(nm)，例如，晶粒直徑為300nm的奧氏體系不銹鋼其拉伸強度為1100N／mm2，約是通常粒徑材料的2倍。為了能在不損害韌性的前提下得到高強度，對這種方法寄予了很大的希望。

在JIS規定的不銹鋼中存在具有微細組織的不銹鋼，這是把不同組織復合的雙相系不銹鋼。(25Cr—6Ni—3Mo—N)具有在鐵素體母相中分布著島狀奧氏體相的組織，由於為復合組織故各組織很細微。另外，由於加入了氮使之固溶強化提高了強度，耐點蝕性也得到改善。由於晶粒細化和固溶強化的復合作用，使得雙相鋼的屈服強度等強度特性好於奧氏體系和鐵索體系。3.3固溶強化純金屬由於強度低,很少用作結構材料,在工業上合金的應用遠比純金屬廣泛。合金組元溶入基體金屬的晶格形成的均勻相稱為固溶體。純金屬一旦加入合金組元變為固溶體,其強度、硬度將升高而塑性將降低,這個現象稱為固溶強化。固溶強化的機制是:金屬材料的變形主要是依靠位錯滑移完成的,故凡是可以增大位錯滑移阻力的因素都將使變形抗力增從而使材料強化。合金組元溶入基體金屬的晶格形成固溶體後,不僅使晶格發生畸變,同時使位錯密度增加。實驗結果表明，在碳含量小於0.4%時，馬氏體的屈服強度隨碳含量增加而升高；碳含量大於0.4%時，馬氏體的屈服強度不再增加。這一現象的普遍解釋為，固溶的間隙C原子處於Fe原子組成的八面體的中心位置，馬氏體中的八面體為扁八面體（奧氏體中為正八面體），原子溶入後形成以C原子為中心的畸變偶極應力場，該應力場與位錯產生強烈的交互作用，令位錯運動使馬氏體強度升高。

當含碳量高於0.4%時，C原子間距太近，產生的畸變偶極應力場彼此抵消，降低了強化效果。3.4形變強化生產金屬材料的主要方法是塑性加工,即在外力作用下使金屬材料發生塑性變形,其具有預期的性能、形狀和尺寸。在再結晶溫度以下進行的塑性變形稱為冷變形。金屬材料在冷變形過程中強度將逐漸升高,這一現象稱為形變強化。鋼變形時給結晶加上了剪斷應力，在位錯運動的同時，給結晶導入了大量的位錯。加工 硬化加工軋制和拔絲這種塑性變形使晶體內的位錯密度增加，是強化鋼的方法。據重慶304 不銹鋼卷板研究證明這種加工硬化作用奧氏體系比鐵素體系大得多。在18Cr-8Ni組成的亞穩 定奧氏體系，因位錯密度增大的硬化和馬氏體的生成(加工引起相變)容易得到高強度。利用 加工硬化的材料稱硬化材，其強度可根據軋制率的變化按H(硬級)、3／4H和1／2H的強度水 平劃分，SUS 301(17Cr-TNi)硬化材在家庭電器機械的壓簧和汽車的引擎墊圈、通信機械的 連接器材等板彈簧制品方面使用非常普及。由加工硬化引起的馬氏體具有磁性，所以SUS 301 (17Cr-15Mn-1．5Ni-O．35N)，該鋼是用錳取代了中的鎳，由於其性質的不 同，可以固溶更多的氮。

就是說，可以得到前述的固溶強化的效果。在固溶化處理狀態下SUS 304的硬度約，而AISl 205的硬度約2701]V，再進行加工時可發現顯著的加工硬化特 性。所有鋼種隨著壓下率增加的同時，硬度也上升。 3.5時效強化 時效強化也是馬氏體強化的一個重要因素，馬氏體相變是無擴散相變，但在馬氏體形成 後，馬氏體中的碳原子的偏聚（馬氏體自回火）就能發生，碳原子發生偏聚（時效）的結果， 碳含量越高，時效強化越顯著。 時效強化是由C 原子擴散偏聚釘紮位錯引起。因此，如果馬氏體在室溫以上形成，淬火 冷卻時又未能抑制C 原子的擴散，則在淬火至室溫途中C 原子擴散偏聚已自然形成，而呈現 時效。所以，對於MS 高於室溫的鋼，在通常淬火冷卻條件下，淬火過程即伴隨自回火。 3.6 亞結構強化 亞結構強化主要指孿晶或層錯的強化作用，其表現在以下幾個方面： (1)位錯與孿晶的彈性交互作用； (2)位錯穿過孿晶構成滑移軌跡的曲折； (3)孿晶阻擋位錯運動。 應當指出，孿晶的強化，據認為是由於碳原子在孿晶界面上的偏聚所造成的，其強化作 用的貢獻與鋼的含碳量關系密切：當碳含量小於0.3%時，馬氏體的強化主要寄托於間隙原子 的固溶強化；當碳含量為0.3%-0.6%時，馬氏體強度的提高除得益於固溶強化外，還可有孿 晶和位錯亞結構的強化貢獻；當碳含量大於0.6%時，孿晶的強化作用顯得很弱。

結論：馬氏體由於其高強度，高硬度在很多領域都有廣泛的應用。我們在應用馬氏體 的同時，要了解馬氏體的強化機制，從而通過不同機制對馬氏體強度的影響，找到提高馬氏 體強度的方法。結果表明，馬氏體之所以有高硬度，高強度是多種強化機制的綜合作用結果。 其強化機制包括相變強化、固溶強化、時效強化、形變強化和細晶強化等。各種強化機制相 互作用，相互促進。 參考文獻 超高強度馬氏體時效鋼的發展[J].特殊鋼，2004,25(2):1-5.