摘 要：淬火可以提高金屬工件的硬度和耐磨性，目前淬火回火鋼在工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，含碳馬氏體是淬火回火鋼的主要組織，它的強(qiáng)度直接影響到整個(gè)工件的強(qiáng)度，文章簡(jiǎn)要的闡述了影響馬氏體強(qiáng)化的幾種因素。

關(guān)鍵詞：馬氏體；強(qiáng)度；影響因素

淬火回火鋼是目前應(yīng)用非常廣泛的工程材料。淬火鋼的組織是含碳的馬氏體，具有很高的強(qiáng)度。馬氏體的強(qiáng)化因素比較復(fù)雜，而且各種因素之間可能互相影響。馬氏體是奧氏體通過無擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變成的亞穩(wěn)定相，是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。馬氏體的強(qiáng)化因素有以下幾種。

1 間隙碳原子的固溶強(qiáng)化

固溶在α-Fe中的碳原子對(duì)于強(qiáng)化馬氏體起著很重要的作用。只有純凈的馬氏體才能揭示固溶強(qiáng)化效果，并與其他的強(qiáng)化因素分開，即單純的碳在α-Fe中的固溶體，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。為此采取一系列不同含碳量的Fe-Ni-C合金，它們的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms約-35℃。當(dāng)在很低的溫度下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，統(tǒng)計(jì)均勻的分布在奧氏體中的碳原子全部保留在新鮮的馬氏體中，而且也是均勻分布的。淬火后立即測(cè)量馬氏體的強(qiáng)度，以防止碳的聚集和析出。無論是孿晶馬氏體還是板條馬氏體，屈服強(qiáng)度與[C%（原子）]1/2成正比。這種關(guān)系與均勻固溶強(qiáng)化理論是一致的。碳在α-Fe中形成巨大的點(diǎn)陣畸變。這種點(diǎn)陣畸變形成的應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)的彈性相互作用，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的強(qiáng)化效果。馬氏體中碳的固溶強(qiáng)化是工程合金中固溶強(qiáng)化效果最顯著的一個(gè)例子。

2 亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

馬氏體的亞結(jié)構(gòu)有兩種，含碳量較低的馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度位錯(cuò)，位錯(cuò)密度可達(dá)1011-1012/cm2，與劇烈變形金屬中的位錯(cuò)密度相當(dāng)。含碳較高的馬氏體的亞結(jié)構(gòu)是高密度的孿晶，孿晶帶的寬度約為50 。這些亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使馬氏體具有高強(qiáng)度。為了揭示出亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效果，應(yīng)排除碳的固溶強(qiáng)化，于是用無碳馬氏體做實(shí)驗(yàn)。選用碳量極低的鐵鉻合金，退火后鐵素體的屈服強(qiáng)度為22kg/mm2，但淬火成無碳馬氏體后的屈服強(qiáng)度為80kg/mm2比退火后冷軋50%鐵素體的屈服強(qiáng)度69kg/mm2還高。這是因?yàn)棣?Fe的比容比γ-Fe的大，淬火時(shí)首先形成的無碳馬氏體α-Fe膨脹，于是收到周圍為轉(zhuǎn)變的γ-Fe的限制，產(chǎn)生巨大的壓力，這種壓力所造成的最大切應(yīng)力可達(dá)100kg/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了α-Fe和γ-Fe的屈服極限。因此α-Fe和γ-Fe都要產(chǎn)生塑性變形，使它們具有高密度的位錯(cuò)。馬氏體相變時(shí)，γ-Fe中的位錯(cuò)還可“遺傳”給α-Fe。因而淬火后的α-Fe，即無碳馬氏體中含有大量位錯(cuò)，使馬氏體具有高強(qiáng)度。

3 沉淀強(qiáng)化

在淬火馬氏體中過飽和的碳原子析出形成碳原子叢聚或沉淀相。這種沉淀析出過程進(jìn)行得很快。因此，幾乎任何在室溫以上形成的馬氏體中都存在這種沉淀物，這是馬氏體高強(qiáng)度的另一個(gè)原因。為了辨別出這種強(qiáng)化效果，就要揭示出新生成馬氏體的沉淀析出。這可用馬氏體點(diǎn)很低的Fe-Ni-C合金試驗(yàn)，它的Ms點(diǎn)大約為-35℃，將它淬入液氮生成馬氏體。而在液氮溫度下立即測(cè)量其硬度，這時(shí)淬火馬氏體不會(huì)發(fā)生分解。然后，將合金在低于100℃的不同溫度下時(shí)效，再于液氮溫度下測(cè)量其硬度。在-80℃以上溫度時(shí)效，使合金的硬度升高。這就是由時(shí)效沉淀析出引起的。析出物可能是碳原子的叢聚，也可能是第二相。

如果鋼的Ms點(diǎn)較高，如碳鋼的Ms點(diǎn)在200℃-300℃，淬火時(shí)形成的馬氏體在從Ms溫度冷卻到室溫的過程中就能發(fā)生分解析出。所以一般的淬火馬氏體中都有這種沉淀產(chǎn)生物存在。但這種沉淀強(qiáng)化效果與固溶強(qiáng)化相比并不很大。因?yàn)榧儍舻臎]有沉淀物的馬氏體的強(qiáng)度已經(jīng)很高。塑性變形可以促進(jìn)馬氏體中的沉淀析出。塑性變形使位錯(cuò)密度增高，碳原子向位錯(cuò)周圍叢聚，從而促進(jìn)了沉淀析出。在測(cè)量硬度和做拉伸試驗(yàn)時(shí)，試樣要發(fā)生塑性變形，這促進(jìn)了馬氏體的分解，析出沉淀物，使馬氏體具有高強(qiáng)度。這說明馬氏體具有很大的形變強(qiáng)化趨勢(shì)。這在淬火馬氏體拉伸曲線的起始部分明顯地表現(xiàn)出來。

4 晶粒細(xì)化強(qiáng)化

晶粒度對(duì)于馬氏體強(qiáng)度的影響也符合Hall-Petch關(guān)系。但是，馬氏體組織很復(fù)雜，它的晶粒度難以確定。實(shí)驗(yàn)表明，馬氏體的屈服強(qiáng)度隨馬氏片尺寸的減小而增加。馬氏體晶粒的尺寸受奧氏體晶?？刂?。當(dāng)晶粒直徑大于0.01mm時(shí)，晶粒細(xì)化的強(qiáng)度效果很小。淬火前都希望得到細(xì)小的奧氏體晶粒。

參考文獻(xiàn)

[1]史美堂.金屬材料及熱處理[M].上海科技出版社，1983.

[2]王德尊.金屬力學(xué)性能[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[3]周澍，張柯，顧劍鋒，等.淬火-碳分配-回火鋼的低溫組織和性能[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2012（6）.

[4]張慧杰，李鴻美，項(xiàng)金鐘，等.高強(qiáng)度超低碳馬氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)理[J].上海金屬，2010（2）.

[5]貢海.馬氏體及其形態(tài)控制因素[J].金屬熱處理，1981（1）.

作者簡(jiǎn)介：龐勃（1980，6-），男，籍貫：吉林省松原市，講師，碩士，主要研究方向：金屬材料。endprint