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馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變
2024-05-2001 鐵碳合金的非平衡凝固
在先前的文章中,我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了鐵碳合金的平衡凝固過程及其組織。但實際生產(chǎn)中大多為非平衡凝固,存在過冷度。當(dāng)凝固時的過冷度不大時,鋼中過冷奧氏體發(fā)生接近于平衡轉(zhuǎn)變(共析轉(zhuǎn)變)的珠光體轉(zhuǎn)變;當(dāng)轉(zhuǎn)變溫度繼續(xù)降低會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變兩種非平衡轉(zhuǎn)變。
圖1
珠光體轉(zhuǎn)變:即過冷度不大時發(fā)生的共析轉(zhuǎn)變,共析鋼冷卻至A1以下的溫度時,奧氏體對于鐵素體和滲碳體均呈過飽和態(tài),從而發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,γSαP+Fe3C,形成鐵素體與滲碳體交替分布的片層狀共析組織,為機械混合物。
馬氏體轉(zhuǎn)變:鋼中過冷奧氏體在Ms點(230℃)以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,這個轉(zhuǎn)變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf。
【注】除了鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變外,有許多不同材料中均存在馬氏體轉(zhuǎn)變機制,即馬氏體型相變。將由馬氏體型相變生成的相統(tǒng)稱為馬氏體。
鋼中馬氏體:用M表示,為過飽和碳溶于鐵素體的間隙固溶體,是單相組織。馬氏體的形成過程特殊,顯微結(jié)構(gòu)獨特,與珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物有著本質(zhì)區(qū)別。
表1 一些有色金屬及其合金中馬氏體轉(zhuǎn)變的情況
貝氏體轉(zhuǎn)變:過冷奧氏體在550℃~Ms(馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度)的轉(zhuǎn)變,又稱為中溫轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變之間,轉(zhuǎn)變速率遠(yuǎn)比馬氏體轉(zhuǎn)變低。
貝氏體:用B表示,仍是由鐵素體與滲碳體組成的機械混合物,但其形貌與滲碳體的分布與珠光體型不同,硬度也比珠光體型高。
02 馬氏體組織
按馬氏體的常見形貌,可將馬氏體組織分為兩類,也對應(yīng)了碳含量的高低。
板條狀馬氏體:低碳鋼中的典型馬氏體組織,一個原奧氏體晶粒中有若干個馬氏體板條塊,一個板條塊又分為幾個平行的板條束,板條束內(nèi)分布著若干個平行的馬氏體板條,每一個板條為一個單晶體。具有高密度的位錯,又稱位錯型馬氏體。
圖2板條馬氏體
片狀馬氏體(針狀馬氏體):高碳鋼中的凸透鏡片狀馬氏體在光鏡下呈針狀或竹葉狀,馬氏體片不平行,被殘余奧氏體包圍。亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶,在邊緣區(qū)存在著高密度的位錯,孿晶結(jié)合部分的帶狀薄筋為中脊,中脊為高密度微細(xì)孿晶,又稱孿晶型馬氏體。
圖3片狀馬氏體
中碳鋼為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。除此還有蝶狀馬氏體和薄片狀馬氏體。
03 馬氏體轉(zhuǎn)變的特征
馬氏體轉(zhuǎn)變的特征:
①無擴散性,即鐵、碳原子均不發(fā)生擴散
②共格切變性,即相變通過切變進行,母相的原子協(xié)同式的遷移到馬氏體新相,遷移的距離小于一個原子距離,與母相保持共格關(guān)系。
③存在慣習(xí)面及新相母相間的位向關(guān)系
④表面浮凸效應(yīng),即馬氏體形成時試樣表面出現(xiàn)的浮凸現(xiàn)象
⑤轉(zhuǎn)變速度極快
⑥不完全性,即不能得到100%的馬氏體組織,有殘余奧氏體存在
⑦可逆性,即快速加熱至奧氏體化溫度時,馬氏體將向奧氏體轉(zhuǎn)變
馬氏體的形狀記憶效應(yīng):
形狀記憶效應(yīng):將某些金屬材料進行變形后加熱至某一特定溫度以上,變形金屬材料形狀恢復(fù)到變形前的形狀,此現(xiàn)象稱形狀記憶效應(yīng),這種材料稱形狀記憶合金。
原因:馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴散性、共格切變性和可逆轉(zhuǎn)變性。母相冷卻過程中外加應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變,利用馬氏體相變偽彈性產(chǎn)生宏觀變形。加熱過程中,當(dāng)加熱溫度超過馬氏體相變逆轉(zhuǎn)變溫度時,伴隨熱彈性馬氏體逆轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生形狀恢復(fù),完成形狀記憶過程。
04 馬氏體的性能
馬氏體的塑韌性:
板條狀馬氏體:碳含量低,亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯,形成溫度較高可發(fā)生自回火,晶格正方度(c/a)較小,內(nèi)應(yīng)力較小,無顯微裂紋,故具有較高的塑韌性。
片狀馬氏體:碳含量高,亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶,相變時體積膨脹量大, 內(nèi)應(yīng)力大,片與片相撞時易產(chǎn)生顯微裂紋,故脆性大。
馬氏體具有高強度、高硬度的原因:
①固溶強化:碳原子進入馬氏體的扁八面體間隙中心,形成以碳原子為中心的畸變偶極應(yīng)力場,這個應(yīng)力場與位錯產(chǎn)生強烈交互作用,阻礙位錯運動,從而產(chǎn)生強化。
②碳原子偏聚到位錯線處,釘扎位錯產(chǎn)生強化作用。
③馬氏體相變的切變性,造成馬氏體內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷,如位錯、孿晶等,這些缺陷阻礙位錯運動,從而產(chǎn)生強化。
此外,若原奧氏體的晶粒越細(xì)小,板條馬氏體越小,則強度越高。
表2 馬氏體知識點匯總
05 貝氏體組織
按貝氏體的常見形貌,可將貝氏體組織分為兩類,即對應(yīng)兩個不同的溫區(qū)。
上貝氏體(B上):形成溫度為550℃~350℃,呈羽毛狀,其硬度比同樣成分的下貝氏體低,韌性比下貝氏體差,故上貝氏體的機械性能較差,脆性很大,強度很低,基本無實用價值。
下貝氏體(B下):形成溫度為350℃~Ms,呈針狀或片狀,有較高的強度和硬度,還有良好的塑性和韌性,故綜合機械性能較好,是生產(chǎn)上的常用組織,獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。
除以上兩種還有粒狀貝氏體、無碳化無貝氏體、準(zhǔn)上/下貝氏體、特殊下貝氏體、柱狀貝氏體、反常貝氏體。
將鋼中可能出現(xiàn)的九種貝氏體歸類:
以上貝氏體為代表:無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、準(zhǔn)上貝氏體、上貝氏體;
以下貝氏體為代表:柱狀貝氏體、準(zhǔn)下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。
圖4
貝氏體轉(zhuǎn)變的機制:為半擴散型相變,碳原子短程擴散,鐵原子共格切變(貝氏體轉(zhuǎn)變機制目前仍存在爭議)。
06 貝氏體的性能
強度:上貝氏體的強度比下貝氏體的強度低,因為下貝氏體中碳化物顆粒小、數(shù)量多、分布均勻,對合金強化的貢獻(xiàn)較大;
韌性:下貝氏體的韌性比上貝氏體高得多,因為上貝氏體中存在粗大碳化物,裂紋擴展迅速。
圖5
(來源:材子考研)