位错马氏体与低碳马氏体型钢

位错马氏体与低碳马氏体型钢机器构件用钢前前_60年代_后后中碳钢经调质处理得到回火索氏体组织而应用与实际生产共析钢过冷所得索氏体组织回火索氏体组织开始推广应用整体淬火的低碳钢没有应用的原因：淬透性差（例如：95%M的临界直径，20钢在10%的食盐水中淬火为67mm）；对其组织结构和力学性能规律认识不足。高压透射电子显微镜用以研究钢的组织对其组织形态和精细结构有了正确认识在研究中碳钢回火组织的多次冲击韧性时发现了低碳马氏体对钢件的良好的强韧性配合的作用位错马氏体位错马氏体与与低碳马氏体型钢低碳马氏体型钢板条M组织形态汽车轮胎螺栓马氏体马氏体（按组织形态划分）板条状马氏体其他马氏体形态片状马氏体C在-Fe中形成的过饱和固溶体位错马氏体孪晶马氏体影响M形态及其内部亚结构的因素1.化学成分 奥氏体中碳含量的影响最为重要，在碳钢中，当C含量：C1.0%时，生成片状M，亚结构为孪晶；C为1.0%时，生成混合型组织(片状+板条)。2.形成温度 MS点高的A，冷却后形成板条M，亚结构为位错;MS点低的A，冷却后形成片状M，亚结构为孪晶;MS点不高不低的A，冷却后形成混合型组织(片状+板条 M)，亚结构为位错+孪晶。片状马氏体出现于淬火中、高碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中；立体外形呈双凸透镜状，断面为针状或竹叶状，所以又称针状马氏体或竹叶状马氏体；亚结构主要为孪晶，因此又称为孪晶型马氏体；马氏体相变时，第一片分割奥氏体晶粒，以后的马氏体片愈来愈小，其片的大小几乎完全取决于奥氏体晶粒的大小。片状马氏体示意图片状马氏体片状马氏体的形成过程孪晶孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面。孪晶的形成与堆垛层错有密切关系。依孪晶形成原因的不同，可分为形变孪晶、生长孪晶和退火孪晶等。正因为孪晶与层错密切相关，一般层错能高的晶体不易产生孪晶。蝶状马氏体蝶状马氏体 出现在Fe-Ni合金和Fe-Ni-C合金中；在0-60范围内形成；立体形状为细长杆状，断面呈蝴蝶状；内部亚结构为高密度位错，与母相晶体学关系大体上符合K-S关系。蝶状马氏体的显微组织蝶状马氏体的立体形状薄片状马氏体薄片状马氏体 在Ms点极低的Fe-Ni-C合金中发现的；呈非常细的带状（立体图形为薄片状），带呈相互交叉、分枝等特异形态；是由孪晶组成的全孪晶型马氏体薄板状马氏体（）马氏体马氏体 晶体结构为密排六方点阵；易于在Mn-Fe-C合金中形成；立体结构呈薄片状，沿（111）面呈魏氏组织状态形成；亚结构为大量的位错。薄片状马氏体（）组织结构组织结构性能性能（强韧性强韧性）实际应用实际应用成分特点成分特点工艺工艺（强韧机制强韧机制）C0.3%不同要求时的合金元素低碳淬火马氏体低碳淬火马氏体位错马氏体位错马氏体 出现于低、中碳钢，马氏体时效钢，不锈钢等铁系合金中；其亚结构主要为位错，所以称其为位错马氏体；一般叫做板条马氏体；在板条内有时也会存在相变孪晶，但只是局部的，数量不多；与母相奥氏体的晶体学位相关系是K-S关系，惯习面是（111）低C-M的组织形态板条马氏体显微组织的晶体学特征示意图低碳钢的马氏体组织结构低碳钢淬火马氏体组织低碳钢淬火马氏体自回火和回火组织淬火态组织淬火态组织：条状位错马氏体+少量的条状孪晶马氏体和片状孪晶马氏体+自回火碳化物+少量的未转变奥氏体所用钢所用钢：用15，20，20Cr，18CrMnTi和18Cr2Ni4WA等低碳渗碳用钢，以一定尺寸进行剧烈的淬火处理可以得到均匀的马氏体组织；低碳条状马氏体的亚结构 其通常是由位错缠结而成的胞状亚结构；位错密度达10111012cm-2(一般的先共析铁素体位错密度要比它低45个数量级)，且位错呈平直线状；少量孪晶的出现受Ms点位置和冷却速率的影响：Ms点低，冷速大，孪晶马氏体量就会增多。自回火 Ms260的低碳低合金钢会发生淬火马氏体自回火现象；当Ms300 时，可以达到充分自回火，析出更多的碳化物；影响因素：Ms点位置、冷却速率和化学成分；低碳钢的Ms点较高，在工程上常用的淬火冷却条件下，是难以避免自回火的，而且比较容易达到充分自回火状态。自回火碳化物 形态：粒状和杆状 出现位置：位错M内 粒状碳化物总是在位错区域内析出 杆状碳化物呈多向分布，亦有相互平行排 列 的（沿某个方向择优发展的初期长成）自回火M组织在进行回火处理时将继续发生回火转变室温时效充分自回火M（所有条状M均产生碳化物沉淀）可以发现碳化物在数量和尺寸上发生变化未充分自回火M（部分条状M产生碳化物析出）观察不到什么作用150200自回火碳 化物长大析出回火碳化物-碳化物或-碳化物250300 出现 的碳化物类型改变条状M的晶界上出现杆状碳化物500 晶内和晶界上碳化物明显球化600 碳化物聚集长大低碳M的位错亚结构在回火过程中的变化 200：位错组态变化不明显；400：位错胞尺寸变大，缠结位错局部松 动；500：位错胞壁已渐消失；600：位错基本消逝，位错呈网状和条状分布。低碳低碳钢淬钢淬火火M的强的强韧性韧性强度强度塑性塑性韧性韧性疲劳抗力疲劳抗力多次冲击抗力多次冲击抗力强度（一）静强度的增高依靠它的C含量，与合金元素无关；在0.1%0.29%C范围内：和b与C间呈线性变化 关系，0.01%C 和b 分别增加约30MPa（如右图）20系列钢的淬火M的=1250MPa，b=1500MPa 右图所示为15钢静强度随回火温度升高而变化的情况 在250回火后静强度的降低比较明显。强度（二）低碳钢零件尺寸较大，内层将出现以下组织：贝氏体、屈氏体、珠光体、先共析铁素体和中温块状铁素体；当上述组织含量时（如d=15mm钢件，心部铁素体含量高于10%）便对钢件强度产生不利影响；所以应当注意所以应当注意：淬透性对低碳马氏体钢件性能的影响。强度（三）强度（四）低碳马氏体具有较高的硬化指数n值：说明低碳钢具有高的形变强化和均匀分配强化的能力；较低的静载荷缺口敏感性。塑性低碳低碳Mb=1500MPa时，K=50-58%40Crb=1500MPa时,K=52.3%低碳M组织的塑性是好的韧性(一)与中碳回火索氏体相比与中碳回火索氏体相比：1、用FATT评价 低碳M的冷脆倾向性较高 2、在等强度的条件下 低碳M的冷脆倾向性较低；随着冲击温度的降低，低碳M的CVN值下降缓慢。在-60时，其CVN值可维持在50J，而一般中碳回火索氏体仅为20J或更低。韧性(二)一般中碳钢的断裂韧性KIC值随回火温度的上升而升高，但同时强度下降；低碳M在低温回火范围内，其KIC值和强度有着相同的变化趋势。所以，在低温回火时，低碳M的强韧性配合比较好。疲劳抗力疲劳抗力疲劳强度疲劳强度疲劳裂纹疲劳裂纹萌生与扩展萌生与扩展并没有明显的优势较低的疲劳缺口敏感性与中碳回火索氏体相比决定疲劳寿命的参量决定疲劳寿命的参量N与与da/dN疲劳裂纹萌生期（产生裂纹所需的运转周次）疲劳裂纹扩展速率高的N值da/dN稍低于等强度的中碳回火组织较低的门槛值Kth（图10-6）疲劳裂纹扩展门槛值Kth表示材料组织裂纹开始疲劳扩展的性能 其值越大，阻止裂纹开始疲劳扩展的能力就越大，材料也就越好。多次冲击抗力多次冲击抗力 主要与材料强度有关，另外对塑性也有明显的要求 低碳M与等强度中碳钢回火态组织相比具有更好的塑性；较高的多次冲击抗力多次冲击抗力 另外，还有较低的多次较低的多次冲击缺口敏感性冲击缺口敏感性低碳M强韧化机制强化机制倚赖于C的固溶强化 在刃位错附近偏聚形成Cottrell气团，在螺位错附近偏聚形成Snoek气团，造成强化；自回火碳化物的沉淀强化效应；M条束可以看成“有效晶粒”，其宽度对组织屈服强度的作用符合Hall-Patch关系。实际应用机器零件用钢一般要求机器零件用钢一般要求 良好的强韧性配合 高的抗疲劳和抗冲击性能 高的耐磨性 低的缺口敏感性 较严格的化学成分控制 只要刚件尺寸不很大，能保证淬火件的心部非M组织少于10%，用低碳M组织代替中碳回火S组织完全是有可能的。采用现有的低C钢和低C合金钢 例如：右图所示的鱼尾螺栓（联结铁路钢轨的紧固螺栓），要求b1000MPa，原来用40B，现在改用含Mn的普通低C合金钢16Mn较低的Kth值和较高的疲劳裂纹扩展速率da/dN的问题 低碳M本身具有良好的塑性和高的形变强化指数，表明它具有较高的形变强化能力，通过预拉形变强化，或者表面滚压强化，以及喷丸强化，能有效的延长疲劳寿命，可以使低C马氏体在性能上的这个短处得到弥补低碳马氏体型结构钢的设计性能要求性能要求：较高的强度水平，优异的强韧性配合；较高的疲劳极限；较高的冲击值，低的韧脆转化温度；低的缺口敏感度。钢材使用组织的设计构思钢材使用组织的设计构思 以条状位错马氏体为基体组织，在此基体上均匀分布着-碳化物或-碳化物细微粒子，碳化物与基体保持着共格关系；在组织可容许存在很少量的片状或条状孪晶马氏体；细小的马氏体条束；在马氏体条间存在着稳定的奥氏体薄膜，其量为510；要考虑以下的三个方面要考虑以下的三个方面 位错马氏体的获得；条间残余奥氏体薄膜的形成；以及其他的强韧化控制组织因素的取得。组织与成分设计碳量的定夺及合金元素的选择碳量的定夺碳量的定夺 C是控制低碳马氏体强化最为有效的因素。C量主要视强韧性配合要求而定；应不超过,过量的C将出现间隙固溶，从而降低韧塑性。合金元素的选择合金元素的选择 各种合金元素对奥氏体相变的热力学和动力学的作用各不相同，对相变后组织结构的影响各不相同，从而使钢表现出不同的力学性能和工艺加工性能。根据不同的性能要求，合金元素的加入应有所不同。合金化设计时应考虑：位错马氏体的获得位错马氏体的获得：B是推迟低碳钢先共析铁素体最为有效的元素，其他如Cr、Si和Mn也有这种效应，B的加入量很低；加入Cr、Mo和W可促进贝氏体转变；Ni和Mn则促进中温块状铁素体的形成。条间奥氏体薄膜的形成：条间奥氏体薄膜的形成：大凡扩大奥氏体区域的元素皆有利于条间形成奥氏体薄膜，Ni和Mn是典型代表。Ni和Mn可保证奥氏体薄膜取得热力学上的稳定性，但要有足够的加入量。石墨化元素Si、Ni和Al能有效的阻止Fe3C的形核和张大，从而也提高奥氏体的分解能力。回火抗力的提高：回火抗力的提高：Si是（推迟挥霍转化程度）/（M3点下降温度数）比值最小的元素，表明Si 的加入不仅提高淬火钢的回火抗力，且不致由于它的加入使MS点降低的过多而引起淬火开裂倾向或增加孪晶马氏体量；但Si量不可过高，否则会使钢脆化；晶粒细化和马氏体条束细化晶粒细化和马氏体条束细化：细化条束明显有利于低碳马氏体钢的韧性和低温性能，常用的使奥氏体保持细的起始晶粒状态的元素有V、Ti等。国产低碳低合金钢用于制造整体淬火零件的钢种现有以下的系列：Mn-V、Mn-B、Mn-V-B 和Si-Mn-Mo-V