哈工大材料力学性能大作业-铁碳马氏体的强化机制

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1、哈工大材料力学性能大作业-铁碳马氏体的强化机制铁碳马氏体的强化机制摘要：钢中铁碳马氏体的最主要特性是高强度、高硬度，其硬度随碳含量的增加而升高。马氏体的强化机制是多种强化机制共同作用的结果。主要的强化机制包括：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化和综合强化等。本文介绍了铁碳马氏体及其金相组织和力学特性，着重深入分析马氏体的强化机制。关键词：铁碳马氏体强化机制1.马氏体的概念，组织及力学特性1.1马氏体的概念马氏体，也有称为麻田散铁，是纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学成分不改变，但晶格发生变化，同时新旧

2、相间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。马氏体最先在淬火钢中发现，是由奥氏体转变成的，是碳在α铁中的过饱和固溶体。以德国冶金学家阿道夫·马登斯（A.Martens）的名字命名；现在马氏体型相变的产物统称为“马氏体”。马氏体的开始和终止温度，分别称为M始点和M终点；钢中的马氏体在显微镜下常呈针状，并伴有未经转变的奥氏体(残留奥氏体)；钢中的马氏体的硬度随碳量增加而增高；高碳钢的马氏体的硬度高而脆，而低碳钢的马氏体具有较高的韧性。1.3马氏体的力学特性铁碳马氏体最主要的性质就是高硬度、高强度，其硬度随碳含量的增加而增加。但是当碳含量达到6%时，

3、淬火钢的硬度达到最大值，这是因为碳含量进一步提高，虽然马氏体的硬度会提高但是由于残余奥氏体量的增加，使钢的硬度反而下降。2.铁碳马氏体的晶体学特性和金相形貌钢经马氏体转变形成的产物。绝大多数工业用钢中马氏体属于铁碳马氏体，是碳在体心立方结构铁中的过饱和固溶体。铁碳合金的奥氏体具有很宽的碳含量范围，所形成的马氏体在晶体学特性、亚结构和金相形貌方面差别很大。可以把铁碳马氏体按碳含量分为5个组别(见表)【1】。低碳马氏体为体心立方结构，中、高碳为体心正方结构。碳原子的固溶为间隙式，处于八面体间隙之中。如图1A中×号所示，三坐标方向的面心位置是具有代表性

4、的三种八面体间隙中心，构成了体心晶格中的三套亚点阵，分别以1/2[001]、1/2[010]、1/2[100]表示，每单位晶胞中有六个八面体间隙分属这三套亚点阵。【2】体心立方晶格的八面体是非等轴的，以1/2[001]八面体(图1B)为例，间隙在[001]方向(图1的c方向)的尺寸不但小于[110]，即图1B水平正方形的图1体心立方晶格的八面体间隙A—三套八面体间隙(中心)位置亚点阵;B—体心立方八面体间隙的非对称性对角线方向的尺寸，而且也小于碳原子直径。碳原子的溶入将增加c方向的原子间距，由于弹性效应，a、b方向的间隙将略为缩小。碳原子在马氏体

5、中并非均匀地分配在三套亚点阵中，而是选择其中一套，因此造成了晶格的正方性。光学金相显微镜观察铁碳马氏体具有两类形貌，分别称为板条状马氏体和片状马氏体，如图3、图4所示。板条状马氏体为集束的板条，同一母相晶粒内只形成少数几个集束，呈现几个区域，域内各板条仅以小角度交界;而片状马氏体则为空间方位杂乱的饼状，在磨面上为针状。透射电子显微镜观察，与两种金相形貌对照，马氏体(板，片)内部呈现两类亚结构。低碳(板条)马氏体为高密度的位错网络，而高碳(片状)马氏体为极薄的孪晶片。故两种马氏体又分别称为位错马氏体和孪晶马氏体。多数工业实用的铁碳马氏体并非单一的金

6、相形貌和亚结构，而是混合的。淬火态两类(板条——位错、片状——孪晶)马氏体的相对量可由图5的数据估计。碳含量越高，马氏体转变点Ms越低，则片状——孪晶马氏体量越多。当碳含量超过0.6%时，片状马氏体量将超过50%(体积分数)。孪晶马氏体的韧性低，它是高碳钢淬火态脆性大的根本原因。【3】图2铁碳马氏体的两种典型金相形貌a—板条(低碳)，0.03C-2Mn×1000;b—片状(高碳)，1.39C×500图3铁碳马氏体的两种典型亚结构a—位错(板条)×27500;b—孪晶(片状)3.铁碳马氏体的强化机制强化机制可分为固溶强化机制、界面强化、弥散强化、析

7、出强化及细晶强化等多种强化机制。马氏体的强化机制是多种强化机制共同作用的结果。主要的强化机制包括：相变强化、固溶强化、时效强化、形变强化和细晶强化等3.1相变强化马氏体转变指高温奥氏体经快速冷却，在较低温度下发生无扩散切变形成体心正方的马氏体。如图1所示。在发生马氏体相变的过程中，马氏体转变的切变特性会在晶体内部产生大量的微观缺陷。产生的缺陷，诸如板条马氏体中高密度的错位、片状马氏体中的孪晶等，会阻碍位错的运动，从而阻碍材料的塑形变形过程，提高了材料强度，达到强化马氏体的目的。实验证明，无碳马氏体的屈服强度约为284Mpa,此值与形变强化铁素体的

8、屈服强度很接近，而退火状态铁素体的屈服强度仅为98~137Mpa，这就说明相变强化使屈服强度提高了147~186MPa。图4马氏体转变过