fe-c合金马氏体的三维立体形态

fe-c合金马氏体的三维立体形态

钢中马的形状是一种非常复杂的。如板条状、片状、蝶状、薄片状、针状、凸透镜状等。其亚结构有高密度位错、微细层错、精细孪晶等。组织结构与钢中的含碳量、合金元素种类及含量、奥氏体化温度、冷却速度和转变温度等多种因素有关,影响因素十分复杂,其形成机制有待继续研究。本文综合试验分析了钢中马氏体组织形貌的演化规律。1马氏体组织形貌演化规律采用Fe-C合金、Fe-32Ni合金、铸铁、Mn13钢、35CrMo钢、20Cr2Ni4钢、20CrMo钢、12Cr1MoV钢、0MnVTiNb钢等材料,切取4mm厚试样,经不同温度奥氏体化后淬火,得到马氏体组织,应用金相显微镜、QAUENTA-400环扫电镜、JEM-2100透射电镜观察了马氏体组织形貌、亚结构,综合分析论证了马氏体组织形貌的演化规律。2钢-马组织结构的发展2.1马氏体组织的检测小于0.08%C的钢是超低碳钢,4mm厚度试样在冰盐水中淬火,可得板条状马氏体组织。图1所示为0MnVTiNb钢经1200℃加热、冰盐水淬火得到的板条状马氏体组织,可见在一个板条马氏体领域中,马氏体板条晶细长、平行排列,一个奥氏体晶粒中有几个马氏体板条领域。2.2板枝条马氏体的表征一般认为,小于0.3%C的低碳钢,淬火得到板条状马氏体组织,但此碳含量界限并不严格,有时超过0.3%C的钢,淬火也可得到全部板条状马氏体组织。图2为两种钢的板条状马氏体组织。图2(a)为12Cr1MoV钢的淬火板条状马氏体组织,板条宽度可达0.1~1.0μm。板条内部为极高密度的位错。图2(b)为35CrMo钢的板条状马氏体组织。观察表明,12Cr1MoV、20CrMo、35CrMo钢的淬火马氏体均为板条状。在扫描电镜下观察,可在试样上以较大的视野观察马氏体组织的形貌,图3所示为低碳钢淬火马氏体组织的扫描电镜照片。从板条状马氏体的二维金相形貌分析,其立体形貌应为薄厚不均匀的片状(宽度b×长度L×厚度h),板条厚度h很小,宽度b、长度L较大。当金相剖面垂直于片状晶的宽面时,则为薄厚不等的板条状马氏体;但当平行于片状晶宽面截取时,则为宽度很大的马氏体,如图3(a)1、2、3区和图3(b)的1区;图3(b)的2区则是垂直于片状晶宽面切取的,从中可以看到板条状马氏体的厚度。其厚度h不等,一般为纳米级,即几个nm到100nm。宽度约为数μm不等。板条状马氏体的长度L和宽度b则与奥氏体晶粒的尺度相适应,晶粒越大,板条晶越长、越宽。2.3体应力的马氏体片的发育为了清晰地观察高碳马氏体片的形貌,采用特殊热处理工艺:1200℃奥氏体化,于NaCl水溶液中淬至发黑,然后立即转入硝盐浴中等温1h,再取出淬火到室温。这样处理后,在比Ms稍低的温度转变的少量马氏体片被回火,用4%硝酸酒精侵蚀后发黑,而等温后的淬火马氏体则为灰白色。这样就清晰地观察到在稍低于Ms点转变的马氏体条片的形貌。图4(a)是Fe-0.88C合金的淬火马氏体照片,在一个奥氏体大晶粒内生长出细而长的马氏体片。由于奥氏体化温度高,奥氏体晶粒粗化,成分较为均匀,淬火后得到长度较大的片状马氏体。从图中可见,在一个奥氏体大晶粒内生长出很长的马氏体片,显然是沿着某一晶向长大的。在长的马氏体片之间形成短小的马氏体片,后形成的与先转变的马氏体片之间有一定夹角。图4(b)是Fe-1.22C合金马氏体组织的形貌,呈片状,两个马氏体片之间呈135°交角,似蝴蝶状。2.4超高碳马氏体的形态特征一般认为,透镜片状马氏体存在于高碳钢、FeNi(>29%Ni)合金中,在小于1.0%C的碳钢中与板条状马氏体共存,在大于1.0%C的高碳钢中可单独存在。文献中也称针状马氏体、片状马氏体、孪晶马氏体或低温马氏体等。其形态特征是片状,中间厚,两端尖细,试样磨面上截为双凸透镜片状,相邻马氏体片常成交角排列,有时呈闪电状。图5为Fe-1.4%C的Fe-C合金马氏体的形态。图6(a)所示为铸铁加热到950℃奥氏体化,得到石墨+超高碳奥氏体,然后淬火,得到的超高碳马氏体组织。图6(b)为Fe-1.4C合金的片状马氏体组织。高镍的Fe-Ni合金中也能得到透镜片状马氏体组织。以往将高碳马氏体描绘为凸透镜形貌,所谓凸透镜片状马氏体实际上是不存在的。因为垂直于凸透镜片的厚度切取必为圆形或椭圆形,但至今没有观察到圆形的马氏体片,说明此种马氏体不呈现凸透镜状。这种马氏体的立体形貌可能是长的扁针状,在扁针状的马氏体上切取任何二维截面都是由双球冠组成的片状马氏体,与实际相吻合。2.5马氏体片形态一般将0.3%C~0.6%C的工业用钢称为中碳钢。这种钢的马氏体组织为板条状和片状的整合组织(整合即整体上的有机结合,以往称为混合组织,是不确切的),作者称之为条片状马氏体。亚结构主要是高密度位错和细微层错,也存在少量孪晶图7为40Cr钢马氏体组织,图7(a)显示为板条状马氏体,图7(b)中存在少量孪晶。42CrMo钢的马氏体组织如图8所示。可见是板条状和片状马氏体的整合组织,马氏体片可在奥氏体晶界形核长大,也可在晶内形成,既像板条,又像片状,即呈现条片状。总之,钢中马氏体的形貌,随着碳含量的增加,其二维形态,即金相形貌为板条状→片状→透镜片状;而对应的三维形态则应当为盘状→条片状→扁针状。马氏体片从平行分布到呈现交角分布。在这个演化过程中,总趋势是由盘状向扁针状演化。在此过程中,亚结构由高密度位错、微细层错向孪晶演化。3碳元素和合金元素对马氏体点ms综上所述,钢中碳含量是影响马氏体组织形貌的主要因素。钢中合金元素对马氏体形貌也有明显的影响。碳含量和合金元素均影响马氏体点Ms,因此奥氏体过冷到不同温度会转变为不同形貌的马氏体。究竟是什么原因或机制使马氏体具有不同的组织形貌,目前尚缺乏统一的认识,或者说并没有搞清马氏体组织形貌的演化规律。存在如下几个学说。3.1惯习面生成的马氏体据文献报道,有人认为,钢中碳含量增加,马氏体点降低,当低于300~320℃时,容易产生相变孪晶,因而形成片状马氏体。还认为,低碳马氏体形成温度高,此时以切变量最大的(111)γ为惯习面,在较高温度下,滑移比孪生易于进行。如果奥氏体中(111)γ晶系少,形成马氏体的起始位向数少,则在同一晶粒中形成群集状马氏体。当Ms温度降低时,孪生比滑移易于进行。同时,{225}γ、{229}γ惯习面的马氏体,其晶系较多,形成马氏体的起始位向数多,因此在同一奥氏体晶粒中,易于形成相邻马氏体片互不平行的孪晶片状马氏体。对于Fe-Ni-C合金,同一成分的合金可获得不同的马氏体点,研究发现,随着马氏体点的降低,马氏体的形貌会按蝶状※片状※薄片状演化,说明马氏体组织形貌与转变温度有关。3.2造成马氏体形貌特征的决定因素有人研究了马氏体形貌与奥氏体强度之间的关系。结果表明:马氏体形貌以奥氏体屈服强度206MPa为界限变化。高于此界限,形成{259}γ惯习面的马氏体;低于此界限,形成(111)γ为惯习面的板条状马氏体和{225}γ惯习面的马氏体。他们认为奥氏体强度是影响马氏体形貌的决定性因素。当奥氏体强度低于206MPa时,有两种情况:形成的马氏体强度较高时,为{225}γ马氏体;形成的马氏体强度较低时,为(111)γ马氏体。这种学说所强调的奥氏体、马氏体的强度,必然与合金的成分、种类、转变温度等因素有关。3.3临界切应力与孪晶片状马氏体这种学说强调马氏体内部结构取决于相变的变形方式是滑移还是孪生。他们认为马氏体形貌受二者的临界切应力大小的影响。对于马氏体点较高的低碳钢,引起滑移所需要的临界切应力低于引起孪生的临界切应力,故得到高密度板条状马氏体;如果是高碳钢,马氏体点低,引起孪生所需要的临界切应力小,则得到孪晶片状马氏体。这种学说是以马氏体相变切变机制为前提,而且将金属在外力作用下的变形规律应用于固态相变是不可取的,因为在外加应力作用下位错滑移和孪生变形与固态相变中形成位错和孪晶是本质上不同的两种过程,前者为物理过程,而后者是化学反应过程,一个是机械加工,一个是物理冶金,二者不能混淆。计算表明,位错滑移切变或孪生切变均需要极大的切变能,马氏体相变驱动力是远远达不到的[4~7]。因此临界切应力学说不符合实际。4新相晶体的应力能以往从试验角度总结找出了一些影响马氏体形貌的因素,是可取的,如转变温度(包括马氏体点)是影响马氏体组织形貌的重要因素。但上述学说不能解释马氏体组织形貌的形成机制和演化规律。新相的形核-长大是按照能量消耗最小的途径进行的,即坚持省能原则。新相形成时,在新相周围的母相中引发应力场,产生畸变能,此为相变阻力。无论是共格畸变能,还是非共格畸变能,其值均与新旧相错配度和母相的弹性模量(E)成正比,影响新相形状的演化。奥氏体→马氏体相变时体积发生膨胀,则新生成的马氏体相将承受压应力甚至发生压缩应变,母相将承受拉应力而发生拉伸应变,新旧两相相变过程中所产生的弹(塑)性应变将带来体积应变能的增加。弹(塑)性应变能的大小取决于新旧两相的比体积差,体错配度越大,应变能越大。弹性模量是影响应变能的重要因素。弹性模量E越大,体积应变能越大。应变能影响新相的几何形状。设新相为椭球形,半径比为b/a,在同样的体积下,体积应变能与形状因子成正比,因此可用形状因子与b/a的关系来表示,如图9所示。马氏体形核时,由于两相的体积效应、弹性模量等差异,在晶核周围有限的范围内,引起弹性畸变,形成应力场。如果两相的力学性能差别不大,则体积应变能在两相中可协调分布。钢中马氏体形成时与奥氏体呈半共格连接,相界面存在高密度位错,其应变能与体积差、新相形状、母相的力学性能有关。体积差用体错配度Δ表示:式(1):中Vα为母相(奥氏体)的比体积;ΔV是新旧相比体积差。设泊松比,则体积应变能Uiv:式中,E为母相的弹性模量;是一个与新相形状有关的函数,称形状因子。新相从圆盘状到针状,a为直径,b为厚度(长度)。如图9所示,新相为球状时,应变能最大,阻力最大。以盘状、针状形貌存在时,畸变能较小。盘状最小,棒(针)状介于其间。新旧相的错配度与温度变化无关,而与马氏体的成分有关。弹性模量E是温度敏感的物理量,温度降低时,弹性模量迅速提高。每降低100℃,钢的弹性模量E下降3%~5%。对于单晶体,温度每升高1℃,弹性模量平均降低0.03%。在较高温度时,弹性模量较小,因而相变畸变能小,新相晶核可为球状,最后长大为等轴状。随着温度的降低,弹性模量E迅速增大,畸变能变大,这时新相晶核逐渐演化为板条状、条片状、扁针状等形貌。单晶体的弹性模量具有各向异性,如Fe晶粒在<111>晶向弹性模量最大,E<111>=272700MN/m2;而在<100>晶向弹性模量最小,即E<100>=125000MN/m2,其他晶向E值居中。如形核垂直于<100>晶向长大比垂直于<111>长大,其形成的应变能U减小约50%。这是马氏体片在奥氏体中按不同方位分布的原因。已知马氏体与奥氏体具有K-S关系,马氏体习惯于在面心立方奥氏体的{111}γ上长大,即垂直于<111>γ晶向长大。而奥氏体的<110>γ与马氏体的<111>α平行(K-S关系),而<110>γ晶向的弹性模量E也较小,在此晶向上长大应变能较低,符合省能原则。当马氏体点温度较高时,过冷奥氏体转变温度较高,原子活动能力强,弹性模量较小,新相形成时引起的畸变能较小。在连续冷却条件下,冷却速度增大时,过冷奥氏体转变温度降低,畸变能则不断增大。奥氏体中碳含量低时,马氏体转变温度高,形成位错亚结构。随着畸变能的增大,马氏体的长大阻力增大,当需以孪生调节应变能时,形成精细孪晶亚结构。显然,马氏体的长大方向与(011)α//(111)γ位向关系有关,新相沿着{111}γ晶面长大,以减小畸变能,最后长大为条片状、扁针状马氏体组织。5社会碳含量对马氏体形貌的影响(1)试验总结了钢中马氏体的形貌,马氏体的二维形态有板条状、片状、蝶状、薄片状、针状、凸透镜状等;而三维立体形态对应为宽片状、长片状、扁针状等。(2)以往的学说总结了钢中碳含量、合金元素是影响马氏体组织形貌的重要因素,但不能解释马氏体组织形貌的形成机制和演化规律。(3)奥氏体→马氏体相变时的体积应变能是影响马氏体形貌的重要原因。相变过程中所产生的弹(塑)性应变将带来体积应变能的增加。弹(塑)性应变能的大小取决于新旧两相的比容差,体错配度越大,应变能越大。弹性模量也是影响应变能的重要因素,弹性模量E越大,体积应变能越大。(4)