马氏体的硬度和强度分析

钢中马氏体最重要的特性就是高硬度和高强度，其硬度随碳含量增加而升高，如图15-36中曲线3所示。当碳含量达0.6%时，淬火钢的硬度（图10-30中曲线1和2）接近最大值。但当碳含量进一步增加时，虽然马氏体的硬度会有所提高，但由于残余奥氏体量增加，使淬火钢的硬度反而下降。图15-36中曲线1为高于Ac3（或Acm）加热淬火时的情况，因碳化物大量溶入奥氏体中使Ms点下降，残余奥氏体量增多，导致淬火钢的硬度下降。当加热温度介于Ac3（或Acm）和Ac1之间时，残余奥氏体量减少，其对淬火钢硬度的影响也减小，导致淬火钢的硬度随碳含量的变化不大（图15-36中曲线2）。合金元素对马氏体硬度的影响不大。使马氏体具有高硬度、高强度的主要因素如下。

1）相变强化

马氏体相变的切变特性造成了在马氏体晶体内产生大量的微观缺陷（如位错、孪晶及层错等等），使马氏体强化，称为相变强化。试验证明，无碳马氏体的屈服强度约为280MPa，与形变强化铁素体的屈服强度很接近。而退火状态铁素体的屈服强度仅约为120MPa左右。这表明，马氏体的相变强化使屈服强度提高了1倍以上。

图15-36　淬火钢的最大硬度与碳含量的关系

1—高于Ac3（Acm）淬火；2—高于Ac1淬火；3—马氏体的硬度

2）固溶强化

由于马氏体中的过饱和碳原子极易从马氏体晶体中析出而引起时效强化，所以曾专门设计了一系列Ms点极低且碳含量不同的Fe-Ni-C合金，以保证马氏体相变能在C原子不可能发生时效析出的低温下进行。不同碳含量的试样淬火后立即在低温下测量马氏体的强度以了解C原子的固溶强化效应，其结果如图15-37中虚线所示。可见，当碳含量小于0.4%时，马氏体的屈服强度随碳含量增加而急剧升高，但当碳含量超过0.4%时，马氏体的屈服强度则不再随碳含量增加而升高。

图15-37　Fe-Ni-C合金马氏体在0℃时的屈服强度与碳含量的关系

为什么C原子的固溶强化效应在马氏体中如此强烈，而在奥氏体中却不大？一般认为，奥氏体和马氏体中的C原子均处于由Fe原子组成的八面体中心，但奥氏体中的八面体为正八面体，C原子的溶入只能使奥氏体点阵产生对称膨胀，并不发生畸变。而马氏体中的八面体为扁八面体，C原子溶入后发生不对称畸变，形成以C原子为中心的畸变偶极应力场，这个应力场与位错产生强烈的交互作用，使马氏体强度升高。但碳含量超过0.4%以后，可能由于C原子之间距离太近，以至畸变偶极应力场之间因相互抵消而降低了强化效果，使马氏体进一步强化的效果显著减小。

应当指出，上述用Ms点极低的Fe-Ni-C合金所得到的是孪晶马氏体，其中也包含了孪晶对马氏体的强化作用。对于位错型马氏体没有这部分强化作用，故其强度略低。形成置换式固溶体的合金元素对马氏体的固溶强化效应与C相比要小得多。

3）时效强化(www.xing528.com)

时效强化也是一个重要的强化因素。理论计算和电阻分析都表明，马氏体在室温下只需几分钟甚至几秒钟就可以通过原子扩散而产生时效强化。在-60℃以上温度，时效就能进行，发生C原子偏聚和析出从而产生时效强化作用。因此，对于在-60℃以上形成的含碳马氏体都有可能发生时效强化，即所谓的马氏体自回火现象，在总的强化效果中都包含了时效强化的贡献。在图15-37中的实线表明，淬火后在0℃停留时效3h，马氏体的屈服强度就有了进一步的提高，碳含量越高，时效强化效果就越显著。故当碳含量大于0.4%时，C原子可以通过时效强化对马氏体的强度做出贡献。

时效强化是由C原子扩散偏聚钉扎位错所引起的。因此，如果马氏体在室温以上形成，则在冷却至室温途中C原子的扩散偏聚已经自然形成，产生时效强化。所以，对于Ms点高于室温的钢，在通常的淬火冷却条件下，淬火过程中即伴随着自回火。

4）马氏体的形变强化特性

在不同应变量的条件下，马氏体的条件屈服强度与碳含量的关系如图15-38所示。可见，当应变量很小时（ε=0.02%），屈服强度σ0.02几乎与碳含量无关，并且很低。可是，当应变量为2%时，屈服强度σ0.02却随碳含量增加而急剧增大。这表明，马氏体本身比较软，但在外力作用下因塑性变形而急剧产生加工硬化，所以马氏体的形变强化指数很大，加工硬化率很高。碳含量越高，形变强化效果就越明显。马氏体的这种形变强化特性与畸变偶极应力场的强化作用有关。

图15-38　马氏体的屈服强度与碳含量的关系

图15-39　碳含量对Fe-C合金马氏体硬度的影响

5）孪晶对马氏体强度的贡献

碳含量低于0.3%的Fe-C合金的马氏体，其亚结构为位错，马氏体的强化主要靠碳原子的固溶强化。碳含量大于0.3%的马氏体，其亚结构中孪晶量增多，所以除了碳原子的固溶强化以外还附加有孪晶对强度的贡献。图15-39示出了碳含量对Fe-C合金马氏体硬度的影响，同时示意地表示出亚结构对马氏体硬度（强度）的贡献与碳含量的关系。可见，随马氏体中碳含量的增高，碳原子钉扎位错的固溶强化作用增大，如图中直线所示，小于0.3%C为实测值，0.3%C以上为引伸值（虚线）。随马氏体中碳含量增高，孪晶相对量增大，影线区表示孪晶对马氏体强化的贡献。当碳含量大于0.8%时，硬度不再上升，这是由于残余奥氏体增多的影响。

上述结果说明，马氏体中存在孪晶时，孪晶对强度有贡献。有人解释，当有孪晶存在时马氏体的有效滑移系仅为体心立方金属的1/4，故孪晶阻碍滑移而引起强化。

6）原始奥氏体晶粒大小和马氏体板条群大小对马氏体强度的影响

原始奥氏体晶粒越细小，马氏体板条群越细小，则马氏体强度就越高。但对于中碳低合金结构钢，奥氏体从单晶细化至10级晶粒度时，马氏体的强度增加不大于250MPa。所以一般钢中以细化奥氏体晶粒方法来提高马氏体强度的作用并不大，尤其是对硬度很高的钢，奥氏体晶粒大小对马氏体强度的影响更不明显。只有在一些特殊热处理中（如形变热处理或超细化处理），将奥氏体晶粒细化至15级或更高时，才能期望使马氏体的强度提高到约500MPa。