马氏体组织资料.docx
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马氏体组织资料
实验钢中马氏体组织观察
马氏体是钢和一些铁合金的重要的基本组织。
随着合金种类和成份的变化马氏体的形态和内部精细结构等也跟着变化，这些变化对马氏本的机械性能会产生很大影响。
因此掌握马氏体的组织形态特征并了解影响组织形态的各种因素是十分必要的。
一、马氏体的组织形态
近年来，随着薄膜透射电子显微技术的发展，人们对马氏体的形态及其精细结构进行了详细的研究，发现钢中的马氏体组织形态虽然是多种多样，但就其特征而言，大体可分为板条群集状马氏体、透镜片状马氏体、蝶状马氏体、薄片状马氏体、ε—马氏体等。
其中最常见的是板条群集状马氏体和透镜片状马氏体。
下面对这两种常见的马氏体形态进行较详细的介绍，其他马氏体形态只作一般介绍。
1.板条群集状马氏体
板条群集状马氏体是在低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢、不锈钢等铁系合金中生成的一种典型的马氏体组织。
这种马氏体在光学显微镜下的组织特征主要是由尺寸大致相同平行排列的板条状马氏体群组成。
所以称此马氏体为群集状马氏体（参看图1-61）。
近年来用电子显微镜研究的结果，发现板条内有密度很高的位错，位错密度约为（0.3～0.9）×1012cm-1，为此，有时也称板条群集状马氏体为位错型马氏体（见图1～62）。
此外，在板条内的局部地区也有孪晶存在，但数量很少，不是主要的晶格缺陷。
板条群集状马氏体与母相奥氏体的晶体学位向关系是K～S关系，惯习面为（111）γ；18～8型奥氏体不锈钢中的板条群集状马氏体的惯习面是（225）Γ。
应用透射电子显微镜测定板条宽度范围在0.025～2.25μ之间，大多数板条的宽度为0.1～0.2μ之间。
相同方向的板条马氏体群之内，相邻板条之间并不严格平行而是以小角度晶界相间，板条群之间以大角度晶界相间。
实验证明，改变奥氏体化温度，即改变奥氏体晶粒大小，对板条宽度几乎没有影响，但板条群的大小却随奥氏体晶粒的增大而增大，两者之间的比大致不变。
所以，一个奥氏体晶粒内生成的板条群数目是不变的。
图1-63示意地示出在一个奥氏体晶粒内板条群集状马氏体的分布特点。
一个奥氏体晶粒内可以包含几个（如图1-63中A、B、C、D等）板条群，在一个板条群内又可以分为几个平行（如图1-63中B那样）的区域。
这是由于马氏体形成时，根据K—S位向关系，马氏体在母相奥氏体中可以有24种不同取向，其中能平行生成板条状马氏体的位向有6种，同一种位向转变成的马氏体板条束称为同位向束。
数个平行的同位向束即组成一个板条群。
一般认为，在一个板条群内，只可能按两组可能位向转变。
因此，一个板条群内是由两组同位向板条束交替组成。
显微试片经腐蚀后，可在板条群内显现出黑、白不同的色调，同一色调区是由同位向的板条状马氏体束组成。
但也有一个板条群大体上由一种同位向束构成（如图1-63中C所示）的情况。
一个同位向束是由平行排列的板条所组成（如图1-63中D所示）。
在一个同位向束内还混有少量不同位向的板条。
若把由一个K—S位向构成的位向束看成基体，那些位向不同的板条多半与基体板条呈孪晶关系。
但是，这种孪晶关系与通常体心立方点阵中的孪晶并不相同，它是由相互不同的两种特定的K—S位向转变形成的孪晶，两者的界面是{110}M。
2.透镜片状马氏体
这种形态的马氏体也是铁基合金中出现的一种典型组织，常见于中、高碳钢和含镍量较高的Fe—Ni合金中。
透镜片状马氏体的空间形态呈透镜片状，与试样磨面相截得针状或竹叶状，片间互不平行。
马氏体一般不能穿过奥氏体晶界或另一马氏体片而继续长大。
在一个奥氏体晶粒内当温度稍低于Ms点时先形成的第一片马氏体往往横贯整个奥氏体晶粒，将奥氏体晶粒分割为两半，使以后形成的马氏体片大小受到限制，因此，在一个奥氏体晶粒内片状马氏体的大小不一，先形成者尺寸较大，愈是后形成的马氏体片则愈小（如图1-64所示）。
透镜片状马氏体的惯习面是（225）γ或（259）γ，与母相的位向关系是K—S关系或西山关系。
透镜片新诗马氏体的光学显微镜下的组织形态如图1-65所示，其透射电镜组织形态如图1-66所示。
透镜片状马氏体的光学显微组织形态可以清楚地观察到中脊，其片内的详细细节看不清楚。
而透射电子显微镜下，可以观察到马氏体内有许多细线，这些细线是相变孪晶，中间接合部分的带状薄筋是中脊。
透镜片状马氏体的重要组织特征之一是有明显的中脊（惯习面为（225）γ的马氏体则无中脊）。
关于中脊的本质目前尚不十分清楚，一般认为它是马氏体转变初期形成的非常薄的区域，宽约0.5～1μ，和其余部分的位向稍有不同，至于中脊宽度和马氏体片的大小之间的关系也还不明确。
相变孪晶的存在是透镜片状马氏体组织的又一特征，孪晶的面间距大小约为50～10nm，一般不扩展到马氏体的边界上，在片的边沿则为复杂的位错组列。
因为片状
图1-65片状马氏体在光学显微镜下的典图1-66片状马氏体在电子显微镜下的组织形态
型组织形态×320
马氏体的内部亚结构主要是孪晶组织，因此也称其为孪晶型马氏体。
根据上述透镜片状马氏体内部亚结构的差异可将其分为以中脊为中心的相变孪晶区（中间部分）和无孪晶区（存在位错的部分）两部分。
孪晶区所占的比例随合金成分的变化而变化，如在Fe—Ni合金中，含Ni量越高（即Ms点越低）孪晶区越大。
根据对Fe—Ni—C合金的研究指出，即使对同一成份的合金，随着Ms点的降低（如由改变奥氏体化温度所引起），孪晶区所占比例随之增大，但相变孪晶的密度几乎不改变，孪晶的厚始终约为5nm。
透镜片状马氏体中存在有许多微裂纹，是其组织的另一特点，如不及时回火，有可能在其他应力的作用下，发展成为宏观裂纹。
微观裂纹的存在将使机械零件的疲劳寿命降低。
过去认为微观裂纹是由于马氏体相变时比容增大而引起的显微应力造成的。
近年来的金相观察表明，微裂纹是由于马氏体片成长时相互碰撞而形成的。
马氏体的形成速度极快，相互碰撞时或与奥氏体晶界相撞时因冲击而引起相当大的应力场，又因为片状马氏体很脆，不能进行滑移或孪生变形来消除应力，因此在片状马氏体中容易形成撞击裂纹。
这种先天性的缺陷，使形成片状马氏体的钢附加了脆性，在其他应力（相变膨胀应力及热应力）作用下微裂纹发展成为宏观裂纹，导致开裂。
这种显微裂纹常常出现在几个马氏体针组成的放射状交接处或出现在马氏体针叶之中。
3.其他形态的马氏体
1、蝶状马氏体
在Fe—Ni合金或Fe—Ni—C合金中，奥氏体在某一温度范围内转变时，会形成具有特异形态的马氏体（如图1-67所示）。
这种马氏体立体形态为细长棒状，断面呈蝶状，故称蝶状马氏体（也称为蝴蝶状马氏体或多角状马氏体）。
用Fe—30%Ni合金和Fe—29%Ni—0.26%C合金研究发展，在0～60℃范围内可得到蝶状马氏体，电镜研究确定其内部亚结构为高密度的位错，看不到孪晶，与母相奥氏体的晶体学位向关系符合K—S关系；在0～20℃之间主要形成蝶状马氏体；在20～-60℃之间则与透镜片状马氏体共存。
它的性质介于板条状马氏体和透镜片状马氏体之间。
有关蝶状马氏体中的许多问题还有待今后进一步研究。
2、薄片状马氏体
这种马氏体是在Ms点极低的Fe—Ni—C和Fe—7%Al—2%C合金中发现的。
它呈非常细的带状（立体形态为薄片状），带与带相互交叉，呈现曲折，分枝等特异形态（如图1-68所示）。
这种马氏体的电镜组织如图1-69所示。
它是（112）α孪晶组成的全孪晶马氏体，无中脊。
对Fe—Ni—C合金的马氏体相变进行的系统研究，发现，在Fe—Ni—C系合金中马氏体形态随着生成温度的下降，将从透镜片转化为薄片状；并发现，从透镜片状向薄片转化的温度随含碳量的增加而升高。
还发现，随着形成温度的降低，新的薄片状马氏体形成的同时，还伴随着已有薄片状马氏体的增厚。
3、ε—马氏体
在层错能较低的高锰钢和不锈钢中都会因塑性形变或深冷而导致密排六方ε—马氏体的形成。
高锰钢（1.0%C—1.3%C，11%—13%Mn）中ε—马氏体的形态示于图1-70。
可见ε—马氏体在母相奥氏体的一定晶面上形成，具有魏氏组织的外貌特征。
二、影响马氏体形态及其内部亚结构的因素
有关影响马氏体形态及其内部亚结构的因素总的来讲研究得还不是太透，观点也比较多，有很多问题还讲不太清楚，各自都有自己的实验数据，综合许多实验数据可以认为影响马氏体形态及其内部结构变化的因素主要是化学成分和Ms点的温度两个方面。
（一）钢的化学成份的影响
钢的化学成分对马氏体形态有显著的影响，有很多实验数据说明Fe—C和Fe—Ni合金的马氏体形态随合金含量的增加而从板条马氏体向透镜片状马氏体变化。
例如：
Fe—C合金中，含碳量低于0.3%时得到板条马氏体，含碳量高于1.0%时得到的马氏体为
透镜片状马氏体，含碳量在0.3～1.0%之间时，板条马氏体和透镜片状马氏体共存。
图1-71示出含碳量对Fe—C合金马氏体形态、Ms点及残余奥氏体量的影响。
由图可见，含碳量小于0.4%时钢中基本没有残余奥氏体，Ms点温度随含碳量的增多而下降，孪晶马氏体量和残余奥氏体量则随之增多。
铁基二元合金的马氏体形态与合金成分的关系如表1-12所示。
由表是数据可见，缩小γ区的合金元素有利于形成板条马氏体。
扩大γ区的合金元素，一般都随合金元素含量的增加，Ms点显著下降，马氏体形态也随之发生变化。
例如：
在Fe—C，Fe—N，Fe—Ni等合金中，随着合金元素含的增加，马氏体形态从板条变为透镜片状。
而Mn、Ru和Ir可显著降低奥氏体的层错能，含这些元素的二元铁基合金中随其含量的增加，马氏体的形态从板条向密排六方的ε—马氏体变化。
Fe—Cu和Fe—Co合金中的Cu和Co虽属于扩大γ区的合金元素，但表现出例外的情况。
Fe—Cu合金由于固溶量较少，Ms的温度降低不多，因而表现出与缩小Γ区型的合金元素相同的倾向。
Fe—Co合金中随着含Co量的增加Ms反而升高，而有利于形成板条马氏体。
关于马氏体的亚结构和晶体结构的关系目前还不很清楚。
在钢中，一般认为含碳量小于0.2%板条马氏体为体心立方晶格，而含量大于这个值的马氏体为体心正方晶格。
有人认为体心立方马氏体就相当于低碳钢中的位错马氏体，而体心正方马氏体则相当于高碳钢的孪晶型马氏体，但是，在铁—镍合金中孪晶型马氏体也是体心立方的，所以，关于晶体结构和亚结构的关系尚不能肯定。
2.Ms点的变化对马氏体形态的影响
马氏体的形成温度（即Ms点）对马氏体的形态有很大的影响，一般认为，Ms点所对应的温度越低，则形成透镜片状马氏体的倾向越大。
下面将碳钢的马氏体组织形态和晶体学特征与含量及Ms点温度的关系列于表1-13。
对Fe—Ni—C系合金的研究指出，这种合金的奥氏体化温度不同时Ms点也随之发生变化（奥氏体的热稳定化现象），利用这种现象，可以在同一种合金中得到不同的Ms点，观察冷却到稍低于相应的Ms点时所生成的马氏体形态的变化，发现随Ms点温度的降低，马氏体的形态发生从蝶状→透镜片状→薄片状的变化。
而且同是透镜片状马氏体所形成的温度越低则相变孪晶区也随之增加。
另外，观察同一成份的Fe—Ni—C合金，在Ms点以上的各种温度下形变生成的形变诱发马氏体形态，同样表明，形变温度（即马氏体形成温度）改变时，马氏体的形态也发生了与上述完全相同的变化。
这些例证完全证实了此类合金的马氏体形态和内部亚结构是与Ms点的温度高低有关。
表1-12铁系二元合金的马氏体形态
合金系
板条马氏体
透镜处片状马氏体
ε—马氏体
合金成份
Ms点（℃）
合金成份
Ms点（℃）
合金成份
扩大γ区型
Fe—C
＜1.0
700～200
0.6～1.95
300～40
—
Fe—N
＜0.7
700～350
0.7～2.5
350～100
—
Fe—Ni
＜29
700～25
29～34
25～-196
—
Fe—Pt
＜20.5
700～400
24.5
-30
—
Fe—Mn
＜14.5
700～150
—
—
14.5～27
Fe—Ru
7.5～10
600～200
—
—
11～17
Fe—Ir
20～40
550～40
—
—
35～52
Fe—Cu
2～6
——
—
—
Fe—Co
0～1
1～24
700～620
620～800
—
缩小γ区型
Fe—Cr
—
700～260
—
—
—
Fe—Mo
—
700～180
—
—
—
Fe—Sn
—
—
—
—
—
Fe—V
—
—
—
—
—
Fe—W
—
—
—
—
—
表1-13碳钢的马氏体组织形态晶体学特征与钢的含量及Ms点的关系
含碳量%
晶体结构
位向关系
惯习面
形成温度
组织形态
＜0.4
体心立方
或正方
K—Ｓ关系
（111）γ
高于300℃
板条马氏体
0.4～1.0
体心正方
K—Ｓ关系
板条状（111）γ
片状（225）γ
350～320℃
混合马氏体
1.0～1.4
体心正方
K—Ｓ关系
（225）γ
低于220℃
透镜片状马氏体亚结
构为部分孪晶和位错
1.4～1.8
体心正方
西山关系
（225）γ
低于100℃
“之”字形排列，内部孪晶不惯穿马氏体片
三、马氏体形态与力学性能的关系
众所周知，马氏体是强化钢件的重要手段，而且一般认为，马氏体是一种硬而脆的组织。
尤其是高碳片状马氏体更是这样。
要想提高淬火钢的塑性和韧性，必须用提高回火温度的方法，牺牲部分强度而换取韧性，就是说强度和塑性很难兼得。
但是近年来的研究工作表明，这种观点只是适用于片状马氏体，而板条状马氏体不是这样，板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。
为什么片状马氏体和板条马氏体在性能上有很大的差异呢？
近年来做了大量的研究工作，有关使马氏体强度高的原因是很多的，如碳原子的固溶强化、相变强化以及时效强化等，其中以碳原子强化起主要作用，而且马氏体中固溶的碳越多强度也越高，所以马氏体有很高的强度；但韧性的变化却随马氏体中含碳量的增加而下降，当马氏体含碳量很高时（大于0.6%C）即使经过低温回火韧也很低，为了弄清楚影响韧性的原因，作了如下实验，研究了马氏体的亚结构和韧性的关系。
用含碳量为0.35%的碳钢，淬火后得到位错型的板条状马氏体，其强度和韧性都比较高，为了改变其亚结构，在该种钢中加入铬元素，随着铬含量的增加，马氏体的亚结构由位错型向孪晶型转化，即孪晶型马氏体数量逐渐增加，位错型马氏体数量逐渐减少，经测定其断裂韧性KIC逐渐降低，而且发现，在屈服强度相同的条件下，亚结构为位错型的马氏体的断裂韧性高于亚结构为孪晶型的马氏体的断裂韧性。
经过回火后仍然是位错型的马氏体的断裂韧性高于孪晶型马氏体的断裂韧性。
这个规律已用大量的实验得到了证实。
下面再将20SiMn2MoV和35CrMo的实验数据列入表1-14。
从表中的数据清楚地看出两种钢的强度很接近，但断裂韧性值位错马氏体比孪晶马氏体高三倍，而马氏体的韧性主要决定于马氏体的亚结构。
为什么亚结构为位错型的马氏体韧性高，而孪晶型马氏体的韧性低呢？
这是因为位错型马氏体有一定的塑性变形能力，可以缓冲矛盾。
而孪晶马氏体不能发生塑性变形，另外，孪晶面的存在，在回火时碳化物沿孪晶面析出，造成碳的分布不均匀，因而使片状马氏体很脆。
表1-14马氏体亚结构对断裂韧性的影响
材料
热处理工艺
马氏体类型
σbkg/mm2
σskg/mm2
KICkg/mm3/2
20SiMn2MoV
900℃水淬+
250℃回火
位错型
150
124
363
35CrMo
孪晶型为主
150
140
134
四、实验目的、内容、所需设备及要求
1.实验目的
1、认识钢中典型马氏体显微组织形态并掌握其特征。
2、分析合金元素、热处理工艺对钢中马氏体组织形态的影响。
2.实验内容
对已制备好的透镜处片状马氏体组织和板条状马氏体组织以及片状马氏体和板条马氏体的混合组织进行组织观察。
（１）透镜片状马氏体组织是由T12钢在1150渗碳5小时后立即水淬，磨制成金相试样用3%硝酸酒精溶液腐蚀而制成的。
金相观察不但能清楚地看到很典型的带有中脊的片状马氏体，而且能清楚地看到微裂纹（参看图1-72）。
如把渗碳温度提高到1200（其他条件完全相同），制成金相试样，其马氏体组织形态为N型马氏体，如图1-73所示。
Fe—29%Ni—0.26%C钢制成的透镜片状马氏体，用不同的腐蚀剂进行腐蚀时，可将透镜片状马氏体中孪晶区和位错区分开，能达到粗略计算孪晶区和位错区各占面积的大小，并能用腐蚀剂将马氏体和残余奥氏体区别开，因而也可以计算出残余奥氏体的数量。
其具体的腐蚀剂和腐蚀结果介绍如下。
用2%硝酸酒精溶液腐蚀可以将透镜片状马氏体的中脊很清楚地显示出来，孪晶区呈灰色，位错区为黑色（参看图1-74）。
用5%硝酸酒精溶液腐蚀，中脊不明显，但孪晶区变黑，而位错区发亮，如图1-75所示。
用10%Na2S2O5水溶液腐蚀，使马氏体全部变黑，残余奥氏体发亮白色，如图1-76所示。
这种腐蚀方法，是否能适用于其他钢种所制成的透镜处片状马氏体的腐蚀，由于工作做得不多，不能给出结论，有待于今后干进一步工作。
（2）板条状马氏体组织在光学显微镜下可以清楚地观察到不同位向的板条群和同一板条群内的同位向束，如图1-61所示。
同位向束内的细节在光学显微镜下看不清楚。
为进一步弄清楚板条马氏体里一个同位向束内的细节可借助电子显微镜观察其细节或选用适当的腐蚀剂进行腐蚀也能进一步观察同位向束内的细节。
在实验过程中还发现用不同的腐蚀剂腐蚀板条状马氏体有一定的变化规律。
其具体的腐蚀剂和腐蚀结果介绍如下。
用5%苦味酸酒精溶液腐蚀可以观察到同位向束内的细节如图1-77所示。
用2%硝酸酒精溶液腐蚀结果其细节不如5%苦味酸酒精溶液腐蚀的清楚。
但和用（HCl100CC+CuCl25克+100CC酒精）溶剂腐蚀的结果恰好相反，即用硝酸酒精溶液腐蚀板条马氏体变黑部分改用（HCl100CC+CuCl25克+100CC酒精）溶剂进行腐蚀则变成白色，两种腐蚀剂腐蚀的结果使其黑白相反，如图1-78和图1-79所示。
（3）片状马氏体和板条马氏体的混合组织，是由60Si经1100℃加热保温10分钟后立即出炉水淬，磨制成金相试样，用3%硝酸酒精溶液腐蚀而制成的，可以清楚地将片状马氏体和板条马氏体区分开。
因板条马氏体的Ms点较高，高温形成的板条状马氏体冷却到室温的过程中发生自回火，而片状马氏体的Ms点较低，片状马氏体不能发生自回火，因而片状马氏体较板条马氏体耐腐蚀，所以片状马氏体较亮而板条状马氏体发黑暗色。
如果是在低温回火的条件下因片状马氏体的含碳量较高，经回火后比板条状马氏体还不耐腐蚀，经3%硝酸酒精腐蚀后，回火片状马氏体变黑，而板条马氏体较亮。
3.所需设备和要求
（1）金相显微镜。
（2）在阅读实验内容和分析的基础上，仔细观察各种试样的显微组织，同时画下各个试样的显微组织示意图，记录观察结果，并研究讨论钢的化学成份和热处理对马氏体组织形态和性能的影响。
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