马氏体的组织形态.doc

第三节 马氏体的组织形态
(本节建议时间：15分钟)
一 马氏体的形态
1. 板条马氏体
    出现于低、中碳钢中，其形貌可见图3-3-1，其中的板条束为惯习面相同的平行板条组成， 板条间有一层A膜；板条的立体形态可以是扁条状，也可以是薄片状；一个奥氏体晶粒有几个束，一个束内存在位向差时，也会形成几个块。板条M的亚结构为位错，密度高达(0.3~0.9)×1012/cm2，故称位错M。

3-3-1板条马氏体显微组织特征示意图
2. 透镜片状马氏体(简称片状M)
    出现于中、高碳钢中，其形貌可见图3-3-2。立体外形呈双凸透镜状，断面为针状或竹叶状。 马氏体相变时，第一片分割奥氏体晶粒，以后的马氏体片愈来愈小。
M形成温度高时，惯习面为{225}A，符合K-S关系； 形成温度低时，惯习面为{259} A ，符合西山关系.片状M的亚结构为{112}M的孪晶。
M还有其它形态如蝶状、薄片状与薄板状等。

3-3-2透镜片状马氏体
二 影响M形态及其内部亚结构的因素
1. 化学成分
     奥氏体中碳含量的影响最为重要，在碳钢中，当C含量：
          C<0.3%时，生成板条M，亚结构为位错；
          C>1.0%时，生成片状M，亚结构为孪晶@c000000255；
         C为0.3~1.0%时，生成混合型组织(片状+板条)。
2. 形成温度
    MS点高的A，冷却后形成板条M，亚结构为位错;
MS点低的A， 冷却后形成片状M，亚结构为孪晶;
MS点不高不低的A，冷却后形成混合型组织(片状+板条M)，亚结构为位错+孪晶。
9.5 马氏体转变
钢经奥氏体化后快速冷却，抑制其扩散分解，在较低温度下发生无扩散性相变－马氏体相变，这一过程通常称为淬火。
9.5.1 钢中马氏体的晶体结构

轴比c/a称为马氏体的正方度
9.5.2 钢中马氏体转变的主要特点
无扩散相变，以共格切变的方式进行；
特点：
无扩散性；
具有一定的位向关系和惯习面：钢中马氏体的惯习面随奥氏体的含碳量及马氏体的形成温度不同而异；
表面浮凸现象；
转变在一个温度范围内完成；
不需要孕育期，高速长大。
9.5.3 钢中马氏体的形态及其结构

透射电镜观察，板条马氏体内有高密度位错，故又称位错马氏体。
2、片状马氏体
片状马氏体常见于淬火的高碳钢、中碳钢、高镍的铁镍合金。

3. 影响马氏体形态和亚结构的因素

热处理对工模具钢5Cr8MoVSi的影响

[ 2004-7-14 10:58:00   ]

工模具钢5Cr8MoVSi(0.55C，8.13Cr，1.38Mo，0.45V，0.72Si)经840℃退火硬度为HB218，钢中碳化物以M23C6为主，并有少量的MC和M7C3。该钢合适的淬火温度为980-1050℃，最高硬度为HBC60-61。随淬火温度升高，淬火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到板条状马氏体组织，剩余碳化物主要为MC和M7C3，为减少残余奥氏体量，该钢应进行二次或三次回火。
     5Cr8NoVSi钢是近年来我国应用较多的新钢种，主要用于耐冲击性工模具和薄刃刀具上。但是，目前对5Cr8MoVSi钢的热处理工艺研究较少，所生产的工模具常发生硬度不高和断裂失效现象。因此，本文较详细地研究了5Cr8MoVSi钢热处理工艺对硬度和组织结构的影响。
1、 实验材料及实验方法
试样退火、淬火、回火均在坩埚电阻炉中进行，淬火采用油介质冷却。用D/maxⅢA X射线衍射仪分析相结构和残余奥氏体量，定量金相法测量奥氏体晶粒数、碳化物体积分数及尺寸、马氏体尺寸，JXA-733电子探针分析显微组织和成分。
   工模具钢5Cr8MoVSi化学成分:
C 0.55   Mn 0.45   Si 0.72   Cr 8.13   Mo 1.38   V  0.45   S ≤0.02   P  ≤0.03 
   2、实验结果及分析
    2.1 退火  试样经840℃退火硬度为HB218，退火显微组织为球状珠光体，碳化物的平均尺寸为0.94μm，体积分数约为0.32。碳化物相以M23C6为主，其次有M7C3和MC。
    2.2淬火   淬火实验温度为880℃、900℃、930℃、950℃、1000℃、1050℃。随淬火温度升高，淬火硬度升高。1000℃淬火时，硬度为HRC60；1050℃淬火时，硬度为HRC60.3。 淬火组织为马氏体、剩余碳化物和残余奥氏体。在950℃淬火时，马氏体由针状马氏体和板条状马氏体组成，针对马氏体的比例较大，剩余碳化物呈小颗粒状或点状分布；1000℃淬火时马氏体仍然由针状马氏体和板条状马氏体组成，剩余碳化物呈点状分布，残余奥氏体夹在马氏体针或板条之间；1050℃淬火时，马氏体以板条状马氏体为主，只有少量的针状马氏体（＜10%），残余奥氏体量增多，剩余碳化物极少，尺寸也更小。

    金相分析表明：随温度程式高，奥氏体晶粒度变大，马氏体针变长，剩余碳化量减少，尺寸变小，淬火试样残余奥氏体量随淬火温度升高而升高，1000℃淬火时，残余奥氏体量约10%。奥氏体晶粒尺寸随淬火温度升高而升高，淬火马氏体板条或针状尺寸也与晶粒度尺寸对应。

    分析表明，淬火试样以α'马氏体为主要相，其次是残余奥氏体γ’，剩余碳化物为M7C3、MC，并有微量的M23C6。与退火碳化物相分析对照后可知，在1000℃淬火时，M23C6大部分溶解，而原来少量的M7C3和MC型碳化物因难于溶解，成为主要剩余碳化物。

   2.3回火   回火温度小于380℃时，随回火温度升高，回火硬度降低。在此区间，主要是马氏体分解过程，马氏体含碳量降低，马氏体晶体结构的正方度（c/a）下降。在480-500℃回火，有明显的二次硬化现象。485℃回火最高硬度为HRC58，比淬火硬度低2HRC左右。二次硬化主要是MC（VC）沉淀硬化的效果。 随回火温度升高，残余奥氏体量减少。只通过一次回火残余奥氏体分解较少，通过三次回火残余奥氏体量可降低到6%左右。

   3、讨论

    工模具钢5Cr8MoVSi碳含量为0.55%，淬火马氏体形态为板条状和针状。在较低的温度下淬火时，剩余碳化物量较多，在靠近碳化物的奥氏体区中，因碳化物溶解过程中碳的扩散呈梯度分布，因此，有局部高碳区。局部高碳区在冷却过程中转变成针状马氏体，其亚结构是孪晶。在较高的温度下淬火，剩余碳化物主要是少量的VC和M7C3，溶解速度很慢，因此大部分奥氏体区域碳含量均匀化，尽管此时奥氏体平均碳含量高，但是相对于高碳奥氏体来说，其含量还是低的。所以在较高温度淬火时，板条马氏体比例增大。板条马氏体比针状马氏体韧性高，因此，该钢可以在较高的温度下淬火。但板条在300-400℃回火时，因析出的碳化物沿板条分布，会显示出回火脆性。所以，在较高的温度下淬火，获得以板条状马氏体为主的显微组织时，应避开回火脆性区，或者以较高温度回火（450-520℃），或者在较低温度回火（150-250℃）。如果需较低的回火硬度，则应提高回火温度（520℃以上）方能避开回火脆性区。不过此时需要严格控制回火制度，否则，回火硬度会随回火温度变动发生很大的变化。另外，对残余奥氏体量要求降低至最小的薄刃工模具，淬火后应进行二次回火或三次回火。
   4、结论
  （1）工模具钢5Cr8MoVSi840℃退火，硬度为HB218，碳化物颗粒平均尺寸为0.94μm，碳化物体积分数为0.32，碳化物类型以M23C6为主，并有少量的MC和M7C3。

  （2）工模具钢5Cr8MoVSi合适的淬火温度为980-1050℃，最高硬度为HRC60-61。随淬火温度升高，淬火马氏体由板条状和针状马氏体组织过渡到以板条状马氏体为主。剩余碳化物以MC和M7C3为，M23C6型碳化物在淬火时大部分溶解。

  （3）工模具钢5Cr8MoVSi仅通过一次回火，残余奥氏体量减少不大，因此，应进行二次或三次回火。在480-510℃回火，有二次硬化现象，回火硬度可升到HRC58-60。
2005-9-20

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