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什么是马氏体?有何特性?

一、什么是马氏体?

    马氏体,也有称为麻田散铁,是纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物;在转变过程中,原子不扩散,化学成分不改变,但晶格发生变化,同时新旧相间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。
    马氏体最先在淬火钢中发现,是由奥氏体转变成的,是碳在α铁中的过饱和固溶体。以德国冶金学家阿道夫·马滕斯(A.Martens)的名字命名;现在马氏体型相变的产物统称为“马氏体”。
    马氏体的开始和终止温度,分别称为M始点和M终点;钢中的马氏体在显微镜下常呈针状,并伴有未经转变的奥氏体(残留奥氏体);钢中的马氏体的硬度随碳量增加而增高;高碳钢的马氏体的硬度高而脆,而低碳钢的马氏体具有较高的韧性。
    它通常是指钢的一种很硬的晶体结构,但也可指任何由位移相变形成的晶体结构。它包括一类具有条状或板状晶粒的硬矿物。

马氏体.jpg

二、马氏体典故

 对于学材料的人来说,“马氏体”的大名如雷贯耳,那么说到阿道夫•马滕斯又有几个人知道呢?其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多,今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。
    马氏体(Martensite),如前所述命名自Adolf Martens (1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作,并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜观察铁的金相组织,并在1878年发表了《铁的显微镜研究》,阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则,并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长,也就是柏林皇家材料试验所("Staatliche Materialprüfungsamt")的前身,他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立,他担任了副主席一职。直到现在,在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。


三.马氏体相变的基本特征  


  1. 马氏体相变的无扩散性     在较低的温度下,碳原子和合金元素的原子均已扩散困难。这时,系统自组织功能使其进行无需扩散的马氏体相变。马氏体相变与扩散性形变不同之处在于晶格改组过程中,所有原子集体协同位移,相对位移量小于一个原子间距。相变后成分不变,即无扩散,它仅仅是成分改组。

  2. .位相关系和惯习面     马氏体相变的晶体学特点是新相和母相之间存在一定的位向关系。马氏体相变时,原子不需要扩散,只作有规则的很小距离的移动,新相和母相界面始终保持着共格和半共格连接,因此相变完成之后,两相之间的位相关系仍保持着。 惯习面:马氏体转变时,新相和母相保持一定位向关系,马氏体在母相的一定晶面上形成,此晶面称为惯习面。通常以母相的晶面指数表示。钢中马氏体的惯习面随着碳含量和形成温度不同而异。有色金属中马氏体的惯习面为高指数面。

  3. 马氏体的精细亚结构     马氏体是单向组织,在组织内部出现的精细结构称为亚结构。低碳马氏体内出现极高密度的位错(可达1012/cm)。今年来发现板条状的马氏体中存在层错亚结构。在高碳钢马氏体中主要以大量精细孪晶(孪晶片间距可达30nm)作为亚结构,也存在高密度位错;有的马氏体中亚结构主要是层错。有色金属马氏体的亚结构是高密度的层错、位错和精细孪晶。

  4. 相变的可逆性,即新旧相界面可逆向移动     有色金属和合金中的马氏体相变多具有可逆性,包括部分铁基合金。这些合金在冷却时,母相开始形成马氏体的温度称为马氏体点(Ms),转变终了温度标为Mf;之后加热,在As温度逆转变形成高温相,逆相变完成的温度标以Af。 

    但是在钢中,淬火马氏体中的碳原子扩散较快,一般淬火到室温,碳原子立即扩散偏聚,形成碳原子偏聚团,如Corierl气团,100摄氏度以上即可析出碳化物。这样当马氏体加热到高温过程中,马氏体已经分解,则不能发生逆相变为奥氏体。一次钢中的马氏体一般不发生你转变。如果迅速冷却得到新鲜马氏体,之后立即迅速加热,是马氏体来不及回火析出,也会发生逆转变。 
除了以上主要特征外,马氏体相变还有表面浮凸、非恒温性等现象。浮凸是过冷奥氏体表面转变时发生的普遍现象。马氏体转变也有恒温形成的,即等温形成的马氏体。 三.马氏体的组织形态及物理本质   1.钢中马氏体的物理性质 
    

     虽然马氏体是一个单相组织,但其组织形貌和亚结构极为复杂。钢中的马氏体发现最早,应用最广,其组织形态和结构较为复杂。低碳钢、中碳钢、高碳钢淬火得到的马氏体组织结构不同;晶粒粗细不同,成分均匀性不同的奥氏体转变为马氏体的组织也不同;碳素钢、合金钢、有色金属及合金的马氏体,它们在晶体结构,亚结构,金相形态,与母相的晶体学关系等方面均不尽相同,呈现出形形色色的形态及非常复杂的物理本质。  
四.马氏体的回火转变     钢经淬火获得的马氏体组织一般不能直接使用,需要进行回火,以降低脆性,增加塑性和韧性。

 

原因是: 
1. 一般情况下,马氏体是在较快冷却速度下获得的非平衡组织,在马氏体状态下,处于较高的能量状态,使系统不稳定; 
2. 淬火组织中一般存在残余奥氏体,在使用过程中,残余奥氏体是不够稳定的; 
3. 马氏体转变后钢件中残留了内应力。 


一般所谓的“淬火马氏体”组织,实际上是脱溶初期阶段的某种状态。淬火钢在回火过程中发生的转变主要是马氏体的分解,残余奥氏体的转变,还有碳化物的析出后,碳化物转化、聚集长大;ɑ相的回复、再结晶;内应力的消除等过程。此外,等温淬火会得到贝氏体组织。贝氏体钢在连续冷却过程中也会形成贝氏体组织。有些钢淬火往往得到马氏体+贝氏体组织。因此,在钢的回火转变中还有贝氏体组织的变化问题,如贝氏体中的碳化物、贝氏体铁素体的组织变化问题等。

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