浅谈影响铁碳马氏体强度的几种因素

摘 要：淬火可以提高金属工件的硬度和耐磨性，目前淬火回火钢在工程领域的应用非常广泛，含碳马氏体是淬火回火钢的主要组织，它的强度直接影响到整个工件的强度，文章简要的阐述了影响马氏体强化的几种因素。

关键词：马氏体；强度；影响因素

淬火回火钢是目前应用非常广泛的工程材料。淬火钢的组织是含碳的马氏体，具有很高的强度。马氏体的强化因素比较复杂，而且各种因素之间可能互相影响。马氏体是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相，是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体的强化因素有以下几种。

1 间隙碳原子的固溶强化

固溶在α-Fe中的碳原子对于强化马氏体起着很重要的作用。只有纯净的马氏体才能揭示固溶强化效果，并与其他的强化因素分开，即单纯的碳在α-Fe中的固溶体，碳原子只能溶解在α-Fe中，不能以其他形式存在，如不能有沉淀相。为此采取一系列不同含碳量的Fe-Ni-C合金，它们的马氏体转变温度Ms约-35℃。当在很低的温度下进行马氏体转变时，统计均匀的分布在奥氏体中的碳原子全部保留在新鲜的马氏体中，而且也是均匀分布的。淬火后立即测量马氏体的强度，以防止碳的聚集和析出。无论是孪晶马氏体还是板条马氏体，屈服强度与[C%（原子）]1/2成正比。这种关系与均匀固溶强化理论是一致的。碳在α-Fe中形成巨大的点阵畸变。这种点阵畸变形成的应力场与位错应力场的弹性相互作用，阻碍了位错运动，产生很大的强化效果。马氏体中碳的固溶强化是工程合金中固溶强化效果最显著的一个例子。

2 亚结构强化

马氏体的亚结构有两种，含碳量较低的马氏体的亚结构是高密度位错，位错密度可达1011-1012/cm2，与剧烈变形金属中的位错密度相当。含碳较高的马氏体的亚结构是高密度的孪晶，孪晶带的宽度约为50 。这些亚结构强烈地阻碍位错运动，使马氏体具有高强度。为了揭示出亚结构强化效果，应排除碳的固溶强化，于是用无碳马氏体做实验。选用碳量极低的铁铬合金，退火后铁素体的屈服强度为22kg/mm2，但淬火成无碳马氏体后的屈服强度为80kg/mm2比退火后冷轧50%铁素体的屈服强度69kg/mm2还高。这是因为α-Fe的比容比γ-Fe的大，淬火时首先形成的无碳马氏体α-Fe膨胀，于是收到周围为转变的γ-Fe的限制，产生巨大的压力，这种压力所造成的最大切应力可达100kg/mm2，远远超过了α-Fe和γ-Fe的屈服极限。因此α-Fe和γ-Fe都要产生塑性变形，使它们具有高密度的位错。马氏体相变时，γ-Fe中的位错还可“遗传”给α-Fe。因而淬火后的α-Fe，即无碳马氏体中含有大量位错，使马氏体具有高强度。

3 沉淀强化

在淬火马氏体中过饱和的碳原子析出形成碳原子丛聚或沉淀相。这种沉淀析出过程进行得很快。因此，几乎任何在室温以上形成的马氏体中都存在这种沉淀物，这是马氏体高强度的另一个原因。为了辨别出这种强化效果，就要揭示出新生成马氏体的沉淀析出。这可用马氏体点很低的Fe-Ni-C合金试验，它的Ms点大约为-35℃，将它淬入液氮生成马氏体。而在液氮温度下立即测量其硬度，这时淬火马氏体不会发生分解。然后，将合金在低于100℃的不同温度下时效，再于液氮温度下测量其硬度。在-80℃以上温度时效，使合金的硬度升高。这就是由时效沉淀析出引起的。析出物可能是碳原子的丛聚，也可能是第二相。

如果钢的Ms点较高，如碳钢的Ms点在200℃-300℃，淬火时形成的马氏体在从Ms温度冷却到室温的过程中就能发生分解析出。所以一般的淬火马氏体中都有这种沉淀产生物存在。但这种沉淀强化效果与固溶强化相比并不很大。因为纯净的没有沉淀物的马氏体的强度已经很高。塑性变形可以促进马氏体中的沉淀析出。塑性变形使位错密度增高，碳原子向位错周围丛聚，从而促进了沉淀析出。在测量硬度和做拉伸试验时，试样要发生塑性变形，这促进了马氏体的分解，析出沉淀物，使马氏体具有高强度。这说明马氏体具有很大的形变强化趋势。这在淬火马氏体拉伸曲线的起始部分明显地表现出来。

4 晶粒细化强化

晶粒度对于马氏体强度的影响也符合Hall-Petch关系。但是，马氏体组织很复杂，它的晶粒度难以确定。实验表明，马氏体的屈服强度随马氏片尺寸的减小而增加。马氏体晶粒的尺寸受奥氏体晶粒控制。当晶粒直径大于0.01mm时，晶粒细化的强度效果很小。淬火前都希望得到细小的奥氏体晶粒。

参考文献

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作者简介：庞勃（1980，6-），男，籍贯：吉林省松原市，讲师，硕士，主要研究方向：金属材料。endprint