浅谈板条状位错型马氏体的理论应用

Application of theory of dislocation martensite lath

北京矿冶研究总院丹东冶金机械厂 北京

BGRIMM Dandong Metallurgical Machinery Plant

摘要：板条状位错型马氏体具有优良的综合机械性能，值得推广应用。阐述了合金的化学成分与马氏体形态及其内部结构的关系及其性能特点。

Abstract: Lath dislocation martensite good comprehensive mechanical properties, it is worthy of popularization and application. Discusses the relationship between the chemical composition of the alloy and martensitic morphology and internal structure and performance characteristics.

关键词：板条状位错型马氏体；亚结构；强韧化

Key words: Dislocation martensite lath; Sub structure; strengthening and toughening

马氏体是钢和一些铁合金的重要的基本组织。随着合金种类和成份的变化马氏体的形态和内部精细结构等也跟着变化，这些变化对马氏本的机械性能会产生很大影响。由于电子显微镜技术的发展，揭示了马氏体的精细结构，使人们对马氏体的成分、组织结构和性能之间关系有了比较清晰的概念，对马氏体的形成规律也有了进一步的了解。

1．马氏体的相变特征

将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一種淬火组织。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。由于马氏体相变时原子规则地发生位移，使新相(马氏体)和母相之间始终保持一定的位向关系，在铁基合金中由面心立方母相γ变为体心立方(正方)马氏体由奥氏体急速冷却（淬火）形成，这种情况下奥氏体中固溶的碳原子没有时间扩散出晶胞。当奥氏体到达马氏体转变温度时，马氏体转变开始产生，母相奥氏体组织开始不稳定。只有当温度进一步降低，更多的奥氏体才转变为马氏体。

2．马氏体的种类

近年来，随着薄膜透射电子显微技术的发展，人们对马氏体的形态及其精细结构进行了详细的研究，发现钢中的马氏体组织形态虽然是多种多样，马氏体的组织形态就其特征而言，大体上可分为以下几类。

2.1板条状马氏体

板条状马氏体是低、中碳钢，马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金中形成的一种典型的马氏体组织。因其显微组织是由许多成群的板条组成，故称为板条状马氏体。板条状马氏体的立体形态为细长的扁棒状，在光镜下为一束束的细条状组织，每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列。在透射电镜下观察表明，板条内的亚结构主要是高密度的错位（ρ=1012/cm2），所以通常也称之为位错型马氏体。

2.2片状马氏体

铁系合金中出现的另一种典型的马氏体组织是片状马氏体，常见于淬火高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中。这种马氏体的空间形态呈双凸透镜片状，所以称之为透镜片状马氏体。

2.3其它马氏体形态

其它马氏体形态主要有蝶状马氏体、薄片状马氏体、ε＇马氏体。

3．合金的化学成分与马氏体形态及其内部结构的关系

钢中合金元素的含量对马氏体形态有显著的影响。Fe-C和Fe-Ni合金的马氏体形态随合金含量的增加而从板条状变成为片状即为典型的例子。例如Fe-C合金中，0.3％C以下为板条状，1％C以上为片状，0.3～1.0％C之间时两者共存。碳含量小于0.4％的钢中基本没有残留奥氏体，Ms点随碳含量的增高而下降，而孪晶马氏体量和残留奥氏体量则随之升高。

4．马氏体的性能

钢件热处理强化后的性能与淬火马氏体的性能有密切的关系。其中最突出的问题是强度和韧性的配合。因此，需要从决定马氏体强度和韧性的一般规律出发，找出设计或选用新的钢种以及制订合适的热处理工艺的一些基本原则。

4.1马氏体的硬度和强度

钢中马氏体最主要的特性就是高硬度、高强度，其硬度随碳含量的增加而升高。但当碳含量达0.6％时，淬火钢的硬度接近最大值。碳含量进一步增加时虽然马氏体硬度会有所增高，但由于残留奥氏体量增加，使钢的硬度反而会下降。合金元素对马氏体硬度影响不大。

4.2马氏体的机械性能与形态及亚结构的关系

淬火和回火马氏体的硬度与抗拉强度之间存在着线性关系。对屈强比为常数的合金，硬度和屈服强度之间也存在类似关系。Fe-C合金马氏体的硬度与其屈服强度成良好的线性关系。因此，在研究马氏体的性能时，常由钢淬火所测量的硬度来大致估计钢中马氏体的强度。

低碳的位错型马氏体具有良好的韧性，随其碳含量的增加，韧性显著下降。如对碳含量为0.6％的马氏体即使经低温回火，冲击韧性还是很低。对于0.17％C马氏体当其中孪晶马氏体量增加2倍以上时，断裂韧性才显著下降。而对含碳量0.35％的马氏体随孪晶马氏体量增加，强度直线上升，断裂韧性直线下降。由此可见，马氏体的韧性主要决定于它的亚结构。在强度相同的条件下，位错型马氏体的韧性比孪晶马氏体好得多。

综上所述，马氏体的强度主要决定于它的碳含量及其组织结构，而马氏体的韧性主要决定于它的亚结构。低碳的位错型马氏体具有相当高的强度和良好的韧性。高碳的孪晶型马氏体具有高的强度，但韧性很差。因此，以各种途径来强化马氏体，但使其亚结构仍保持位错型，便可兼具强度和韧性。

5．结语

目前，板条状位错型马氏体钢已经在很多工业部门得到了应用，但应用的广泛程度远不如发达国家。这其中主要原因是我国企业对其原理认识不足，当然也有我们的制造工艺水平所限。本人认为可以在以下两个方面予以应用。可用板条状位错型马氏体钢替代调质钢。另外，板条状位错型马氏体钢(HRC40～50)是一种韧性较高锰钢稍差，但硬度较高锰钢高出许多，在适宜的情况下可用板条状位错型马氏体钢替代高锰钢。

6.参考文献

[1] 刘云旭. 金属热处理原理.第三版. 吉林：机械工业出版社，1998.89-90.

[2] 崔忠圻.金属学与热处理. 第三版. 哈尔滨工业大学：机械工业出版社，2001.259-270.

[3] 铸造高锰钢金相.沈阳铸造研究所：GB/T 13925-1992 .

[4] 于永泗.机械工程材料. 第八版. 大连：大连理工大学出版社，2010.78-80.

作者简介

郑志，男，1975年出生，辽宁丹东人，本科学历，工程师，现主要从事技术管理工作。