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1、2.钢铁材料的组织与性能钢铁材料的组织与性能 2.1 马氏体组织与性能马氏体组织与性能 2.2 贝氏体组织与性能（自学）贝氏体组织与性能（自学） 2.3 珠光体组织与性能（自学）珠光体组织与性能（自学） 2.1 马氏体组织与性能马氏体组织与性能 认识马氏体认识马氏体 早在战国时代人们已经知道用淬火早在战国时代人们已经知道用淬火(即将钢加热到 高温后淬入水或油中急冷 即将钢加热到 高温后淬入水或油中急冷) 的方法可以提高钢的硬度， 经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。 十九世纪末期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的 变化。为了纪念在这一发展过程中做出
2、杰出贡献的德国 冶金学家 的方法可以提高钢的硬度， 经过淬火的钢制宝剑可以“削铁如泥”。 十九世纪末期，人们才知道钢在“加热和冷却” 过程中内部相组成发生了变化，从而引起了钢的性能的 变化。为了纪念在这一发展过程中做出杰出贡献的德国 冶金学家Adolph Martens，法国著名的冶金学家法国著名的冶金学家 Osmond建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏体”建议将钢经淬火所得高硬度相称为“马氏体” ，并将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。并将得到马氏体相的转变过程称为马氏体转变。 十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢中的马 氏体转变及转变所得产物 十九世纪末到二十世纪初主要局限于研究钢
3、中的马 氏体转变及转变所得产物马氏体。马氏体。 二十世纪三十年代，人们用二十世纪三十年代，人们用X射线结构分析的方法测 得钢中马氏体是碳溶于 射线结构分析的方法测 得钢中马氏体是碳溶于-Fe而形成的过饱和固溶体，而形成的过饱和固溶体，马马 氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳，氏体中的固溶碳即原奥氏体中的固溶碳，因此，曾一度认 为 因此，曾一度认 为“所谓马氏体即碳在“所谓马氏体即碳在Fe中的过饱和固溶”。中的过饱和固溶”。 四十年代前后，在四十年代前后，在FeNi、FeMn合金以及许多有色金 属及合金中也发现了马氏体转变。 合金以及许多有色金 属及合金中也发现了马氏体转变。 在冷却过程中所发生
4、马氏体转变所得产物统称为马氏体在冷却过程中所发生马氏体转变所得产物统称为马氏体 铁素体（铁素体（ ferrite ， -Fe） 晶体结构为 体心立方， 具有铁磁性； 是珠光体(Pearlite)和贝氏体(Bainite)的构成组织之一 奥氏体（奥氏体（Austenite， -Fe） 奥氏体奥氏体是是-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体 晶体结构为面心立方； 溶碳能力较大，强度低，可塑性强， 膨胀灵敏，无磁性，有一定韧性 面心立方 马氏体马氏体（Martensite） 马氏体马氏体是纯是纯金属金属或或合金合金从某一从某一固相固相转变成另一固相时转变成另一固相时 的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学
5、成分不改 变，但 的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学成分不改 变，但晶格晶格发生变化，同时新旧相间维持一定的位向发生变化，同时新旧相间维持一定的位向 关系并且具有关系并且具有切变切变共格的特征。共格的特征。 体心四方 马氏体相变马氏体相变 1.奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体，它是Fe的面 心立方结构，其溶碳能力较大。 2.马氏体是碳溶于-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无 扩散型相变转变成的亚稳定相，是母相奥氏体快速冷却时 形成的新相，为体心四方结构，其溶碳能力较小。 3.马氏体相变：从奥氏体到马氏体的转变，为非恒温性、无扩 散型相变。 1.奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体，它是F
6、e的面 心立方结构，其溶碳能力较大。 2.马氏体是碳溶于-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无 扩散型相变转变成的亚稳定相，是母相奥氏体快速冷却时 形成的新相，为体心四方结构，其溶碳能力较小。 3.马氏体相变：从奥氏体到马氏体的转变，为非恒温性、无扩 散型相变。 面心立方 体心四方/正方 （一）马氏体的晶体结构（一）马氏体的晶体结构 马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下 列公式表示 马氏体的点阵常数和钢中碳含量的关系也可用下 列公式表示 += = += 1/ 0 0 ac aa ac 式中式中 a0为为 -Fe的点阵常数，的点阵常数， a02.861 =0.116 0.002； =0.1
7、13 0.002； =0.046 0.001； -马氏体的碳含量（重量百分比）马氏体的碳含量（重量百分比） 体心四方/正方 1、马氏体点阵常数1、马氏体点阵常数 a b c 90o 2、碳原子在马氏体点阵中位置及分布2、碳原子在马氏体点阵中位置及分布 碳原子在马氏体点阵中的位置碳原子在马氏体点阵中的位置 C在在-Fe中可能存在的位置是中可能存在的位置是Fe原子构成的体心立 方点阵的八面体间隙位置 原子构成的体心立 方点阵的八面体间隙位置，如图所示：，如图所示： 亚点阵亚点阵的概念的概念 根据碳原子在马氏体点阵可能存在的位置，人们发 现，碳原子处于三种分布位置时，都能形成由碳原子构 成的八面体，
8、这种可能出现的原子阵列，称为 根据碳原子在马氏体点阵可能存在的位置，人们发 现，碳原子处于三种分布位置时，都能形成由碳原子构 成的八面体，这种可能出现的原子阵列，称为亚点阵。亚点阵。 碳原子的分布碳原子的分布 通常假设碳原子优先占据八面体间隙位置的第三 亚点阵，结果使 通常假设碳原子优先占据八面体间隙位置的第三 亚点阵，结果使c轴伸长，轴伸长，a轴缩短，使体心立方点阵 的 轴缩短，使体心立方点阵 的Fe变成了体心正方点阵的马氏体。但并不是所 有碳原子都占据第三亚点阵位置，通过中子辐照分析 的结论是： 变成了体心正方点阵的马氏体。但并不是所 有碳原子都占据第三亚点阵位置，通过中子辐照分析 的结论
9、是：80%的碳原子占据第三亚点阵， 20%的 碳原子占据其它两个亚点阵，即，碳原子在马氏体 点阵中呈部份有序分布。 80%的碳原子占据第三亚点阵， 20%的 碳原子占据其它两个亚点阵，即，碳原子在马氏体 点阵中呈部份有序分布。 3、马氏体的异常正方度3、马氏体的异常正方度 新形成马氏体的正方度新形成马氏体的正方度c/a偏离公式给出的正方度 ，称为马氏体异常正方度 偏离公式给出的正方度 ，称为马氏体异常正方度。 新形成马氏体的正方度远低于公式给出的正方度，称为 异常低正方度 新形成马氏体的正方度远低于公式给出的正方度，称为 异常低正方度。低温初生马氏体，碳在点阵中无序排列低温初生马氏体，碳在点阵
10、中无序排列 新形成马氏体的正方度远高于公式给出的正方度，称为 异常高正方度 新形成马氏体的正方度远高于公式给出的正方度，称为 异常高正方度。温度升高，碳原子有序化温度升高，碳原子有序化 += = += 1/ 0 0 ac aa ac 铁铁的两种晶体结构：的两种晶体结构： 体心立方结构体心立方结构（铁）；（铁）；面心立方结构面心立方结构（ 铁）（ 铁） 碳碳在钢中的两种主要存在形式：在钢中的两种主要存在形式： 1. 溶入铁中与铁形成固溶体； 溶于铁中形成的固溶体称 溶入铁中与铁形成固溶体； 溶于铁中形成的固溶体称铁素体铁素体；溶于铁中 形成的固溶体称 溶于铁中 形成的固溶体称奥氏体奥氏体，其最大
11、溶解度为其最大溶解度为2.11%. 2. 与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（与铁形成铁碳化合物，称渗碳体（Fe3C）。）。 （二）马氏体的组织结构（二）马氏体的组织结构 二马氏体的组织形貌二马氏体的组织形貌 马 氏 体 马 氏 体 板条马氏体板条马氏体 片状马氏体片状马氏体 薄板状马氏体薄板状马氏体 蝶状马氏体蝶状马氏体 薄片状马氏体薄片状马氏体 M组织形态取决于钢的成分和热处理条件。组织形态取决于钢的成分和热处理条件。 影响马氏体形态及其内部亚结构的因素影响马氏体形态及其内部亚结构的因素 化学成分化学成分、形成温度形成温度；其它因素其它因素 Fe-Ni-C合金（合金（25-35%Ni）形成的各类
12、马氏体形态 与形成温度和碳含量的关系 ）形成的各类马氏体形态 与形成温度和碳含量的关系 奥氏体 (A) 强度决定 变形方式(滑移或孪生)， 导致形成位错M或孪晶M。 A层错能低，易形成位错M； A层错能高，易形成孪晶M。 1、板条状、板条状M（lath） 板条状板条状M：低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、：低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、Fe-Ni合金 中形成的一种典型 合金 中形成的一种典型M组织。下图是低碳钢淬火板条状组织。下图是低碳钢淬火板条状M。 特征：每个单元形状为窄而细长的板条，许多板条总是成群 地相互平行地聚一起。 亚结构：主要是位错，密度约为 。 特征：每个单元形状为窄而细长
13、的板条，许多板条总是成群 地相互平行地聚一起。 亚结构：主要是位错，密度约为0.3-0.91012cm-2。 碳钢板条马氏体的金相显微组织碳钢板条马氏体的金相显微组织 (a) Fe-0.0026C (b) Fe-0.18C (c) Fe-0.38C (d) Fe-0.61C 2、片状、片状M（plate）：）： 中、高碳钢及中、高碳钢及Fe-Ni(29%)合金中典型合金中典型M组织 碳钢碳含量小于 组织 碳钢碳含量小于1.0%时，与板条时，与板条M共存，大于共存，大于1.0%时才 单独存在。立体形状是双凸透镜片状，表面相截成针状或竹 叶状，称片状 时才 单独存在。立体形状是双凸透镜片状，表面相
14、截成针状或竹 叶状，称片状M或针状或针状M。形成的。形成的M生长受到限制（生长受到限制（M不互 相穿越，也不穿过母相晶界和孪晶界），因此 不互 相穿越，也不穿过母相晶界和孪晶界），因此M大小不一。大小不一。 片状马氏体示意图片状马氏体示意图 多数片状多数片状M的中间有中脊线（按立体 应为中脊面），其厚度约为 的中间有中脊线（按立体 应为中脊面），其厚度约为0.5-1 m。 中脊面是最先形成的，因此中脊面被 视为转变的惯习面。 。 中脊面是最先形成的，因此中脊面被 视为转变的惯习面。 （三）马氏体组织的强度（三）马氏体组织的强度 马氏体的特殊性能及应用马氏体的特殊性能及应用 马氏体组织的强度马氏
15、体组织的强度 HRC C（wt%） 淬火钢硬度与含碳量的关系 淬火钢硬度马氏体硬度 ） 淬火钢硬度与含碳量的关系 淬火钢硬度马氏体硬度 马氏体的强度与碳含量碳含量（碳原子固溶强化） 有关： 当wc0.4%，碳原子靠得太近，其周围的应 力场减弱，与位错中心的交互作用难以实现，强 化作用减弱，强度不再增加。 0.2%C钢渗碳淬火后碳含量与维氏硬度、纳米压痕硬度和 残余奥氏体的关系 钢渗碳淬火后碳含量与维氏硬度、纳米压痕硬度和 残余奥氏体的关系 马氏体组织的强度马氏体组织的强度 马氏体的特殊性能及应用马氏体的特殊性能及应用 马氏体组织的强度马氏体组织的强度 HRC C（wt%） ） 低碳马氏体（板条
16、马氏体）的碳原子固溶 强化作用是碳原子在马氏体位错偏聚形成的 Cottrell气团和有序化排列形成的Snoek气团钉扎 了位错的运动，提高了材料的强度。 板条尺寸一定时，马氏体强度与碳含量之 间是平方根关系。 马氏体的特殊性能及应用马氏体的特殊性能及应用 马氏体组织的强度马氏体组织的强度 HRC C（wt%） 淬火钢硬度与含碳量的关系 淬火钢硬度马氏体硬度 ） 淬火钢硬度与含碳量的关系 淬火钢硬度马氏体硬度 除了碳原子的固溶强化作用，其他因素对 低碳马氏体的强度也有影响： 0：摩擦应力；1：合金元素的固溶强化； d：板条宽度；D：板条束尺寸；0：板条内的位 错密度。 板条束的尺寸对强度的作用可视为“有效 晶粒”的作用。 2 1 0 2 1 2 1 10 ）%( Csyy wKGbdkDk+= 奥氏体晶粒尺寸越小，马氏体束尺寸也越小，马氏体 的强度越高。从变形的角度来讲，由于束界间的位向差较 大，
