鋼在冷卻時的轉變之馬氏體

　　1、定義

　?。?）馬氏體轉變：鋼從奧氏體狀態快速冷卻，抑制其擴散性分解（低于MS點發生的無擴散型相變叫做馬氏體轉變。值得注意的是基本特征屬于馬氏體轉變的相變，其相變產物都稱為馬氏體。

　?。?）馬氏體：鋼中的馬氏體就其本質來說，是碳在α-Fe中過飽和的間隙固溶體。

　　2、馬氏體的組織形態

　　鋼中馬氏體有兩種基本形態：板條馬氏體（位錯馬氏體）、片狀馬氏體（又稱針狀馬氏體）。

　　（1）板條馬氏體 板條馬氏體是在低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成一種典型的馬氏體組織。

　?。?）片狀馬氏體 高碳鋼（ωC＞0.6%）、ωNi=30%的不銹鋼及一些有色金屬和合金，淬火時形成的片狀馬氏體組織。

　　3、馬氏體的性能

　?。?）馬氏體力學性能顯著特點：高強度、高硬度。

　?。?）含碳量對馬氏體性能的影響：硬度主要取決于含碳量。ωC＜0.5%時馬氏體的硬度隨著含碳量增加急劇增高，當ωC＞0.6%左右雖然馬氏體硬度有所增高，但是由于殘余奧氏體量增加，反而使得鋼的硬度有所下降。

　　（3）合金元素對馬氏體的硬度影響不大，但可以提高強度。

　?。?）馬氏體高強度、高硬度的硬度是多方面的，主要包含：固溶強化、相變強化以及時效強化，具體介紹如下：

　　固溶強化：間隙原子處于α相晶格的八面體間隙中，造成晶格的正方畸變，并形成了一個應力場。該應力場與位錯發生強烈的交互作用，從而提高馬氏體的強度。

　　相變強化：馬氏體轉變時在晶體內造成密度很高的晶格缺陷，無論板條馬氏體中的高密度位錯還是片狀馬氏體中的孿晶都阻礙位錯運動，從而使馬氏體強化。

　　時效強化：馬氏體形成以后，碳及合金元素的原子向位錯或其他晶格缺陷處擴散偏聚或析出，釘扎位錯，使位錯難以運動，從而造成馬氏體強化。

　?。?）馬氏體板條群或馬氏體片尺寸越小，則馬氏體強度越高；這是由于馬氏體相界面阻礙位錯運動而造成的，原始奧氏體晶粒越小，則馬氏體強度越高。馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結構。

　　孿晶馬氏體：高強度、但韌性差。

　　位錯馬氏體：高強度、良好的韌性。

　　（6）馬氏體的體積：在鋼中的各種組織中，奧氏體的比體積最小，馬氏體的比體積最大；因此，淬火形成馬氏體時由于鋼的體積膨脹是淬火時產生較大的內應力、引起工件變形甚至開裂的主要原因之一。

　　4、馬氏體轉變的特點

　　馬氏體轉變同其他固態相變一樣，相變驅動力也是新相與母相的化學自由能差，即單位體積馬氏體與奧氏體的自由能差。相變阻力也是新相形成時的界面能及應變能。

　　盡管馬氏體形成時與奧氏體存在共格界面，界面能很小，但是由于共格應變能較大，特別是馬氏體與奧氏體比體積相差較大以及需要克服切面阻力并產生大量的晶格缺陷，增加很大的彈性應變能，導致馬氏體轉變的相變阻力很大，需要足夠大的過冷度才能使相變驅動力大于相變阻力，以發生奧氏體向馬氏體的轉變。

　　馬氏體轉變開始溫度Ms點則可以定義為馬氏體與奧氏體的自由能差到相變所需要的最小驅動力值時的溫度。

　　馬氏體轉變是過冷奧氏體在低溫范圍內的轉變，相對于珠光體轉變和貝氏體轉變具有如下一系列特點：

　　1）馬氏體轉變的無擴散性

　　馬氏體轉變是奧氏體在很大過冷度下進行的，此時無論是鐵原子、碳原子還是合金元素原子，其活動能力很低，因而，馬氏體轉變是在無擴散的情況下進行的。只有點陣規則的重構，新相和母相無成分的變化。

　　2）馬氏體的轉變的切變共格性

　　切變：兩個距離很近、大小相等、方向相反的平行力作用于同一物體上所引起的形變。 

　　馬氏體轉變時在預先拋光的試樣上表面出現傾斜，產生表面浮凸。這個現象說明馬氏體轉變和母相的宏觀有著直接的聯系，說明馬氏體是以切變方式形成的。

　　3）馬氏體轉變速度

　　取決于馬氏體的形核率，當大于臨界晶核半徑的核胚全部耗盡，相變終止。由于過冷度越大，臨界晶核尺寸越小，只有進一步降溫才能使更小的核胚成為晶核并長大成馬氏體。一般工業用碳鋼及合金鋼，馬氏體轉變是連續（變溫）冷卻過程中進行的。鋼中奧氏體以大于臨界淬火速度的速度冷卻到MS點以下，立即形成一定數量的馬氏體，相變沒有孕育期；隨著溫度的下降，又形成一定數量的馬氏體，而先形成的馬氏體不再長大。馬氏體轉變量隨著溫度的降低而逐漸增加。

　　高碳鋼和許多合金鋼的MS點在室溫以上，而Mf點在室溫以下，則淬火冷卻到室溫將保留相當數量未轉變的奧氏體，這個部分叫殘留奧氏體；如果為使殘留奧氏體全部轉變“冷處理”，可以放入液氮中處理。 

　　影響殘奧數量的因素：碳含量越高，殘奧越多、含有降低Ms的元素，殘奧越多。

　　殘留奧氏體的機械穩定化：由于奧氏體在淬火過程中受到較大塑性變形或者受到壓應力而造成的穩定化現象叫做奧氏體的機械穩定化。殘留奧氏體就與機械穩定化有關，被包圍在馬氏體之間的奧氏體處于受壓縮狀態無法進行轉變而殘留下來。

　　4）形變誘發馬氏體（形變馬氏體）

　　在Ms點以上對奧氏體進行塑性變形可引起馬氏體轉變，變形量越大，馬氏體轉變量越多，這種現象稱為形變誘發馬氏體相變。

　　5）馬氏體轉變的可逆性

　　可逆性：在某些鐵和金、鎳與其他有色金屬中，奧氏體冷卻轉變為馬氏體，重新加熱時已形成的馬氏體又能無擴散的轉變為奧氏體。

　　一般碳鋼中不發生按馬氏體轉變機構的逆轉變，因為在加熱時馬氏體早已經分解為鐵素體和碳化物；這個過程為“回火”。

文章摘自：機械裝備缺陷與失效分析