钢及铁合金中的马氏体组织形态分析

经淬火获得马氏体组织是钢件强韧化的重要基础。由于钢的成分及热处理条件不同，所获得的马氏体形态和亚结构亦不同，继而对钢的组织和力学性能产生影响。下面介绍钢及铁合金中存在的几种典型的马氏体组织。

1.板条状马氏体

板条状马氏体是低碳钢、中碳钢、马氏体时效钢和不锈钢等合金中形成的一种典型的马氏体组织，其光学显微组织形态如图15-25所示。因其显微组织是由许多成群的板条组成的，故称为板条状马氏体。又因为这种马氏体的亚结构主要为位错，通常也称为位错型马氏体。

图15-25　18Ni马氏体时效钢的板条马氏体组织

板条状马氏体的显微组织构成示意图如图15-26所示。板条状马氏体由板条群所组成（见图15-26中A），板条群的尺寸为20～35μm，由若干个尺寸大致相同的板条在空间位向大致平行排列所组成，一个原始奥氏体晶粒内可有几个板条群（常为3～5个）。一个板条群又可以分成几个平行的区域（见图15-26中B），称为同位向束，同位向束之间呈大角晶界。一个板条群也可以只由一种同位向束所组成（见图15-26中C）。每个同位向束由若干个平行板条所组成（见图15-26中D），每一个板条为一个马氏体单晶体，其尺寸约为0.5μm×5.0μm×20μm。马氏体板条具有平直界面，界面近似平行于奥氏体的{111}γ面，即为其惯习面，相同惯习面的马氏体板条平行排列构成马氏体板条群。现已确定，这些稠密的马氏体板条多被连续的高度变形的残余奥氏体薄膜（～20nm）所隔开，且板条间残余奥氏体薄膜的碳含量较高，在室温下很稳定，它对钢的力学性能会产生显著影响。

图15-26　板条马氏体显微组织构成示意图

相邻马氏体板条一般以小角晶界相间，也可以呈孪晶关系，呈孪晶关系时板条间无残余奥氏体存在。电镜观察证明，马氏体板条内具有高密度位错，其密度为0.3～0.9×1012cm-2，与剧烈冷作硬化的铁相似，有时也会有少量的相变孪晶存在。在一个马氏体板条群内，马氏体与奥氏体的位向关系均在K—S和西山关系之间，并以处于两者之间的G-T关系最多。

板条状马氏体的显微组织构成随钢的成分变化而改变。在碳钢中，当碳含量小于0.3%时，马氏体板条群以及群中的同位向束均很清晰；碳含量在0.3%～0.6%，板条群清晰，而同位向束不清晰；碳含量升高到0.6%～0.8%时，板条混杂生成的倾向性很强，无法辨认板条群和同位向束。可见，碳钢中随碳含量升高，板条状马氏体组织的同位向束趋于消失，板条群逐渐变得难于辨认。在Fe-Ni合金中，板条状马氏体的组织构成几乎不受Ni含量的影响，同位向束始终很清晰。试验证明，改变奥氏体化温度可以显著地改变奥氏体晶粒大小，但对于马氏体板条的宽度几乎无影响，而板条群的大小随奥氏体晶粒增大而增大，且两者之比大致不变。所以一个奥氏体晶粒内生成的马氏体板条群的数量基本不变。随淬火冷却速度增大，马氏体板条群的径和同位向束的宽同时减小。所以，淬火时加速冷却有细化板条状马氏体组织的作用。

2.片状马氏体

片状马氏体是铁基合金中的另一种典型的马氏体组织，常见于淬火高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中，其光学显微组织形态如图15-27所示。片状马氏体的空间形态呈双凸透镜片状，也称为透镜片状马氏体。因其与试样磨面相截在显微镜下呈针状或竹叶状，故又称为针状或竹叶状马氏体。片状马氏体的亚结构主要为孪晶，所以又称为孪晶型马氏体。片状马氏体的显微组织特征为马氏体片之间不相互平行。在一个成分均匀的奥氏体晶粒内，冷却至稍低于Ms点时，先形成的第一片马氏体将贯穿整个奥氏体晶粒。

图15-27　Fe-32Ni合金的片状马氏体组织

而将其分割为两半，使随后形成的马氏体的大小受到限制（见图15-28）。因此，片状马氏体的大小不一，越是后形成的马氏体片就越小。片状马氏体中常可见到有明显的中脊，其惯习面为（225）γ或（259）γ，与母相的位向关系为K-S关系或西山关系。片状马氏体内有许多相变孪晶，孪晶接合部的带状薄筋称为中脊。相变孪晶的存在是片状马氏体组织的重要特征。孪晶间距大约为5nm，一般不扩展到马氏体的边界上，在马氏体片的边缘区域则为复杂的位错组列。

(www.xing528.com)

图15-28　片状马氏体显微组织示意图

根据内部亚结构的差异，可将片状马氏体的亚结构分为以中脊为中心的相变孪晶区（中间部分）和无孪晶区（片的周围部分，存在位错）。孪晶区所占的比例随合金成分变化而异。在Fe-Ni合金中，Ni含量越高（Ms点越低），则孪晶区所占的比例就越大。对同一成分的合金，随Ms点降低（如改变奥氏体化温度）孪晶区所占的比例也增大。但相变孪晶的密度几乎不改变，孪晶厚度始终约为5nm。高分辨率电镜观察证实，中脊为高密度的相变孪晶区。

3.其他马氏体形态

1）蝶状马氏体

在Fe-Ni合金和Fe-Ni（-Cr）-C合金中，当马氏体在板条状马氏体和片状马氏体的形成温度范围的温度区域（如后述）形成时，会出现具有特异形态的马氏体，如图15-29所示。这种马氏体的立体形态为“V”形柱状，其断面呈蝴蝶形，故称为蝶状马氏体或多角状马氏体。蝶状马氏体两翼的惯习面为{225}γ，两翼相交的结合面为{100}γ。电镜观察证实，蝶状马氏体的内部亚结构为高密度位错，无孪晶存在，与母相的晶体学位向关系大体上符合K-S关系。

图15-29　Fe-18Ni-0.7Cr-0.5C的蝶状马氏体

2）薄片状马氏体

在Ms点极低的Fe-Ni-C合金中可观察到一种厚度为3～10μm的薄片状马氏体，其立体形态为薄片状，与试样磨面相截呈宽窄一致的平直带状，带可以相互交叉，呈现曲折、分枝等形态，如图15-30所示。薄片状马氏体的惯习面为{259}γ，与奥氏体之间的位向关系为KS关系，内部亚结构为{112}α'孪晶，孪晶的宽度随碳含量升高而减小。平直的带中无中脊，这是它与片状马氏体的不同之处。

图15-30　Fe-31Ni-0.28C合金的薄片状马氏体

3）ε马氏体

上述各种马氏体都是具有体心立方（正方）点阵结构的马氏体（α'）。而在奥氏体层错能较低的Fe-Mn-C合金或Fe-Cr-Ni合金中有可能形成具有密排六方点阵结构的ε马氏体。ε马氏体的光学显微组织如图15-31所示。ε马氏体呈极薄的片状，厚度仅为100～300nm，其内部亚结构为高密度的层错。ε马氏体的惯习面为{111}γ，它与奥氏体之间的位向关系为：{111}γ∥{0001}ε，<110>γ∥<1120>ε。

图15-31　Fe-16.4Mn-0.09C合金的马氏体