马氏体的组织形态

第三节第三节 马氏体的组织形态马氏体的组织形态 (本节建议时间：15 分钟) 一 马氏体的形态 1. 板条马氏体 出现于低、中碳钢中，其形貌可见图 3-3-1，其中的板条束为惯习面相 同的平行板条组成， 板条间有一层 A 膜；板条的立体形态可以是扁条状，也可 以是薄片状；一个奥氏体晶粒有几个束，一个束内存在位向差时，也会形成几 个块。板条 M 的亚结构为位错，密度高达(0.3 0.9)×1012/cm2，故称位错 M。 3-3-1 板条马氏体显微组织特征示意图 2. 透镜片状马氏体(简称片状 M) 出现于中、高碳钢中，其形貌可见图 3-3-2。立体外形呈双凸透镜状， 断面为针状或竹叶状。 马氏体相变时，第一片分割奥氏体晶粒，以后的马氏体 片愈来愈小。 M 形成温度高时，惯习面为{225} A，符合 K-S 关系； 形成温度低时，惯习 面为{259} A ，符合西山关系.片状 M 的亚结构为{112} M 的孪晶。 M 还有其它形态如蝶状、薄片状与薄板状等。 - 1 - 3-3-2 透镜片状马氏体 二 影响 M 形态及其内部亚结构的因素 1. 化学成分 奥氏体中碳含量的影响最为重要，在碳钢中，当C 含量： C1.0%时，生成片状M，亚结构为孪晶@c000000255； C 为 0.3 1.0%时，生成混合型组织(片状+板条)。 2. 形成温度 M S 点高的 A，冷却后形成板条 M，亚结构为位错; M S 点低的 A， 冷却后形成片状 M，亚结构为孪晶; M S 点不高不低的 A，冷却后形成混合型组织(片状+板条 M)，亚结构为位错+ 孪晶。 9.5 马氏体转变 钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散分解，在较低温度下发生无扩散性相变 －马氏体相变，这一过程通常称为淬火。 9.5.1 钢中马氏体的晶体结构 - 2 - 轴比轴比 c/ac/a 称为马氏体的正方度称为马氏体的正方度 9.5.2 钢中马氏体转变的主要特点 - 3 - 无扩散相变，以共格切变的方式进行； 特点： 无扩散性； 具有一定的位向关系和惯习面：钢中马氏体的惯习面随奥氏体的含碳量及马氏 体的形成温度不同而异； 表面浮凸现象； 转变在一个温度范围内完成； 不需要孕育期，高速长大。 9.5.3 钢中马氏体的形态及其结构 透射电镜观察，板条马氏体内有高密度位 2、片状马氏体 片状马氏体常见于淬火的高碳钢、中碳钢、高镍的铁镍合金。 - 4 - 3. 影响马氏体形态和亚结构的因素 - 5 - - 6 - 热处理对工模具钢热处理对工模具钢 5Cr8MoVSi5Cr8MoVSi 的影响的影响 [ 2004-7-14 10:58:00] 工模具钢 5Cr8MoVSi(0.55C，8.13Cr，1.38Mo，0.45V，0.72Si)经 840℃退火 硬度为 HB218，钢中碳化物以 M23C6 为主，并有少量的 MC 和 M7C3。该钢 合适的淬火温度为 980-1050℃，最高硬度为 HBC60-61。随淬火温度升高，淬 火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到板条状马氏体组织， 剩余碳化物主 要为 MC 和 M7C3，为减少残余奥氏体量，该钢应进行二次或三次回火。 5Cr8NoVSi 钢是近年来我国应用较多的新钢种，主要用于耐冲击性工模 具和薄刃刀具上。但是，目前对 5Cr8MoVSi 钢的热处理工艺研究较少，所生 产的工模具常发生硬度不高和断裂失效现象。因此，本文较详细地研究了 5Cr8MoVSi 钢热处理工艺对硬度和组织结构的影响。 1 1、、 实验材料及实验方法实验材料及实验方法 试样退火、淬火、回火均在坩埚电阻炉中进行，淬火采用油介质冷却。 用 D/maxⅢA X 射线衍射仪分析相结构和残余奥氏体量，定量金相法测 量奥氏体晶粒数、碳化物体积分数及尺寸、马氏体尺寸，JXA-733 电子 探针分析显微组织和成分。 工模具钢 5Cr8MoVSi 化学成分: C 0.55Mn 0.45 Si 0.72Cr 8.13Mo 1.38V 0.45 S ≤0.02P ≤0.03 2 2、实验结果及分析、实验结果及分析 2.1 退火 试样经 840℃退火硬度为 HB218， 退火显微组织为球状珠 - 7 - 光体，碳化物的平均尺寸为 0.94μm，体积分数约为 0.32。碳化物相以 M23C6 为主，其次有 M7C3 和 MC。 2.2 淬火淬火实验温度为 880℃、900℃、930℃、950℃、1000℃、 1050℃。 随淬火温度升高， 淬火硬度升高。 1000℃淬火时， 硬度为 HRC60； 1050℃淬火时，硬度为 HRC60.3。 淬火组织为马氏体、剩余碳化物和残 余奥氏体。在950℃淬火时，马氏体由针状马氏体和板条状马氏体组成， 针对马氏体的比例较大，剩余碳化物呈小颗粒状或点状分布；1000℃淬 火时马氏体仍然由针状马氏体和板条状马氏体组成，剩余碳化物呈点状 分布，残余奥氏体夹在马氏体针或板条之间；1050℃淬火时，马氏体以 板条状马氏体为主，只有少量的针状马氏体（＜10%），残余奥氏体量 增多，剩余碳化物极少，尺寸也更小。 金相分析表明：随温度程式高，奥氏体晶粒度变大，马氏体针变长， 剩余碳化量减少，尺寸变小，淬火试样残余奥氏体量随淬火温度升高而 升高，1000℃淬火时，残余奥氏体量约 10%。奥氏体晶粒尺寸随淬火温 度升高而升高，淬火马氏体板条或针状尺寸也与晶粒度尺寸对应。 分析表明，淬火试样以 α 马氏体为主要相，其次是残余奥氏体γ’，剩 余碳化物为 M7C3、MC，并有微量的 M23C6。与退火碳化物相分析对 照后可知，在1000℃淬火时，M23C6 大部分溶解，而原来少量的M7C3 和 MC 型碳化物因难于溶解，成为主要剩余碳化物。 - 8 - 2.3 回火回火温度小于 380℃时，随回火温度升高，回火硬度降低。 在此区间，主要是马氏体分解过程，马氏体含碳量降低，马氏体晶体结 构的正方度（c/a）下降。在 480-500℃回火，有明显的二次硬化现象。 485℃回火最高硬度为 HRC58，比淬火硬度低 2HRC 左右。二次硬化主 要是 MC（VC）沉淀硬化的效果。 随回火温度升高，残余奥氏体量减 少。只通过一次回火残余奥氏体分解较少，通过三次回火残余奥氏体量 可降低到 6%左右。 3 3、讨论、讨论 工模具钢 5Cr8MoVSi 碳含量为 0.55%， 淬火马氏体形态为板条状和针 状。在较低的温度下淬火时，剩余碳化物量较多，在靠近碳化物的奥氏 体区中，因碳化物溶解过程中碳的扩散呈梯度分布，因此，有局部高碳 区。局部高碳区在冷却过程中转变成针状马氏体，其亚结构是孪晶。在 较高的温度下淬火，剩余碳化物主要是少量的VC 和 M7C3，溶解速度 很慢，因此大部分奥氏体区域碳含量均匀化，尽管此时奥氏体平均碳含 量高，但是相对于高碳奥氏体来说，其含量还是低的。所以在较高温度 淬火时，板条马氏体比例增大。板条马氏体比针状马氏体韧性高， 因此， 该钢可以在较高的温度下淬火。 但板条在 300-400℃回火时， 因析出的碳 化物沿板条分布，会显示出回火脆性。所以，在较高的温度下淬火，获 得以板条状马氏体为主的显微组织时，应避开回火脆性区，或者以较