实验二  常用钢淬火马氏体组织形态的观察

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实验二  常用钢淬火马氏体组织形态的观察

一、概述

近年来，由于实验手段的不断改善，人们对马氏体组织，结构的认识有了显著的进展，而且已逐步发展成了马氏体形态学。为了揭示马氏体的组织，结构状态与机械性能之间的内在规律，并用以改善钢件性能和延长另部件的使用寿命，热处理工作者正进行着深入的研究工作。

㈠ 关于马氏体形态的基本类型：从光学显微镜的研究中表明，在奥氏体化比较均匀的钢中，淬火马氏体有两种不同的形态：

⑴  群集状马氏体：其立体形态是由许多细长薄的“板条”晶体组成。每一个板条长度约为几个微米，厚度为0.1~0.2微米之间。相邻的“板条”之间以小角度晶界分开。他们有规律的成群堆集。呈排群集是此类马氏体组织的主要特征。通常在一个奥氏体晶粒中可以有几个位向不同的“群”（或束）。经透射式电子显微镜观察，每条板条内部很难发现孪晶，“板条”状的马氏体晶内亚结构主要是高密度的位错。故而板条状马氏体又称“位错马氏体”

⑵“针状”马氏体：其立体形态是厚度较小的呈双凸透镜状的晶体。由于金相试样磨面对每一个双凸透镜状晶体的切割角度不同，所以在金相显微镜的视场中呈现片状，竹叶状或针状等形态。由于出现针状及竹叶状的几率大，故一般称之为“针状”马氏体。相邻针状马氏体之间互不平行，以一定角度相交，是这种组织的主要特征。用透射式电子显微镜观察，这种马氏体内部有大量的精细孪晶，其间距约为50A°左右。为此，这种马氏体又称为孪晶马氏体。

㈡ 两种马氏体形成的情况：

⑴ 群集状马氏体形成的情况：在奥氏体晶粒中，当形成第一根“板条”马氏体后，依附已经形成的板条一根接一根的形核和长大，形成这一“束”板条马氏体。

⑵ 针状马氏体的形成情况：在均匀的奥氏体中，往往先形成一横贯整个晶粒的马氏体片。后续的马氏体片，则在已形成的马氏体片和奥氏体晶界之间，或在马氏体片与片之间以一定角度生成。先形成的马氏体片提供了新马氏体形核的部位和长大的障碍。这一组织的显著特点是：在同一奥氏体晶粒内，马氏体按先后形成的次序，其尺寸越来越小。最后形成的马氏体与最初形成的马氏体相比较，尺寸相差很悬殊。且相邻马氏体之间，都有较大的交角。

而群集状（即“板条”）马氏体，“板条”之间的尺寸相差并不悬殊。尺寸较大的“板条”马氏体产生在马氏体转变的初期，此时奥氏体中还未产生变形。尺寸较小的“板条”则产生在马氏体转变的后期，此时由于先形成的马氏体的作用，在奥氏体中已处于变形状态。

另外群集状马氏体，在一群（束）中每一“板条”形成时，彼此之间不像针状马氏体形成间那样容易发生撞击现象。这种撞击现象往往是引起微裂纹产生的重要因素。

㈢ 影响马氏体形态的因素：目前这个问题还未完全搞清。一般认为在无形变作用的奥氏体中，影响淬火马氏体形态的主要因素是奥氏体的化学成分和马氏体的形成温度。

⑴ 钢的化学成分对马氏体形态的影响：据一些研究认为，在Fe-C合金中，奥氏体的含碳量＜0.2%时，其淬火组织几乎全部为“板条”马氏体，含碳量0.2~.04%之间时，其淬火组织以“板条”马氏体为主；含碳量0.4~0.8%之间时，其淬火组织为两种形态马氏体的混合组织。当含碳量≥1%时，则获得几乎是单一的“针状”马氏体组织。

钢中的合金元素也影响马氏体的形态。除Co，Al，Si以外，绝大多数元素均使钢的Ms点下降，而使形成针状马氏体的倾向加大。但不能单纯依据Ms点的高低来判断钢淬火后的马氏体形态，因为有许多例外的情况。

⑵ 马氏体形成的温度对马氏体形态的影响：研究指出，由于惯习面的变化，导致马氏体晶体的不同排列。在Fe-C合金中，马氏体的惯习面与奥氏体的含碳量有一定的关系：当＜0.4%C为{111}A；当0.4~1.3%C时为{225}A；当＞1.3%C时，为{259}A。

实质上，上述关系与马氏体形成的温度有关。马氏体形成的温度在300℃以上的马氏体的惯习面为{111}A；在300~120℃之间，马氏体的惯习面为{225}A；在120℃以下时，惯习面为{259}A。由于面心点阵中{111}A晶系较少，使形成马氏体的起始位向数少，这有利于奥氏体中马氏体成“束”形成。而于{225}A、{259}A中形成马氏体时，由于它们晶系较多，形成马氏体的起始位向数也多，则在奥氏体中容易形成相邻马氏体互不平行的倾向。

⑶ 关于隐晶马氏体和淬火温度对马氏体形态的影响：高碳钢在正常温度淬火时，由于未溶碳化物质点的存在，奥氏体的成分，结构不均匀，因而获得的马氏体组织极为细小，以致在光学金相显微镜下无法分辨其形状，获得所谓的“隐晶马氏体”组织。由于加热温度低，马氏体中固溶碳含量也减少。经测定，高碳钢中隐晶马氏体中固溶碳量都小于0.6%C，所以，可以推断其形态应当是以“板条”马氏体为主的组织。中碳钢在正常淬火时，一般不存在未溶碳化物质点，淬火后得到的马氏体组织也稍粗大，通常在光学金相显微镜下不易看到隐晶马氏体组织。一般只有在高频快速加热淬火等条件下，方能看到它的隐晶马氏体组织。

㈣ 淬火加热温度对马氏体形态有明显的影响

⑴对中碳钢来讲（以45钢为例）：当加热温度较低时，除有部分未溶的自由铁素体外，形成的奥氏体均匀性极低，含碳量相似区域很少，淬火时马氏体形成的温度差异很大，使得每一马氏体晶粒很难长大，所以，在显微镜下观察到的组织为隐晶马氏体+自由铁素体。

随着加热温度的升高，奥氏体趋于均匀，相似含碳量的区域扩大，其含碳量有＜0.45%C处，也有＞0.60%C处，故，淬火后的组织中可以看到“板条”马氏体和针状马氏体。当加热温度很高时，奥氏体成分已经基本均匀，其含碳量都接近0.45%C，淬火后则可以得到几乎全部的“板条”马氏体组织。随后，随着奥氏体化温度升高，奥氏体的晶粒长得更大，“板条”状的   马氏体也生成的更大。

⑵对过共析钢来说也有以上类似情况：当加热温度较低时（如正常淬火温度），由于奥氏体成分不均匀，奥氏体的含碳量也较低，相似含碳量区域又少，淬火后得到的组织是隐晶马氏体及颗粒状碳化物。

加热温度升高时，奥氏体中溶入的碳量增多，含碳量高于0.6%C的部分，淬火后形成了针状马氏体组织。

当温度更高时，碳化物全部溶入奥氏体中，且奥氏体的成分更趋于均匀，随后淬火则获得全部针状马氏体及残留奥氏体的组织。

同样，温度再升高，则奥氏体晶粒长得将更大，淬火后得到更粗大的针状马氏体组织。

㈤ 研究马氏体形态目的是为了建立起其组织与性能之间的关系。由实验得知：在强度相同的情况下，“板条”马氏体较针状马氏体具有较高得韧性和塑性。这为提高产品，零部件得使用寿命提供了潜力。为此我们可以用调整工艺的方法，千方百计的获得“板条”状马氏体组织，充分挖掘这有益的潜力，为我们更好地服务。

二、实验内容：

1、20钢经不同热处理后的组织状态：

① 经920℃加热，分别来自于水，10％NaCl水溶液，及10％NaOH水溶液中淬火后的各自组织状态。

② 经980℃加热，分别来自于水，10％NaCl水溶液，及10％NaOH水溶液中淬火后的各自组织状态。

2、观察由于淬火温度不同（由低到高）45钢马氏体形态的变化。共4块样品：分别于760℃， 830℃，950℃，1050℃，加热，然后在10水溶液中淬火后的组织形态。

3、观察由于淬火温度不同（由低到高）T13A钢马氏体形态的变化。共4块样品：分别于790℃，900℃，1000℃，1100℃，加热后淬火的组织状态。

4、观察65钢1100℃加热淬火后的组织状态，目的是观察同一试样中二种马氏体形态共存的组织状态。

三、实验所需用器材及材料：

1、金相显微镜6台；

2、预先制备好的金相试样4套。

四、实验报告的要求：

1、对针状马氏体及板条马氏体各任选一较典型的视场绘图。加深对马氏体形态的记忆。

2、结合实验观察，总结影响马氏体形态的因素。并说明引起45钢及T13A由于加热温度的变化使得马氏体形态发生变化的原因（任选其中一个钢种加以说明）。

3、研究马氏体形态变化规律有何意义？

4、对本次实验的意见，及改进意见是什么？