钢在冷却时的转变之马氏体晶体结构、组织、性能

马氏体晶体结构、组织、性能一、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。

二、马氏体的晶体结构

三、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。

a）结构形态：马氏体板条（D）→马氏体束（B-2条;C-1条）→板条群（3~5个）→板条马氏体；

b）密集的板条之间通常由含碳量较高的残余奥氏体分割开，这一薄层残留奥氏体存在显著地改善钢的力学性能；

c）板条马氏体内有大量位错，这些位错分布不均匀。形成胞状亚结构，称为位错胞，所以又称位错马氏体。（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。a）结构形态：片状马氏体的空间形态呈凸透镜状，由于试样抛磨与其截面相截，因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故片状马氏体又称针状马氏体或竹叶状马氏体；

b）显微组织特征：马氏体片互相不平行，在一个奥氏体晶粒内，第一片形成的马氏体往往贯穿整个奥氏体晶粒，并将其分割成两半，使以后形成的马氏体片尺寸越来越小。

c）尺寸：最大尺寸取决于原始奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒越大，则马氏体片越粗大。d）隐晶马氏体：当最大的马氏体片细小到光学显微镜不能分辨时，便成为“隐晶马氏体”在生产中正常淬火得到的马氏体，一般都是隐晶马氏体；

e)       片状马氏体的亚结构主要是孪晶，因此片状马氏体又称孪晶马氏体。孪晶通常分布在马氏体的中部，不扩展到马氏体片的边缘区，在边缘区有高密度的位错。在含碳量ωC＞1.4%的钢中可见到马氏体片中的中脊线，它是高密度的细的微细孪晶区；

f)       显微裂纹：马氏体形成速度极快，在其相互碰撞或奥氏体晶界相撞时将产生相当大的应力场，片状马氏体本身硬而脆，不能通过滑移或孪生变形使应力得以松弛，因此容易形成撞击裂纹。通常奥氏体晶粒越大，马氏体片越大，淬火后显微裂纹越多。显微裂纹的存在增加了高碳钢零件的脆性，在内应力的作用下显微裂纹将会逐渐扩展成宏观裂纹，可以导致工件开裂或使工件的疲劳寿命明显下降。g)      马氏体中的形态主要取决于奥氏体的含碳量，从而与钢的马氏体转变开始温度MS点有关，奥氏体含碳量越高，则MS、Mf点越低。碳含量形态形成温度（一般情况）ωC＜0.2%板条马氏体200℃以上ωC＞0.6%片状马氏体200℃以下ωC=0.2%~1.0%板条、片状混合组织先形成板马后形成片马

h)      合金元素对马氏体形态的影响：Cr、Mo、Mn、Ni（降低MS点）和Co（升高MS点）的元素都增加形成片状马氏体的倾向。四、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。

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