馬氏體形成性能

馬氏體由奧氏體急速冷卻（淬火）形成，這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒有時間擴散出晶胞。當奧氏體到達馬氏體轉(zhuǎn)變溫度（Ms）時，馬氏體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。最后，溫度到達馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束。馬氏體還可以在壓力作用下形成，這種方法通常用在硬化陶瓷上（氧化釔、氧化鋯）和特殊的鋼種（高強度、高延展性的鋼）。因此，馬氏體轉(zhuǎn)變可以通過熱量和壓力兩種方法進行。

馬氏體和奧氏體的不同在于，馬氏體是體心正方結(jié)構(gòu)，奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變僅需很少的能量，因為這種轉(zhuǎn)變是無擴散位移型的，僅僅是迅速和微小的原子重排。馬氏體的密度低于奧氏體，所以轉(zhuǎn)變后體積會膨脹。相對于轉(zhuǎn)變帶來的體積改變，這種變化引起的切應力、拉應力更需要重視。

馬氏體在Fe-C相圖中沒有出現(xiàn)，因為它不是一種平衡組織。平衡組織的形成需要很慢的冷卻速度和足夠時間的擴散，而馬氏體是在非常快的冷卻速度下形成的。由于化學反應（向平衡態(tài)轉(zhuǎn)變）溫度高時會加快，馬氏體在加熱情況下很容易分解。這個過程叫做回火。在某些合金中，加入合金元素會減少這種馬氏體分解。比如，加入合金元素鎢，形成碳化物強化機體。由于淬火過程難以控制，很多淬火工藝通過淬火后獲得過量的馬氏體，然后通過回火去減少馬氏體含量，直到獲得合適的組織，從而達到性能要求。馬氏體太多將使鋼變脆，馬氏體太少會使鋼變軟。

性能

眾所周知，馬氏體是強化鋼件的重要手段，而且一般認為，馬氏體是一種硬而脆的組織，尤其是高碳片狀馬氏體。要想提高淬火鋼的塑性和韌性，必須用提高回火溫度的方法，犧牲部分強度而換取韌性，就是說強度和塑性很難兼得。但是近年來的研究工作表明，這種觀點只是適用于片狀馬氏體，而板條狀馬氏體不是這樣，板條狀馬氏體不但具有很高的強度而且具有良好的塑性和韌性，同時還具有低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，其缺口敏感性和過載敏感性都較低。

馬氏體的硬度和強度

鋼中馬氏體機械性能的顯著特點是具有高硬度和高強度。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳質(zhì)量分數(shù)。馬氏體的硬度隨質(zhì)量分數(shù)的增加而升高，當含碳質(zhì)量分數(shù)達到0.6%時，淬火鋼硬度接近最大值，含碳質(zhì)量分數(shù)進一步增加，雖然馬氏體的硬度會有所提高，但由于殘余奧氏體數(shù)量增加，反而使鋼的硬度有所下降。合金元素對鋼的硬度關(guān)系不大，但可以提高其強度。

馬氏體具有高硬度和高強度的原因是多方面的，其中主要包括固溶強化、相變強化、時效強化以及晶界強化等。

(1)固溶強化。首先是碳對馬氏體的固溶強化。過飽的間隙原子碳在a相晶格中造成晶格的正方畸變，形成一個強烈的應力場。該應力場與位錯發(fā)生強烈的交換作用，阻礙位錯的運動從而提高馬氏體的硬度和強度。

(2)相變強化。其次是相變強化。馬氏體轉(zhuǎn)變時，在晶格內(nèi)造成晶格缺陷密度很高的亞結(jié)構(gòu)，如板條馬氏體中高密度的位錯、片狀馬氏體中的孿晶等，這些缺陷都阻礙位錯的運動，使得馬氏體強化。這就是所謂的相變強化。實驗證明，無碳馬氏體的屈服強度約為284Mpa,此值與形變強化鐵素體的屈服強度很接近，而退火狀態(tài)鐵素體的屈服強度僅為98~137Mpa，這就說明相變強化使屈服強度提高了147~186MPa

(3)時效強化。時效強化也是一個重要的強化因素。馬氏體形成以后，由于一般鋼的點Ms大都處在室溫以上，因此在淬火過程中及在室溫停留時，或在外力作用下，都會發(fā)生自回火。即碳原子和合金元素的原子向位錯及其它晶體缺陷處擴散偏聚或碳化物的彌散析出，釘軋位錯，使位錯難以運動，從而造成馬氏體的時效強化。

(4)原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束大小對馬氏體強度的影響。原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束的尺寸對馬氏體強度也有一定影響。原始奧氏體晶粒越細小、馬氏體板條束越小，則馬氏體強度越高。這是由于相界面阻礙位錯的運動造成的馬氏體強化。

馬氏體的塑性和韌性

馬氏體的塑性和韌性主要取決于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。片狀馬氏體具有高強度高硬度，但韌性很差，其特點是硬而脆。在具有相同屈服強度的條件下，板條馬氏體比片狀馬氏體的韌性好很多，即在具有較高強度、硬度的同時，還具有相當高的韌性和塑性。

其原因是由于在片狀馬氏體中孿晶亞結(jié)構(gòu)的存在大大減少了有效滑移系；同時在回火時，碳化物沿孿晶不均勻析出使脆性增大；此外，片狀馬氏體中含碳質(zhì)量分數(shù)高，晶格畸變大，淬火應力大，以及存在大量的顯微裂紋也是其韌性差的原因。而板條馬氏體中含碳質(zhì)量分數(shù)低，可以發(fā)生“自回火”，且碳化物分布均勻；其次在胞狀位錯亞結(jié)構(gòu)中位錯分布不均勻，存在低密度位錯區(qū)，為位錯提供了活動余地，由于位錯運動能緩和局部應力集中。

為什么片狀馬氏體和板條馬氏體在性能上有很大的差異呢？近年來做了大量的研究工作，有關(guān)使馬氏體強度高的原因是很多的，如碳原子的固溶強化、相變強化以及時效強化等，其中以碳原子強化起主要作用，而且馬氏體中固溶的碳越多強度也越高，所以馬氏體有很高的強度；但韌性的變化卻隨馬氏體中含碳量的增加而下降，當馬氏體含碳量很高時（大于0.6%C）即使經(jīng)過低溫回火韌性也很低，為了弄清楚影響韌性的原因，作了如下實驗，研究了馬氏體的亞結(jié)構(gòu)和韌性的關(guān)系。用含碳量為0.35%的碳鋼，淬火后得到位錯型的板條狀馬氏體，其強度和韌性都比較高，為了改變其亞結(jié)構(gòu)，在該種鋼中加入鉻元素，隨著鉻含量的增加，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)由位錯型向?qū)\晶型轉(zhuǎn)化，即孿晶型馬氏體數(shù)量逐漸增加，位錯型馬氏體數(shù)量逐漸減少，經(jīng)測定其斷裂韌性KIC逐漸降低，而且發(fā)現(xiàn)，在屈服強度相同的條件下，亞結(jié)構(gòu)為位錯型的馬氏體的斷裂韌性高于亞結(jié)構(gòu)為孿晶型的馬氏體的斷裂韌性。經(jīng)過回火后仍然是位錯型的馬氏體的斷裂韌性高于孿晶型馬氏體的斷裂韌性。這個規(guī)律已用大量的實驗得到了證實。斷裂韌性值位錯馬氏體比孿晶馬氏體高三倍，而馬氏體的韌性主要決定于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。

為什么亞結(jié)構(gòu)為位錯型的馬氏體韌性高，而孿晶型馬氏體的韌性低呢？這是因為位錯型馬氏體有一定的塑性變形能力，可以緩沖矛盾。而孿晶馬氏體不能發(fā)生塑性變形，另外，孿晶面的存在，在回火時碳化物沿孿晶面析出，造成碳的分布不均勻，因而使片狀馬氏體很脆。

馬氏體的三維組織形態(tài)通常有片狀(plate)或者板條狀(lath)，片狀馬氏體在金相觀察中（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、竹葉狀的原因，板條狀馬氏體在金相觀察中為細長的條狀或板狀。奧氏體中含碳量≥1%的鋼淬火后，馬氏體形態(tài)為針片狀馬氏體，當奧氏體中含碳量≤0.2%的鋼淬火后，馬氏體形狀基本為板條馬氏體。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（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，同時馬氏體的脆性也比較高。

常見馬氏體組織有兩種類型。中低碳鋼淬火獲得板條狀馬氏體，板條狀馬氏體是由許多束尺寸大致相同，近似平行排列的細板條組成的組織，各束板條之間角度比較大；高碳鋼淬火獲得針狀馬氏體，針狀馬氏體呈竹葉或凸透鏡狀，針葉一般限制在原奧氏體晶粒之內(nèi)，針葉之間互成60°或120°角。

馬氏體轉(zhuǎn)變同樣是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms-Mz）連續(xù)進行的，當溫度達到Ms點以下，立即有部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。板條狀馬氏體有很高的強度和硬度，較好的韌性，能承受一定程度的冷加工；針狀馬氏體又硬又脆，無塑性變形能力。馬氏體轉(zhuǎn)變速度極快，轉(zhuǎn)變時體積產(chǎn)生膨脹，在鋼絲內(nèi)部形成很大的內(nèi)應力，所以淬火后的鋼絲需要及時回火，防止應力開裂。

19世紀90年代最先由德國冶金學家阿道夫·馬滕斯（Adolf Martens，1850-1914）于在一種硬礦物中發(fā)現(xiàn)。馬氏體最初是在鋼（中、高碳鋼）中發(fā)現(xiàn)的：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。1895年法國人奧斯蒙（F.Osmond）為紀念德國冶金學家馬滕斯（A.Martens），把這種組織命名為馬氏體(Martensite)。人們最早只把鋼中由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的相變稱為馬氏體相變。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、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。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（見固態(tài)相變）。

板條狀馬氏體是低碳鋼,馬氏體時效鋼，不銹鋼等鐵系合金形成的一種典型的馬氏體組織，因其單元立體形狀為板條狀，故稱板條狀馬氏體。由于它的亞結(jié)構(gòu)主要是由高密度的位錯組成，所以又稱位錯馬氏體。片狀馬氏體則常見于高，中碳鋼，每個馬氏體晶體的厚度與徑向尺寸相比很小其斷面形狀呈針片狀，故稱片狀馬氏體或針狀馬氏體.由于其亞結(jié)構(gòu)主要為細小孿晶,所以又稱為孿晶馬氏體.一般當Wc<0.3%時，鋼在馬氏體形態(tài)幾乎全為板條馬氏體;當Wc>1.0%時，則幾乎全為片狀馬氏體；當Wc=0.3%-1.0%時，為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合物，隨含碳量的升高，淬火鋼中板條馬氏體的量下降，片狀馬氏體的量上升.高碳鋼在正常溫度淬火時，細小的奧氏體晶粒和碳化物都能使其獲得細針狀馬氏體組，這種組織在光學顯微鏡下無法分辨稱為隱針馬氏體。

馬氏體不銹鋼能在退火、和硬化與回火的狀態(tài)下焊接，無論鋼材的原先狀態(tài)如何，經(jīng)過焊接后都會在鄰近焊道處產(chǎn)生一硬化的馬氏體區(qū)，熱影響區(qū)的硬度主要是取決于母材金屬的碳含量，當硬度增加時，則韌性減少，且此區(qū)域變成較易產(chǎn)生龜裂、預熱和控制層間溫度，是避免龜裂的最有效方法，為得最佳的性質(zhì)，需焊后熱處理。

馬氏體不銹鋼是一類可以通過熱處理（淬火、回火）對其性能進行調(diào)整的不銹鋼，通俗地講，是一類可硬化的不銹鋼。這種特性決定了這類鋼必須具備兩個基本條件：一是在平衡相圖中必須有奧氏體相區(qū)存在，在該區(qū)域溫度范圍內(nèi)進行長時間加熱，使碳化物固溶到鋼中之后，進行淬火形成馬氏體，也就是化學成分必須控制在γ或γ α相區(qū)，二是要使合金形成耐腐蝕和氧化的鈍化膜，鉻含量必須在10.5%以上。按合金元素的差別，可分為馬氏體鉻不銹鋼和馬氏體鉻鎳不銹鋼。

馬氏體鉻不銹鋼的主要合金元素是鐵、鉻和碳。圖1-4是Fe-Cr系相圖富鐵部分，如Cr大于13%時，不存在γ相，此類合金為單相鐵素體合金，在任何熱處理制度下也不能產(chǎn)生馬氏體，為此必須在內(nèi)Fe-Cr二元合金中加入奧氏體形成元素，以擴大來說，C、N是有效元素，C、N元素添加使得合金允許更高的鉻含量。在馬氏體鉻不銹鋼中，除鉻外，C是另一個最重要的必備元素，事實上，馬氏體鉻不銹耐熱鋼是一類鐵、鉻、碳三元合金。當然，還有其他元素，利用這些元素，可根據(jù)Schaeffler圖確定大致的組織。2100433B

馬氏體鋼主要是600MPa 以上的一些高強度鋼種，如800MPa 以上級別的工程機械用鋼，600MPa以上級別的壓力容器和儲罐用鋼等。一般有在線淬火 回火及軋后淬火回火（調(diào)質(zhì)處理）兩種生產(chǎn)工藝。馬氏體的高強度是由于高密度的位錯，細小的孿晶，碳的偏聚，以及馬氏體正方度的間隙固溶等。低碳馬氏體的形態(tài)基本上是板條狀，板條狀之間是小角度晶界，板條內(nèi)有很高的位錯密度，有時還能見到孿晶馬氏體分布于板條之間。但淬火后的馬氏體的塑韌性較差，一般馬氏體鋼在淬火后都要通過回火工藝以調(diào)整鋼的強韌性匹配，典型組織如圖《馬氏體鋼典型金相結(jié)構(gòu)》所示。

凡是碳含量小于0.25%的碳素鋼或低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)強烈淬火，獲得80%以上甚至100%低碳馬氏體組織，這類鋼統(tǒng)稱為低碳馬氏體鋼。一般情況下，含碳量在0.15%～0.25%范圍內(nèi)的鋼淬火強化效果好，綜合力學性能高。

1．低碳馬氏體鋼熱處理工藝特點

（1）獲取低碳馬氏體的熱處理淬火加熱溫度為A_c3 （80～120）℃。從淬火強化的效果考慮，適當提高淬火加熱溫度，有利于奧氏體的均勻化、提高鋼的淬透性以及縮短加熱時間。

（2）采用激冷、深冷的強烈淬火冷卻方法（5%～10%NaCl溶液淬火或10%NaOH溶液淬火）。低碳鋼或低碳低合金鋼在強烈淬火后可獲得低碳馬氏體。

（3）低碳馬氏體淬火后可不經(jīng)回火而直接使用。

2．低碳馬氏體的微觀組織

低碳馬氏體的顯微組織由不同位向的的馬氏體板條組成，板條束間為大角度晶界。由于原奧氏體晶粒被不同位向的板條束所分割，所以材料的有效晶粒得到細化。同時，板條馬氏體內(nèi)有高密度的位錯和細小分散呈魏氏組態(tài)分布的碳化物，板條馬氏體間分布有殘余奧氏體薄膜，因而低碳馬氏體具有優(yōu)良的強韌特性。

3．低碳馬氏體鋼的性能

經(jīng)過淬火有較低的缺口敏感性、過熱敏感性、優(yōu)良的冷加工性、良好的可焊性且熱處理變形小等一系列的優(yōu)點。低碳馬氏體鋼經(jīng)過淬火后，可獲得脆性較低而塑韌性足夠高的位錯板條馬氏體加板條相界殘余奧氏體薄膜，板條內(nèi)部自回火析出細小分散的碳化物，因而可實現(xiàn)強度、塑性、韌性的最佳配合，是固熔強化、位錯強化、晶界強化和沉淀強化等共同作用的結(jié)果。低碳馬氏體中溫回火后代替中碳（合金）結(jié)構(gòu)鋼的調(diào)質(zhì)件，其綜合力學性能完全可達到要求，而且不論形狀如何復雜，淬火后不易變形、開裂，這樣不僅可給后工序少留加工量，而且給機加工也帶來好處。低碳馬氏體鋼由于含碳量較低，鋼的M_s點較高，在淬火過程中就伴隨著自回火現(xiàn)象，因而可以省去回火工序，從而節(jié)約能源，降低成本，縮短加工周期。

低碳馬氏體鋼是典型的強塑韌配合材料，用處非常廣泛。

它的顯微組織為馬氏體。這類鋼中鉻的質(zhì)量分數(shù)為11.5%~18.0%，但碳的質(zhì)量分數(shù)最高可達0.6%。碳含量的增高，提高了鋼的強度和硬度。在這類鋼中加入的少量鎳可以促使生成馬氏體，同時又能提高其耐蝕性。這類鋼的焊接性較差。列入國家標準牌號的鋼板有1Cr13、2 Cr13、3 Cr13、1 Cr17Ni2等。

奧氏體型不銹鋼

其顯微組織為奧氏體。它是在高鉻不銹鋼中添加適當?shù)逆嚕ㄦ嚨馁|(zhì)量分數(shù)為8%~25%）而形成的，具在奧氏體組織的不銹鋼。奧氏體型不銹鋼以Cr18Ni19鐵基合金為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上隨著不同的用途，發(fā)展成圖1-2所示的鉻鎳奧氏體不銹鋼系列。

奧氏體型不銹鋼一般屬于耐蝕鋼，是應用最廣泛的一類鋼，其中以18-8型不銹鋼最有代表性，它是有較好的力學性能，便于進行機械加工、沖壓和焊接。在氧化性環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的耐熱性能。但對溶液中含有氯離子（CL-）的介質(zhì)特別敏感，易于發(fā)生應力腐蝕。18-8型不銹鋼按其化學成分中碳含量的不同又分為三個等級：一般含碳量（Wc≤0.15%）低碳級

（Wc≤0.08%）和超低碳級（Wc≤0.03%）。例如中國國家標準中的1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr17Ni14M02三種鋼板分屬上面三個等級。世界許多國家都感到鎳儲量的緊缺。為了節(jié)省鎳，早在四、五十年代世界上就開始用錳和氮取代18-8型不銹鋼中的部分鎳。研制并列入國家標準的鋼板牌號有1Cr17Mn6Ni5N和0Cr19Ni9N等。

奧氏體-鐵素體型不銹鋼

其顯微組織為奧氏體加鐵素體。鐵素體的體積分數(shù)小于10%的不銹鋼，是在奧氏體鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的鋼種。

沉淀硬化型不銹鋼

按其組織形態(tài)可分為三類：沉淀硬化半奧氏體型、沉淀硬化馬氏體型和沉淀硬化奧氏體型不銹鋼。列入中國國家標準鋼板牌號的有0Cr17Ni7A、0Cr17Ni4Cu4Nb和0Cr15Ni7M02Al三種，是屬于沉淀硬化半奧氏體型不銹鋼。該鋼的組織特點是在固溶或退火狀態(tài)時具有奧氏體加體積分數(shù)為5%~20%的鐵素體組織。這種鋼經(jīng)過系列的熱處理或機械變形處理后奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再通過時效析出硬化達到所需要的高強度。這種鋼有很好的成形性能和良好的焊接性，可作為超高強度的材料在核工業(yè)、航空和航天工業(yè)中，得到應用。