马氏体的组织、结构和性能
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第1028页（3459字）
14．5．2．1 马氏体的组织形态
马氏体因含碳量不同而有两种组织形态，即片状马氏体和板条状马氏体．
1．片状马氏体
片状马氏体主要出现在高碳钢淬火组织中，故也称之为“高碳马氏体”．在光学显微镜下，片状马氏体呈针片状或竹叶状，如图14-13所示．图中，白亮的针是片状马氏体，暗色部分是残余奥氏体．
图14-13 片状马氏体
经低温回火后，片状马氏体变为黑色针状，而残余奥氏体变成白色．
用高倍透射电镜观察分析，可发现片状马氏体内存在大量细小的孪晶结构，横穿马氏体片．孪晶厚度为几纳米到几十纳米．正由于片状马氏体具有这种微细孪晶的亚结构，故又称之为“孪晶马氏体”．
片状马氏体组织的另一个特点是存在大量微裂纹．由于马氏体形成速度极大，各马氏体晶粒高速碰撞相遇，导致在马氏体内部或晶界处出现显微裂纹，如图14-14所示．而且这些微裂纹总是出现在马氏体片相遇处，或是马氏体片与晶界相遇处．裂纹有的横断马氏体片，有的在马氏体面上，有的在奥氏体晶界上．微裂纹密度很高，可达1500～2000条／mm2，裂纹长度约为几个微米到几十微米．奥氏体晶粒越大，淬火后显微裂纹越多这些微裂纹增加了淬火开裂的危险，所以，马氏体组织硬度高、脆性大，且在应力作用下微裂纹会扩展成宏观裂纹，导致工件断裂
图14-14 片状马氏体中的显微裂纹
片状马氏体一般先在奥氏体晶核内部形成，且是一批一批形成，彼此间成一定角度，其大小一般不超过原奥氏体晶粒大校但也有例外．形成过程示意见图14-15
2．板条状马氏体
图14-15 片状马氏体的形成过程
板条状马氏体主要出现在低碳钢中，故亦称之为低碳马氏体．板条状马氏体为长条状晶体，平行成束分布，在光学显微镜下呈板条状，见图14-16．板条状马氏体组织形态特点为：
图14-16 板条状马氏体
(1)存在大量位错．电子显微镜观察分析，每个板条状马氏体内都存在大量位错，位错密度达1012个／cm2．位错分布不均匀，形成胞状亚结构，称之为“位错胞”，见图14-17．
(2)自回火．板条状马氏体在形成之后立即发生不同程度的分解，称为“自回火”，即由于板条状马氏体形成温度较高，在较高温度先形成的马氏体条，过饱和固溶的碳能够进行短距离的扩散，发生偏聚和析出——自回火．这种自回火现象令所形成的马氏体强韧性提高，降低淬火变形及开裂倾向，是有利的
3．两种马氏体的形成条件
过冷奥氏体在向马氏体转变的过程中，是形成片状马氏体还是形成板条状马氏体?实验中发现，钢中的含碳量对马氏体的组织形态影响最大．ω(C)<0．2%的钢，淬火后主要形成板条状马氏体；而ω(C)>1．0%的钢，淬火后主要形成片状马氏体；0．2%<ω(C)<1．0%的钢，淬火后为两种马氏体的混合组织，如图14-18所示．通常的情况是，含碳量越多的钢，淬火后片状马氏体越多
4．两种马氏体的组织形态比较
两种马氏体的组织形态比较见表14-5．
图14-17 板条状马氏体中的位错胞
图14-18 奥氏体的碳含量对马氏体形态的影响
表14-5 两种马氏体的组织形态比较
14．5．2．2 马氏体的晶体结构
马氏体具有体心正方结构，如图14-19所示．其中，c轴比其他两个a轴长些，轴比c／a称为马氏体的正方度．在进行马氏体转变时，奥氏体中的碳原子全部保留在马氏体点阵中，可视马氏体为碳在α-Fe中的过饱和固溶体．这些过饱和固溶的碳原子择优分布在沿着c轴的扁八面体间隙中，故使α-Fe的体心立方晶格发生畸变，c轴伸长，其余两个a轴缩短．室温X射线衍射测定：ω(C)>0．2%的马氏体具有正方度(即体心正方点阵)；ω(C)<0．2%的马氏体，c／a=1，失去了正方度，具有体心立方点阵．
14．5．2．3 马氏体的性能
图14-19 马氏体晶体结构
一般来讲，高碳马氏体很硬、很脆，而低碳马氏体则又强又韧．马氏体性能与下列因素有关：
(1)碳含量．马氏体的强度和硬度主要取决于马氏体的碳含量，见图14-20．由图可见：当ω(C)<0．5%时，马氏体硬度和强度随碳含量升高而急剧增大；ω(C)=0．2%的低碳马氏体，其硬度可达HRC50，抗拉强度σb=1500MPa；当ω(C)=0．4%时，硬度为HRC60，σb为1800MPa以上．对于要求高硬度、抗磨损、耐疲劳的工件，淬火马氏体ω(C)为0．5%～0．6%为宜．对要求高韧性工件，马氏体ω(C)约为0．2%为宜．
(2)合金元素．合金元素对硬度影响不大，对强度影响大．碳含量相同的碳素钢与合金钢淬火后，硬度差别不大，但合金钢强度显着高于碳钢．
(3)亚结构．马氏体的塑性和韧性主要取决于它的亚结构，即微细孪晶及位错分布状态．片状马氏体中存在微细孪晶，令滑移困难，脆性增加；板条状马氏体中高密度位错分布不均匀，存在低密度区，位错移动范围大，故韧性亦较好．
马氏体性能举例见表14-6．
图14-20 马氏体的硬度、强度与其碳含量的关系
表14-6 马氏体性能举例
马氏体强化原因分析如下马氏体强化一般由下述几方面因素造成：
(1)碳对马氏体的固溶强化．碳造成晶格的正方畸变，阻碍位错运动，导致马氏体强化及硬化．
(2)亚结构造成强化及硬化．马氏体的亚结构(板条状马氏体中的高密度位错网，片状马氏体中的微细孪晶)会阻碍位错运动，造成强化及硬化．
(3)时效强化．马氏体形成后，碳及合金元素向位错及其他晶体缺陷处偏聚或析出，阻碍位错运动，造成时效强化．
(4)马氏体片或条之相界面阻碍位错运动，其尺寸越校相界面越大，马氏体强度也越高．