工业用钢马氏体形成及组织的研究

抗吴 · 发表于 2011-6-9 21:24:12

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钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要的工序。淬火可以显著地提高钢的硬度，为了消除淬火钢的残余内应力，同时，得到不同强度、硬度和韧性，淬火后，需要进行不同温度的回火。所以，淬火和回火是不可分割的紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

淬火工艺是将钢加热到高温，完全奥氏体化后快速冷却形成马氏体组织。不过到目前为止，对马氏体形核的了解还很粗浅，至今还未形成一个能为大家接受的理论。为此研究了几种工业用钢在淬火时马氏体的形成过程，通过实验得出上述钢种马氏均优先在晶界形成且为片状，同时发现Mo钢中晶界马氏体少，并且马氏体片很小，而Cr、Mn钢中晶界马氏体较多且为大的片状，生产中Mo钢的回火脆性较小，Cr、Mn钢的回火脆性较大，由于这种原因，我们对晶界处优先形成马氏体的原因进行了初步的讨论，并分析了晶界形成片状马氏体的原因，同时预计晶界的片状马氏体可能是产生第一类回火脆性的原因之一。

1.实验材料及实验方法
1.1实验材料：
工业用钢：65Mn 60Si2Mn 9CrSi CrWMn 5CrMnMo 42CrMo
选材原因：(1)几种材料含C量不同，使实验结果更具有代表性；
(2)含Cr，Mn的钢回火脆性大，含Mo的钢回火脆性小；
(3)选用两种Mo钢有利于找了它们的共同点。

1.2实验方法：

试样制备过程如下：
a)、把已有的材料切成小的圆柱状，高约5mm左右。
b)、实验时为了便于操作试样，在每个试样上均打一个小孔，用细铁丝栓住。
c)、将高温炉加热到试样实验温度，然后试样放入炉中保温十分钟，使其完全奥氏体化。
d)、将试样从炉中拿出快速放入等温槽中，等温槽的温度略低于试样的Ms点，然后快速搅动，使其冷速加快，防止生成屈氏体等组织。等温约两分钟，使先生成的马氏体进行回火。
e)、将试样从等温槽中拿出放入水中淬火。
加热在SX2—12—16箱式电阻炉中进行(最高温度1600℃，最大功率：12KW)。
淬火在SG—5—12坩埚电阻炉炉中进行(最高温度700℃)。
炉中介质为：55％的硝酸钾和45％的亚硝酸钠，熔点约为130℃。
金相观察在Olympus—BH显微镜上进行。观察前需要打磨和抛光，由于在高温炉中保温时，试样表面脱碳严重，所以在抛光前先将试样在砂轮上磨掉1-2mm，抛光后用2％的硝酸酒精轻轻腐蚀，使其在显微镜上能看出回火马氏体和变温马氏体在颜色上的反差。
在Olympus—BH金相显微镜得到金相照片。

2.实验结果及分析

2.1实验数据：

2.2几种工业用钢经不同的热处理工艺得到的金相组织如下图示：

2.3晶界片状马氏体的分析

2.3.1形核条件
奥氏体晶界处原子排列十分紊乱，正是由于这种排列的无规律性，使得个别的晶界处原子排列接近体心立方而成为预存核胚，随母相达冷度的增大，其临界晶核尺寸变小，这些区域便成为了马氏体晶胚，但这种能成为预存核胚的区域很少，也就是说晶界处的形核率很小，预存核胚周围的原子均不具备形核条件，它们只有在预存核胚的带动下才能发生切变而成为体心立方的马氏体，由于是由少数核胚切变长大完成，所以晶界处均形成大的片状马氏体.

2.3.2长大条件

奥氏体晶界处原子的能量很高，它为马氏体的长大提供了充足的驱动力。并且晶界处原子排列较松散，原子间隙较大，马氏体生长时由于体积变化产生的应力容易向晶界的一侧释放。
其次，钢中马氏体一旦形成核胚，其单个马氏体便以极快的速度在很短的时间内完成生长，由于马氏体生长速度极高，所以它与母相奥氏体之间必为含成组孪晶的斗共格晶界，才能保证这种巨大的长大速度。从这一点看，奥氏体晶界具有其生长的有利条件：晶界处有高密度的位错。并且马氏体进行切变长大时，新界面的形成必须依靠位错的滑移完成。

2.3.3马氏体形态

a)  如果晶界的马氏体形成条状，则其表面积很大，形成的晶界能也很高，需要很大的相变驱动力，所以晶界马氏体不易形成条状。
b)  如果形成球状马氏体，则虽然表面积减少了很多，但生长时由于体积变化产生的应力就会很大，这些应力不容易向晶界处释放，所以晶界马氏体不易形成球状。

c)  通过以上两点的分析，晶界马氏体最易形成片状，它相对条状表面积较小，晶界能较低，虽然造成的比容差应变能比条状大，但由于它处在晶界，产生的这部分应变能很容易向晶界一侧释放出来。
2.4 Mo钢的晶界马氏体分析
Mo是较强的碳化物形成元素，它能吸收周围的碳而形成Mo3C，使得奥氏体晶内碳含量很不均匀，某些区域含碳量很低，这些区域的Ms点低于周围组织，当母相达到一定的过冷度，晶界的预存核胚开始长大，这些区域也达到了形核长大的条件，它们几乎同时长大，核内马氏体长大时产生的应力影响到晶界，使晶界产生了更多的大角度晶界，并且少量离晶界近的马氏体长到晶界处，阻止了晶界马氏体的生长，所以Mo钢的晶界马氏体不明显，并且片很小。
2.5晶界马氏体与回火脆性
通过实验我们发现，晶界的片状马氏体可能是钢产生回火脆性的原因之一。
原奥氏体晶界处具有高密度的位错，这些位错组成了很多滑移系，当材料受到外力时，这些滑移系便会相对滑动以减少内应力，此时材料的韧性较好。一旦晶界处形成大的马氏体片，会使位错数量减少，使材料韧性下降，脆性增加。并且这种大的片状马氏体本身就很脆，并且相互撞击又产生了许多微小裂纹，也使钢的脆性增加，在回火过程中，从大的马氏体中析出的片状碳化物会聚集在晶界处，也加大了钢的脆性。正是由于以上原因，所以Mo钢产生的晶界马氏体少可能是其回火脆性小的原因之一。而且Cr Mn钢的晶界马氏体较多，所以其回火脆性好较大。
3.结论
通过对工业用钢马氏体形成及组成的研究，得出如下结论：
1.马氏体优先在原奥氏体晶界形成，晶界是马氏体形核的有利条件。
2.优先形成的晶界马氏体均为片状，有的分布在晶界上，有的在晶界形核后向晶内生长。
3.含Mo的钢中，出现的晶界马氏体较少。这些在晶界生成的马氏体可能是导致钢产生低温回火脆性的原因之一。
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