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寶鋼HC1150/1400MS馬氏體高強度鋼

發布日期:2016-11-13   所在地:上海市>>上海市>>盧灣區   閱讀數:4577
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馬氏體由奧氏體急速冷卻(淬火)形成,這種情況下奧氏體中固溶的碳原子沒有時間擴散出晶胞。當奧氏體到達馬氏體轉變溫度(Ms)時,馬氏體轉變開始產生,母相奧氏體組織開始不穩定。在Ms以下某溫度保持不變時,少部分的奧氏體組織迅速轉變,但不會繼續。只有當溫度進一步降低,更多的奧氏體才轉變為馬氏體。最后,溫度到達馬氏體轉變結束溫度Mf,馬氏體轉變結束。馬氏體還可以在壓力作用下形成,這種方法通常用在硬化陶瓷上(氧化釔、氧化鋯)和特殊的鋼種(高強度、高延展性的鋼)。因此,馬氏體轉變可以通過熱量和壓力兩種方法進行。

馬氏體和奧氏體的不同在于,馬氏體是體心正方結構,奧氏體是面心立方結構。奧氏體向馬氏體轉變僅需很少的能量,因為這種轉變是無擴散位移型的,僅僅是迅速和微小的原子重排。馬氏體的密度低于奧氏體,所以轉變后體積會膨脹。相對于轉變帶來的體積改變,這種變化引起的切應力、拉應力更需要重視。

馬氏體在Fe-C相圖中沒有出現,因為它不是一種平衡組織。平衡組織的形成需要很慢的冷卻速度和足夠時間的擴散,而馬氏體是在非常快的冷卻速度下形成的。由于化學反應(向平衡態轉變)溫度高時會加快,馬氏體在加熱情況下很容易分解。這個過程叫做回火。在某些合金中,加入合金元素會減少這種馬氏體分解。比如,加入合金元素鎢,形成碳化物強化機體。由于淬火過程難以控制,很多淬火工藝通過淬火后獲得過量的馬氏體,然后通過回火去減少馬氏體含量,直到獲得合適的組織,從而達到性能要求。馬氏體太多將使鋼變脆,馬氏體太少會使鋼變軟。

性能

眾所周知,馬氏體是強化鋼件的重要手段,而且一般認為,馬氏體是一種硬而脆的組織,尤其是高碳片狀馬氏體。要想提高淬火鋼的塑性和韌性,必須用提高回火溫度的方法,犧牲部分強度而換取韌性,就是說強度和塑性很難兼得。但是近年來的研究工作表明,這種觀點只是適用于片狀馬氏體,而板條狀馬氏體不是這樣,板條狀馬氏體不但具有很高的強度而且具有良好的塑性和韌性,同時還具有低的脆性轉變溫度,其缺口敏感性和過載敏感性都較低。

馬氏體的硬度和強度

鋼中馬氏體機械性能的顯著特點是具有高硬度和高強度。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳質量分數。馬氏體的硬度隨質量分數的增加而升高,當含碳質量分數達到0.6%時,淬火鋼硬度接近最大值,含碳質量分數進一步增加,雖然馬氏體的硬度會有所提高,但由于殘余奧氏體數量增加,反而使鋼的硬度有所下降。合金元素對鋼的硬度關系不大,但可以提高其強度。
  馬氏體具有高硬度和高強度的原因是多方面的,其中主要包括固溶強化、相變強化、時效強化以及晶界強化等。
(1)固溶強化。首先是碳對馬氏體的固溶強化。過飽的間隙原子碳在a相晶格中造成晶格的正方畸變,形成一個強烈的應力場。該應力場與位錯發生強烈的交換作用,阻礙位錯的運動從而提高馬氏體的硬度和強度。
(2)相變強化。其次是相變強化。馬氏體轉變時,在晶格內造成晶格缺陷密度很高的亞結構,如板條馬氏體中高密度的位錯、片狀馬氏體中的孿晶等,這些缺陷都阻礙位錯的運動,使得馬氏體強化。這就是所謂的相變強化。實驗證明,無碳馬氏體的屈服強度約為284Mpa,此值與形變強化鐵素體的屈服強度很接近,而退火狀態鐵素體的屈服強度僅為98~137Mpa,這就說明相變強化使屈服強度提高了147~186MPa
(3)時效強化。時效強化也是一個重要的強化因素。馬氏體形成以后,由于一般鋼的點Ms大都處在室溫以上,因此在淬火過程中及在室溫停留時,或在外力作用下,都會發生自回火。即碳原子和合金元素的原子向位錯及其它晶體缺陷處擴散偏聚或碳化物的彌散析出,釘軋位錯,使位錯難以運動,從而造成馬氏體的時效強化。
(4)原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束大小對馬氏體強度的影響。原始奧氏體晶粒大小及板條馬氏體束的尺寸對馬氏體強度也有一定影響。原始奧氏體晶粒越細小、馬氏體板條束越小,則馬氏體強度越高。這是由于相界面阻礙位錯的運動造成的馬氏體強化。

 

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