钢在冷却时的转变之马氏体

　　1、定义

　　（1）马氏体转变：钢从奥氏体状态快速冷却，抑制其扩散性分解（低于MS点发生的无扩散型相变叫做马氏体转变。值得注意的是基本特征属于马氏体转变的相变，其相变产物都称为马氏体。

　　（2）马氏体：钢中的马氏体就其本质来说，是碳在α-Fe中过饱和的间隙固溶体。

　　2、马氏体的组织形态

　　钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体（位错马氏体）、片状马氏体（又称针状马氏体）。

　　（1）板条马氏体 板条马氏体是在低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁基合金中形成一种典型的马氏体组织。

　　（2）片状马氏体 高碳钢（ωC＞0.6%）、ωNi=30%的不锈钢及一些有色金属和合金，淬火时形成的片状马氏体组织。

　　3、马氏体的性能

　　（1）马氏体力学性能显著特点：高强度、高硬度。

　　（2）含碳量对马氏体性能的影响：硬度主要取决于含碳量。ωC＜0.5%时马氏体的硬度随着含碳量增加急剧增高，当ωC＞0.6%左右虽然马氏体硬度有所增高，但是由于残余奥氏体量增加，反而使得钢的硬度有所下降。

　　（3）合金元素对马氏体的硬度影响不大，但可以提高强度。

　　（4）马氏体高强度、高硬度的硬度是多方面的，主要包含：固溶强化、相变强化以及时效强化，具体介绍如下：

　　固溶强化：间隙原子处于α相晶格的八面体间隙中，造成晶格的正方畸变，并形成了一个应力场。该应力场与位错发生强烈的交互作用，从而提高马氏体的强度。

　　相变强化：马氏体转变时在晶体内造成密度很高的晶格缺陷，无论板条马氏体中的高密度位错还是片状马氏体中的孪晶都阻碍位错运动，从而使马氏体强化。

　　时效强化：马氏体形成以后，碳及合金元素的原子向位错或其他晶格缺陷处扩散偏聚或析出，钉扎位错，使位错难以运动，从而造成马氏体强化。

　　（5）马氏体板条群或马氏体片尺寸越小，则马氏体强度越高；这是由于马氏体相界面阻碍位错运动而造成的，原始奥氏体晶粒越小，则马氏体强度越高。马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构。

　　孪晶马氏体：高强度、但韧性差。

　　位错马氏体：高强度、良好的韧性。

　　（6）马氏体的体积：在钢中的各种组织中，奥氏体的比体积最小，马氏体的比体积最大；因此，淬火形成马氏体时由于钢的体积膨胀是淬火时产生较大的内应力、引起工件变形甚至开裂的主要原因之一。

　　4、马氏体转变的特点

　　马氏体转变同其他固态相变一样，相变驱动力也是新相与母相的化学自由能差，即单位体积马氏体与奥氏体的自由能差。相变阻力也是新相形成时的界面能及应变能。

　　尽管马氏体形成时与奥氏体存在共格界面，界面能很小，但是由于共格应变能较大，特别是马氏体与奥氏体比体积相差较大以及需要克服切面阻力并产生大量的晶格缺陷，增加很大的弹性应变能，导致马氏体转变的相变阻力很大，需要足够大的过冷度才能使相变驱动力大于相变阻力，以发生奥氏体向马氏体的转变。

　　马氏体转变开始温度Ms点则可以定义为马氏体与奥氏体的自由能差到相变所需要的最小驱动力值时的温度。

　　马氏体转变是过冷奥氏体在低温范围内的转变，相对于珠光体转变和贝氏体转变具有如下一系列特点：

　　1）马氏体转变的无扩散性

　　马氏体转变是奥氏体在很大过冷度下进行的，此时无论是铁原子、碳原子还是合金元素原子，其活动能力很低，因而，马氏体转变是在无扩散的情况下进行的。只有点阵规则的重构，新相和母相无成分的变化。

　　2）马氏体的转变的切变共格性

　　切变：两个距离很近、大小相等、方向相反的平行力作用于同一物体上所引起的形变。 

　　马氏体转变时在预先抛光的试样上表面出现倾斜，产生表面浮凸。这个现象说明马氏体转变和母相的宏观有着直接的联系，说明马氏体是以切变方式形成的。

　　3）马氏体转变速度

　　取决于马氏体的形核率，当大于临界晶核半径的核胚全部耗尽，相变终止。由于过冷度越大，临界晶核尺寸越小，只有进一步降温才能使更小的核胚成为晶核并长大成马氏体。一般工业用碳钢及合金钢，马氏体转变是连续（变温）冷却过程中进行的。钢中奥氏体以大于临界淬火速度的速度冷却到MS点以下，立即形成一定数量的马氏体，相变没有孕育期；随着温度的下降，又形成一定数量的马氏体，而先形成的马氏体不再长大。马氏体转变量随着温度的降低而逐渐增加。

　　高碳钢和许多合金钢的MS点在室温以上，而Mf点在室温以下，则淬火冷却到室温将保留相当数量未转变的奥氏体，这个部分叫残留奥氏体；如果为使残留奥氏体全部转变“冷处理”，可以放入液氮中处理。 

　　影响残奥数量的因素：碳含量越高，残奥越多、含有降低Ms的元素，残奥越多。

　　残留奥氏体的机械稳定化：由于奥氏体在淬火过程中受到较大塑性变形或者受到压应力而造成的稳定化现象叫做奥氏体的机械稳定化。残留奥氏体就与机械稳定化有关，被包围在马氏体之间的奥氏体处于受压缩状态无法进行转变而残留下来。

　　4）形变诱发马氏体（形变马氏体）

　　在Ms点以上对奥氏体进行塑性变形可引起马氏体转变，变形量越大，马氏体转变量越多，这种现象称为形变诱发马氏体相变。

　　5）马氏体转变的可逆性

　　可逆性：在某些铁和金、镍与其他有色金属中，奥氏体冷却转变为马氏体，重新加热时已形成的马氏体又能无扩散的转变为奥氏体。

　　一般碳钢中不发生按马氏体转变机构的逆转变，因为在加热时马氏体早已经分解为铁素体和碳化物；这个过程为“回火”。

文章摘自：机械装备缺陷与失效分析