01 鐵碳合金的非平衡凝固
在先前的文章中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了鐵碳合金的平衡凝固過程及其組織。但實(shí)際生產(chǎn)中大多為非平衡凝固，存在過冷度。當(dāng)凝固時(shí)的過冷度不大時(shí)，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(dāng)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(shí)發(fā)生的共析轉(zhuǎn)變，共析鋼冷卻至A1以下的溫度時(shí)，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，γS
αP+Fe3C，形成鐵素體與滲碳體交替分布的片層狀共析組織，為機(jī)械混合物。
馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼中過冷奧氏體在Ms點(diǎn)（230℃）以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這個(gè)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(jī)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(dú)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(yuǎn)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(jī)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(yīng)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(gè)原奧氏體晶粒中有若干個(gè)馬氏體板條塊，一個(gè)板條塊又分為幾個(gè)平行的板條束，板條束內(nèi)分布著若干個(gè)平行的馬氏體板條，每一個(gè)板條為一個(gè)單晶體。具有高密度的位錯(cuò)，又稱位錯(cuò)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(cuò)，孿晶結(jié)合部分的帶狀薄筋為中脊，中脊為高密度微細(xì)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(kuò)散性，即鐵、碳原子均不發(fā)生擴(kuò)散
②共格切變性，即相變通過切變進(jìn)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(gè)原子距離，與母相保持共格關(guān)系。
③存在慣習(xí)面及新相母相間的位向關(guān)系
④表面浮凸效應(yīng)，即馬氏體形成時(shí)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(shí)，馬氏體將向奧氏體轉(zhuǎn)變
馬氏體的形狀記憶效應(yīng)：
形狀記憶效應(yīng)：將某些金屬材料進(jìn)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(fù)到變形前的形狀，此現(xiàn)象稱形狀記憶效應(yīng)，這種材料稱形狀記憶合金。
原因：馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性、共格切變性和可逆轉(zhuǎn)變性。母相冷卻過程中外加應(yīng)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(dāng)加熱溫度超過馬氏體相變逆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，伴隨熱彈性馬氏體逆轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形狀恢復(fù)，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(cuò)，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(yīng)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(shí)體積膨脹量大， 內(nèi)應(yīng)力大，片與片相撞時(shí)易產(chǎn)生顯微裂紋，故脆性大。
馬氏體具有高強(qiáng)度、高硬度的原因：
①固溶強(qiáng)化：碳原子進(jìn)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(yīng)力場，這個(gè)應(yīng)力場與位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)烈交互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，從而產(chǎn)生強(qiáng)化。
②碳原子偏聚到位錯(cuò)線處，釘扎位錯(cuò)產(chǎn)生強(qiáng)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(cuò)、孿晶等，這些缺陷阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，從而產(chǎn)生強(qiáng)化。
此外，若原奧氏體的晶粒越細(xì)小，板條馬氏體越小，則強(qiáng)度越高。
表2 馬氏體知識點(diǎn)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(yīng)兩個(gè)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(jī)械性能較差，脆性很大，強(qiáng)度很低，基本無實(shí)用價(jià)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(qiáng)度和硬度，還有良好的塑性和韌性，故綜合機(jī)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(qiáng)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(zhǔn)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(zhǔn)上貝氏體、上貝氏體；
以下貝氏體為代表：柱狀貝氏體、準(zhǔn)下貝氏體、特殊下貝氏體、下貝氏體。
圖4
貝氏體轉(zhuǎn)變的機(jī)制：為半擴(kuò)散型相變，碳原子短程擴(kuò)散，鐵原子共格切變（貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制目前仍存在爭議）。
06 貝氏體的性能
強(qiáng)度：上貝氏體的強(qiáng)度比下貝氏體的強(qiáng)度低，因?yàn)橄仑愂象w中碳化物顆粒小、數(shù)量多、分布均勻，對合金強(qiáng)化的貢獻(xiàn)較大；
韌性：下貝氏體的韌性比上貝氏體高得多，因?yàn)樯县愂象w中存在粗大碳化物，裂紋擴(kuò)展迅速。
圖5
（來源：材子考研）
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