01　鐵碳合金的非平衡凝固

在先前的文章中，我們已經(jīng)學習了鐵碳合金的平衡凝固過程及其組織。但實際生產(chǎn)中大多為非平衡凝固，存在過冷度。當凝固時的過冷度不大時，鋼中過冷奧氏體發(fā)生接近于平衡轉(zhuǎn)變（共析轉(zhuǎn)變）的珠光體轉(zhuǎn)變；當轉(zhuǎn)變溫度繼續(xù)降低會發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變兩種非平衡轉(zhuǎn)變。

圖1

珠光體轉(zhuǎn)變：即過冷度不大時發(fā)生的共析轉(zhuǎn)變，共析鋼冷卻至A1以下的溫度時，奧氏體對于鐵素體和滲碳體均呈過飽和態(tài)，從而發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，γSαP+Fe3C，形成鐵素體與滲碳體交替分布的片層狀共析組織，為機械混合物。

馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼中過冷奧氏體在Ms點（230℃）以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這個轉(zhuǎn)變持續(xù)至馬氏體形成終了溫度Mf。

【注】除了鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變外，有許多不同材料中均存在馬氏體轉(zhuǎn)變機制，即馬氏體型相變。將由馬氏體型相變生成的相統(tǒng)稱為馬氏體。

鋼中馬氏體：用M表示，為過飽和碳溶于鐵素體的間隙固溶體，是單相組織。馬氏體的形成過程特殊，顯微結(jié)構(gòu)獨特，與珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物有著本質(zhì)區(qū)別。

表1　一些有色金屬及其合金中馬氏體轉(zhuǎn)變的情況

貝氏體轉(zhuǎn)變：過冷奧氏體在550℃～Ms（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度）的轉(zhuǎn)變，又稱為中溫轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變溫度介于珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變之間，轉(zhuǎn)變速率遠比馬氏體轉(zhuǎn)變低。

貝氏體：用B表示，仍是由鐵素體與滲碳體組成的機械混合物，但其形貌與滲碳體的分布與珠光體型不同，硬度也比珠光體型高。

02　馬氏體組織

按馬氏體的常見形貌，可將馬氏體組織分為兩類，也對應了碳含量的高低。

板條狀馬氏體：低碳鋼中的典型馬氏體組織，一個原奧氏體晶粒中有若干個馬氏體板條塊，一個板條塊又分為幾個平行的板條束，板條束內(nèi)分布著若干個平行的馬氏體板條，每一個板條為一個單晶體。具有高密度的位錯，又稱位錯型馬氏體。

圖2板條馬氏體

片狀馬氏體（針狀馬氏體）：高碳鋼中的凸透鏡片狀馬氏體在光鏡下呈針狀或竹葉狀，馬氏體片不平行，被殘余奧氏體包圍。亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶，在邊緣區(qū)存在著高密度的位錯，孿晶結(jié)合部分的帶狀薄筋為中脊，中脊為高密度微細孿晶，又稱孿晶型馬氏體。

圖3片狀馬氏體

中碳鋼為板條狀馬氏體和片狀馬氏體的混合組織。除此還有蝶狀馬氏體和薄片狀馬氏體。

03　馬氏體轉(zhuǎn)變的特征

馬氏體轉(zhuǎn)變的特征：

①無擴散性，即鐵、碳原子均不發(fā)生擴散

②共格切變性，即相變通過切變進行，母相的原子協(xié)同式的遷移到馬氏體新相，遷移的距離小于一個原子距離，與母相保持共格關(guān)系。

③存在慣習面及新相母相間的位向關(guān)系

④表面浮凸效應，即馬氏體形成時試樣表面出現(xiàn)的浮凸現(xiàn)象

⑤轉(zhuǎn)變速度極快

⑥不完全性，即不能得到100%的馬氏體組織，有殘余奧氏體存在

⑦可逆性，即快速加熱至奧氏體化溫度時，馬氏體將向奧氏體轉(zhuǎn)變

馬氏體的形狀記憶效應：

形狀記憶效應：將某些金屬材料進行變形后加熱至某一特定溫度以上，變形金屬材料形狀恢復到變形前的形狀，此現(xiàn)象稱形狀記憶效應，這種材料稱形狀記憶合金。

原因：馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴散性、共格切變性和可逆轉(zhuǎn)變性。母相冷卻過程中外加應力誘發(fā)馬氏體相變，利用馬氏體相變偽彈性產(chǎn)生宏觀變形。加熱過程中，當加熱溫度超過馬氏體相變逆轉(zhuǎn)變溫度時，伴隨熱彈性馬氏體逆轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形狀恢復，完成形狀記憶過程。

04　馬氏體的性能

馬氏體的塑韌性：

板條狀馬氏體：碳含量低，亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯，形成溫度較高可發(fā)生自回火，晶格正方度（c/a）較小，內(nèi)應力較小，無顯微裂紋，故具有較高的塑韌性。

片狀馬氏體：碳含量高，亞結(jié)構(gòu)主要為孿晶，相變時體積膨脹量大， 內(nèi)應力大，片與片相撞時易產(chǎn)生顯微裂紋，故脆性大。

馬氏體具有高強度、高硬度的原因：

①固溶強化：碳原子進入馬氏體的扁八面體間隙中心，形成以碳原子為中心的畸變偶極應力場，這個應力場與位錯產(chǎn)生強烈交互作用，阻礙位錯運動，從而產(chǎn)生強化。

②碳原子偏聚到位錯線處，釘扎位錯產(chǎn)生強化作用。

③馬氏體相變的切變性，造成馬氏體內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，如位錯、孿晶等，這些缺陷阻礙位錯運動，從而產(chǎn)生強化。

此外，若原奧氏體的晶粒越細小，板條馬氏體越小，則強度越高。

表2　馬氏體知識點匯總

05　貝氏體組織

按貝氏體的常見形貌，可將貝氏體組織分為兩類，即對應兩個不同的溫區(qū)。

上貝氏體（B上）：形成溫度為550℃～350℃，呈羽毛狀，其硬度比同樣成分的下貝氏體低，韌性比下貝氏體差，故上貝氏體的機械性能較差，脆性很大，強度很低，基本無實用價值。

下貝氏體（B下）：形成溫度為350℃～Ms，呈針狀或片狀，有較高的強度和硬度，還有良好的塑性和韌性，故綜合機械性能較好，是生產(chǎn)上的常用組織，獲得下貝氏體組織是強化鋼材的途徑之一。

除以上兩種還有粒狀貝氏體、無碳化無貝氏體、準上/下貝氏體、特殊下貝氏體、柱狀貝氏體、反常貝氏體。

將鋼中可能出現(xiàn)的九種貝氏體歸類：

以上貝氏體為代表：無碳化物貝氏體、粒狀貝氏體、反常貝氏體、準上貝氏體、上貝氏體；

以下貝氏體為代表：柱狀貝氏體、準下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。

圖4

貝氏體轉(zhuǎn)變的機制：為半擴散型相變，碳原子短程擴散，鐵原子共格切變（貝氏體轉(zhuǎn)變機制目前仍存在爭議）。

06　貝氏體的性能

強度：上貝氏體的強度比下貝氏體的強度低，因為下貝氏體中碳化物顆粒小、數(shù)量多、分布均勻，對合金強化的貢獻較大；

韌性：下貝氏體的韌性比上貝氏體高得多，因為上貝氏體中存在粗大碳化物，裂紋擴展迅速。

圖5

（來源：材子考研）