马氏体回火后的性能 马氏体回火后的性能

来源:实用热处理手册作者:叶卫平

1.低碳马氏体
淬火状态下的低碳马氏体,由于高的位错密度、碳和合金元素的固溶强化和形成的板条束界(以及板条晶界)会引起钢的强化。低碳马氏体的含碳量一般不超过0.25%,碳原子大部分偏聚在位错线附近,晶体构造仍保持立方晶结构。低碳马氏体中主要是位错亚结构,可动位错能缓和局部地区应力集中,减少裂纹形核倾向以及削弱裂纹源码端应力峰值,这些作用均使马氏体断裂抗力增大,并使塑性,韧性提高。从强化本质上分析,碳原子和位错交互作用可使马氏体强度增高,但并未造成强烈的四角不对称畸变,因此马氏体的塑性和韧性比较好。板条束界对原奥氏体晶粒进行再分割相当于使低碳马氏体的晶体再变细,形成晶界强化。晶界强化可以在提高强度的同时还提高韧性。低碳马氏体的Ms点比较高(350~450℃),淬火时产生的自回火使ε碳化物弥散沉淀,韧性进一步提高。
在生产实践中,低碳马氏体大都进行低温回火,如200℃回火时,ε碳化物均匀沉淀并与基体共格,共格引起的强化和基体损失的固溶强化量大致相当,200℃回火实测的低碳马氏体断裂韧性和冲击韧度均比淬火状态高。低碳马氏体在室温和回火马氏体脆性低谷之间低温回火存在一个韧性极大点。低碳马氏体钢和调质钢相比,在相同强度水平下,韧性较高。在强韧性配合方面,低碳马氏体显示了较大的优越性。
低碳马氏体在400℃回火时仍然能保持很高的屈服强度,因碳化物沉淀板条马氏体晶界或板条束界上,使位错运动的平均自由径减小,屈服强度甚至还要提高。板条马氏体的条束宽度越小,板条束交界赵多,韧性就越高。
2.中碳马氏体
淬火状态下未经回火的中碳马氏体是板条束马氏体和片状马氏体的混合物。是大部分位错亚结构和少量孪晶亚结构的混合。中碳钢和中碳合金钢都在调质状态下使用,这就是用降低强度的代价来换取高韧性。这种方法获得的强韧配合,缺点在于不能保证高强度。中碳马氏体低温回火时,马氏体基体中的含碳量与低碳马氏体相近,但由于有一定数量的孪晶亚结构和较多的ε碳化物,使强度较高而韧性低。含硅、铝、镍等元素的钢可以把钢的回火脆性温度移向更高的温度,近年来低合金超高强度钢的发展,适当提高回火温度并未使钢的强度明显降低,用低、中温回火代替高温回火使中碳合金钢获得满意的强韧配合默契,充分发挥了板条马氏体的优良性能。
中碳马氏体钢高温回火时,伴随着基体再结盟晶和碳化物质点粗化,马氏体的韧性进一步改善。
3.高碳马氏体
过共析钢的最佳淬火温度是略高于A1点的两相区,高碳钢低温两相区淬火后的组织是马氏体和均匀分布的粒状二次碳化物,使钢在具有极高的强度条件下,仍能保持一定的塑性和韧性。因为提高淬火温度会造成奥氏体晶粒粗化,二次碳化物的大量溶解,会使奥氏体(或马氏体)中含碳量增高,板条晶马氏体减少和片状晶马氏体增多,孪晶亚结构增多,显微裂纹敏感性增大和残留奥氏体增多等一系列对性能不利的影响。组织形态和亚结构的变化必定引起性能的变化。
工业上的高碳钢都是在淬火低温回火的状态下使用。高碳钢马氏体低温回火后具有很高的强度,但塑性、韧性极低。在拉伸试验和冲击试验的条件下,通常不能正确地测定它们的力学性能,因此,有关这类钢低温回火的性能数据大都是由弯曲、扭转、压缩和硬度等试验提供的。
高碳钢马氏体低温回火状态下,决定断裂韧度高低的主要参数是碳化物相的分布、数量和相邻质点的间距λ,而基体晶粒的粗细(原奥氏体晶粒、马氏体板条束或片状晶的大小)对断裂韧度的影响不大。由断裂韧度的变化规律可知过低的淬火温度对韧性也是不利的。淬火温度降低将使碳化物(渗碳体)数量愈多,λ愈小,相当于断裂的特征距离愈小,质点间基体金属在外力作用下容易产生颈缩,为微孔聚合创造有利条件。λ愈小,若有现存裂纹的条件下,裂纹容易借助微孔聚合扩展,钢的断裂韧度降低。可见,高碳钢低温淬火时必定导致断裂韧度降低。而相应的提高淬火加热温度,可以改善高碳马氏体低温回火状态下的断裂韧度。因为升高淬火温度,一方面使未溶碳化数量减少,λ加大,增加断裂特征距离,另一方面因碳化物溶解,奥氏体中含碳量增多,淬火后残留奥氏体增多,这两点都能改善钢的断裂韧度。但是,用这样的方法提高断裂韧度的同时,由未溶碳化物提供的耐磨性等性能随之降低,因此,采用时必须注意兼顾钢的强度、韧性和耐磨性。高碳钢进行高温回火时,相同强度条件下韧性较差,同时又没有发挥出高碳的强化作用,所以高碳钢一般不会在高温回火状态下使用。
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