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 在金相顯微鏡下可以觀察到從奧氏體晶界生長(zhǎng)出來(lái)的近平行的或其他規(guī)則排列的針狀鐵素體或滲碳體以及其間存在的珠光體組織,這種組織稱為魏氏組織,下圖為鐵素體魏氏組織與滲碳體魏氏組織。

 魏氏組織的形成與鋼中含碳量、奧氏體晶粒大小及冷卻速度(轉(zhuǎn)變溫度)有關(guān),下圖表示各類鐵素體及滲碳體的形成溫度和含碳量的范圍。

     由圖可見,只有在較快冷卻速度和一定碳含量范圍內(nèi)才能形成魏氏組織(W區(qū))。當(dāng)亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.6%時(shí),由于含碳量高,形成貧碳區(qū)的幾率很小,故魏氏組織難以形成。研究表明,對(duì)于亞共析鋼,當(dāng)奧氏體晶粒較細(xì)小時(shí),只有含碳量在ωc=0.15%~0.35%的狹窄范圍內(nèi),冷卻速度較快時(shí)才能形成魏氏組織。

     奧氏體晶粒越細(xì)小,越容易形成網(wǎng)狀鐵素體,而不容易形成魏氏組織。奧氏體晶粒越粗大,越容易形成魏氏組織,形成魏氏組織的含碳量的范圍變寬。因此魏氏組織通常伴隨奧氏體粗晶組織出現(xiàn)。

(1)馬氏體轉(zhuǎn)變:鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻,抑制其擴(kuò)散性分解(低于MS點(diǎn)發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變叫做馬氏體轉(zhuǎn)變。值得注意的是基本特征屬于馬氏體轉(zhuǎn)變的相變,其相變產(chǎn)物都稱為馬氏體。

(2)馬氏體:鋼中的馬氏體就其本質(zhì)來(lái)說,是碳在α-Fe中過飽和的間隙固溶體。

      鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài):板條馬氏體(位錯(cuò)馬氏體)、片狀馬氏體(又稱針狀馬氏體)。

(1)板條馬氏體 板條馬氏體是在低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成一種典型的馬氏體組織。

a)結(jié)構(gòu)形態(tài):馬氏體板條(D)→馬氏體束(B-2條;C-1條)→板條群(3~5個(gè))→板條馬氏體。

b)密集的板條之間通常由含碳量較高的殘余奧氏體分割開,這一薄層殘留奧氏體存在顯著地改善鋼的力學(xué)性能。

c)板條馬氏體內(nèi)有大量位錯(cuò),這些位錯(cuò)分布不均勻。形成胞狀亞結(jié)構(gòu),稱為位錯(cuò)胞,所以又稱位錯(cuò)馬氏體。 

(2)片狀馬氏體 高碳鋼(ωC>0.6%)、ωNi=30%的不銹鋼及一些有色金屬和合金,淬火時(shí)形成的片狀馬氏體組織。

a)結(jié)構(gòu)形態(tài):片狀馬氏體的空間形態(tài)呈凸透鏡狀,由于試樣拋磨與其截面相截,因此在光學(xué)顯微鏡下呈針狀或竹葉狀,故片狀馬氏體又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體。

b)顯微組織特征:馬氏體片互相不平行,在一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi),第一片形成的馬氏體往往貫穿整個(gè)奧氏體晶粒,并將其分割成兩半,使以后形成的馬氏體片尺寸越來(lái)越小。

c)尺寸:最大尺寸取決于原始奧氏體晶粒大小,奧氏體晶粒越大,則馬氏體片越粗大。

d)隱晶馬氏體:當(dāng)最大的馬氏體片細(xì)小到光學(xué)顯微鏡不能分辨時(shí),便成為“隱晶馬氏體”在生產(chǎn)中正常淬火得到的馬氏體,一般都是隱晶馬氏體。

e)片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶,因此片狀馬氏體又稱孿晶馬氏體。孿晶通常分布在馬氏體的中部,不擴(kuò)展到馬氏體片的邊緣區(qū),在邊緣區(qū)有高密度的位錯(cuò)。在含碳量ωC>1.4%的鋼中可見到馬氏體片中的中脊線,它是高密度的細(xì)的微細(xì)孿晶區(qū)。

f)顯微裂紋:馬氏體形成速度極快,在其相互碰撞或奧氏體晶界相撞時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力場(chǎng),片狀馬氏體本身硬而脆,不能通過滑移或?qū)\生變形使應(yīng)力得以松弛,因此容易形成撞擊裂紋。

      通常奧氏體晶粒越大,馬氏體片越大,淬火后顯微裂紋越多。顯微裂紋的存在增加了高碳鋼零件的脆性,在內(nèi)應(yīng)力的作用下顯微裂紋將會(huì)逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋,可以導(dǎo)致工件開裂或使工件的疲勞壽命明顯下降。

g)馬氏體中的形態(tài)主要取決于奧氏體的含碳量,從而與鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度MS點(diǎn)有關(guān),奧氏體含碳量越高,則MS、Mf點(diǎn)越低。

h)元素對(duì)馬氏體形態(tài)的影響:Cr、Mo、Mn、Ni(降低MS點(diǎn))和Co(升高M(jìn)S點(diǎn))的元素都增加形成片狀馬氏體的傾向。

(1)馬氏體力學(xué)性能顯著特點(diǎn):高強(qiáng)度、高硬度。

(2)含碳量對(duì)馬氏體性能的影響:硬度主要取決于含碳量。ωC<0.5%時(shí)馬氏體的硬度隨著含碳量增加急劇增高,當(dāng)ωC>0.6%左右雖然馬氏體硬度有所增高,但是由于殘余奧氏體量增加,反而使得鋼的硬度有所下降。

(3)合金元素對(duì)馬氏體的硬度影響不大,但可以提高強(qiáng)度。

(4)馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的硬度是多方面的,主要包含:固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化

     馬氏體轉(zhuǎn)變同其他固態(tài)相變一樣,相變驅(qū)動(dòng)力也是新相與母相的化學(xué)自由能差,即單位體積馬氏體與奧氏體的自由能差。相變阻力也是新相形成時(shí)的界面能及應(yīng)變能。

     盡管馬氏體形成時(shí)與奧氏體存在共格界面,界面能很小,但是由于共格應(yīng)變能較大,特別是馬氏體與奧氏體比體積相差較大以及需要克服切面阻力并產(chǎn)生大量的晶格缺陷,增加很大的彈性應(yīng)變能,導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的相變阻力很大,需要足夠大的過冷度才能使相變驅(qū)動(dòng)力大于相變阻力,以發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。

      馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms點(diǎn)則可以定義為馬氏體與奧氏體的自由能差到相變所需要的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度。

     馬氏體轉(zhuǎn)變是過冷奧氏體在低溫范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變,相對(duì)于珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變具有如下一系列特點(diǎn):

     馬氏體轉(zhuǎn)變是奧氏體在很大過冷度下進(jìn)行的,此時(shí)無(wú)論是鐵原子、碳原子還是合金元素原子,其活動(dòng)能力很低,因而,馬氏體轉(zhuǎn)變是在無(wú)擴(kuò)散的情況下進(jìn)行的。只有點(diǎn)陣規(guī)則的重構(gòu),新相和母相無(wú)成分的變化。

     切變:兩個(gè)距離很近、大小相等、方向相反的平行力作用于同一物體上所引起的形變。

     馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在預(yù)先拋光的試樣上表面出現(xiàn)傾斜,產(chǎn)生表面浮凸。這個(gè)現(xiàn)象說明馬氏體轉(zhuǎn)變和母相的宏觀有著直接的聯(lián)系,說明馬氏體是以切變方式形成的。

一般工業(yè)用碳鋼及合金鋼,馬氏體轉(zhuǎn)變是連續(xù)(變溫)冷卻過程中進(jìn)行的。鋼中奧氏體以大于臨界淬火速度的速度冷卻到MS點(diǎn)以下,立即形成一定數(shù)量的馬氏體,相變沒有孕育期;隨著溫度的下降,又形成一定數(shù)量的馬氏體,而先形成的馬氏體不再長(zhǎng)大。馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著溫度的降低而逐漸增加。

馬氏體的轉(zhuǎn)變量?jī)H取決于冷卻所到達(dá)的溫度,而與保溫時(shí)間無(wú)關(guān)。

 在Ms點(diǎn)以上對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形可引起馬氏體轉(zhuǎn)變,變形量越大,馬氏體轉(zhuǎn)變量越多,這種現(xiàn)象稱為形變誘發(fā)馬氏體相變。

     可逆性:在某些鐵和金、鎳與其他有色金屬中,奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,重新加熱時(shí)已形成的馬氏體又能無(wú)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。
     一般碳鋼中不發(fā)生按馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)的逆轉(zhuǎn)變,因?yàn)樵诩訜釙r(shí)馬氏體早已經(jīng)分解為鐵素體和碳化物;這個(gè)過程為“回火”。