馬氏體強化機制.doc

2012春季學期材料力學性能課程論文院 （系） 材料科學與工程 專 業(yè) 材料科學與工程 學 生 唐 驁 學 號 1091900101 班 號 0919001 鐵碳馬氏體的強化機制唐驁1091900101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(fā)點，引述了馬氏體的主要強韌化機制。并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1. 馬氏體概述馬氏體(martensite)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）后經(jīng)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 Adolf Martens(1850-1914)于19世紀90年代在一種硬礦物中發(fā)現(xiàn)。馬氏體的三維組織形態(tài)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(xiàn)為針狀（needle-shaped），這也是為什么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(fā)現(xiàn)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(chǎn)物統(tǒng)稱為馬氏體。2. 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(fā)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(guī)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(tài)和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規(guī)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(chǎn)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(chǎn)生宏觀的形狀改變。（2）產(chǎn)生表面相變時浮突。馬氏體形狀改變使先經(jīng)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(fā)生傾動，在干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(shù)面，如鎳鋼中馬氏體在奧氏體()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(fā)生輔助的變形，使界面改變。由于馬氏體相變時原子規(guī)則地發(fā)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?yōu)轳R氏體，把這溫度標作Ms,加熱時馬氏體逆變?yōu)槟赶?，開始逆變的溫度標為As。（5）馬氏體轉變是在一個溫度范圍內(nèi)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(chǎn)生，母相奧氏體組織開始不穩(wěn)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(xù)。只有當溫度進一步降低，更多的奧氏體才轉變?yōu)轳R氏體。最后，溫度到達馬氏體轉變結束溫度Mf，馬氏體轉變結束。3. 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SUS 440(2(13Cr-IC)(640-7001V)屬于馬氏體系不銹鋼，馬氏體組織的結構非常微細，而且在其內(nèi)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(jīng)過最后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，SUS 420J2(13Cr-O3C)從i000C的高溫奧氏體區(qū)急冷時，發(fā)生固溶03C的馬氏體相變，再經(jīng)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550HV3.2 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(nèi)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(jù)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?，F(xiàn)在，對鋼鐵材料的晶粒細化的研究非常盛行，并以“超級金屬的技術開發(fā)。為題進行著開發(fā)，通常不銹鋼的晶粒直徑為數(shù)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1100到數(shù)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1100 Nmm2，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(guī)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。SUS329J4L(25Cr6Ni3MoN)具有在鐵素體母相中分布著島狀奧氏體相的組織，由于為復合組織故各組織很細微。另外，由于加入了氮使之固溶強化提高了強度，耐點蝕性也得到改善。由于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于奧氏體系和鐵索體系。3.3 固溶強化 純金屬由于強度低, 很少用作結構材料, 在工業(yè)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?yōu)楣倘荏w,其強度、硬度將升高而塑性將降低, 這個現(xiàn)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大, 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后, 不僅使晶格發(fā)生畸變, 同時使位錯密度增加。 實驗結果表明，在碳含量小于0.4%時，馬氏體的屈服強度隨碳含量增加而升高；碳含量大于0.4%時，馬氏體的屈服強度不再增加。這一現(xiàn)象的普遍解釋為，固溶的間隙C 原子處于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），C 原子溶入后形成以C 原子為中心的畸變偶極應力場，該應力場與位錯產(chǎn)生強烈的交互作用，令位錯運動使馬氏體強度升高。當含碳量高于0.4%時，C 原子間距太近，產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生塑性變形, 使其具有預期的性能、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(xiàn)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(nèi)的位錯密度增加，是強化鋼的方法。據(jù)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(wěn)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(jù)軋制率的變化按H(硬級)、34H和12H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和SUS 304的硬化材也有磁性。非磁性的彈簧用材料有含高錳的不銹鋼AISl205(17Cr-15Mn-15Ni-O35N)，該鋼是用錳取代了SUS 301中的鎳，由于其性質的不同，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(tài)下SUS 304的硬度約1801tV，而AISl 205的硬度約2701V，再進行加工時可發(fā)現(xiàn)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，但在馬氏體形成后，馬氏體中的碳原子的偏聚（馬氏體自回火）就能發(fā)生，碳原子發(fā)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 原子擴散偏聚釘扎位錯引起。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(xiàn)時效。所以，對于MS 高于室溫的鋼，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(xiàn)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(jù)認為是由于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：當碳含量小于0.3%時，馬氏體的強化主要寄托于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于固溶強化外，還可有孿晶和位錯亞結構的強化貢獻；當碳含量大于0.6%時，孿晶的強化作用顯得很弱。結論：馬氏體由于其高強度，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