了解体心正方马氏体的特点和重要性

马氏体中碳的质量分数大于0.2％时，其晶体结构是体心正方的。由于马氏体相变具有无扩散性，因此在刚刚形成的“新鲜”马氏体中，碳原子并不全部偏聚于位错处。由于碳原子扩散较快，因此马氏体晶格中的碳原子很快被位错所吸纳，形成柯垂尔气团。

随着含碳量的提高，存在下面三种过渡形式：

1）惯习面指数逐渐由｛111｝_γ（｛557｝_γ）演化为｛259｝_γ，即｛111｝_γ（｛557｝_γ）→｛225｝_γ→｛259｝_γ

2）随着含碳量的提高，亚结构由以高密度位错为主、孪晶、层错为辅，逐渐过渡到以精细孪晶为主，同时存在高密度位错和微细层错。

3）马氏体组织形貌由板条状过渡到片状、凸透镜状。

低碳板条状马氏体的亚结构主要是高密度位错，图5-26所示为35CrMo钢马氏体板条内的位错。中碳钢马氏体亚结构也以高密度位错为主，但有少量孪晶。

高碳钢马氏体内的孪晶是精细的相变孪晶。图5-27a所示为CrWMn钢马氏体片内的孪晶片和缠结位错照片。CrWMn钢是高碳工具钢，其碳的质量分数为0.9％～1.05％，马氏体点约为250℃。将其在1100℃油中淬火，得到典型的片状马氏体组织，如图5-27b所示。

图5-26 板条马氏体及位错亚结构（TEM）

图5-27 CrWMn钢的马氏体片

随着含碳量的提高，从低碳钢的板条状马氏体变为中碳钢的板条状＋片状有机结合构成的马氏体→高碳钢的片状→透镜片状马氏体。碳的质量分数为0.2％～0.6％的工业用钢，其马氏体的形貌皆为板条状＋片状有机结合构成的整合组织。近年来，通过高分辨电镜观察发现，在板条状马氏体片中不仅存在高密度位错，还有微细层错，如图5-28所示。

为了清楚地观察高碳马氏体片的形貌，曾采用特殊热处理工艺：将Fe-1.22％C合金加热到1200℃奥氏体化，得到粗大的奥氏体晶粒，然后于NaCl水溶液中淬至发黑，并立即转入硝盐浴中等温（Ms点稍下）1h，再取出淬火冷却到室温。这样处理后，在Ms稍下转变得到的少量的变温马氏体片被回火，析出了碳化物，容易被硝酸酒精浸蚀，在显微镜下呈黑色，而等温后的淬火马氏体则为灰白色，这样就能够清晰地观察到在Ms点稍下变温转变的马氏体条片的形貌。图5-29、图5-30所示的马氏体组织都是采用这种方法获得的。图5-29所示为Fe-1.22％C合金高碳马氏体形貌的光学金相照片、可见高碳马氏体呈片状，而且马氏体片以一定角度相交，相交后构成蝴蝶状马氏体形貌。蝶状马氏体的亚结构主要是高密度位错＋孪晶，惯习面为｛225｝_γ。图5-30所示为Fe-0.88％C合金的马氏体组织形貌（黑色粗大马氏体片已经回火）。由于奥氏体化温度高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗片状马氏体。可见，在一个奥氏体大晶粒内生长出很长的马氏体片，显然是沿着某一晶面长大的。在长的马氏体片之间形成短小的马氏体片，后形成的与先转变的马氏体片之间有一定夹角。

图5-28 35CrMo钢马氏体板条内的微细层错（TEM）

图5-29 高碳蝶状马氏体形貌（OM）

一般认为透镜片状马氏体在超高碳钢及Fe-Ni（w_Ni＞29％）合金中存在，在文献中也称为针状马氏体、孪晶马氏体等。其形态特征是片状，中间厚、两端尖细，在试样磨面上被截为双凸透镜片状，相邻马氏体片常成交角排列，有时呈闪电状。图5-31a所示为Fe-1.5％C的Fe-C合金马氏体形态，其凸透镜片状以闪电状形式形成，呈现“Z”字形分布，在马氏体片中间还可以看到中脊。图5-31b所示为Fe-1.9％C合金的透镜片状马氏体形貌，这种马氏体的亚结构主要是孪晶＋高密度位错。

当高碳马氏体片以交角相遇时，瞬时体积膨胀，造成局部巨大内应力，会产生“撞击”裂纹。图5-32a所示为CrWMn钢经1100℃加热后淬火，得到粗大片状马氏体组织，可见在马氏体片交角处存在淬火微裂纹，它导致淬火钢脆性，并且容易形成淬火零件的宏观裂纹。图5-32b所示为Fe-32％Ni合金中的马氏体片互相碰撞的情况[6]。

高碳工具钢淬火往往得到隐晶马氏体组织。所谓隐晶马氏体实际上也是片状马氏体，当深浸蚀或在电子显微镜下仍然可观察到它的片状特征。图5-33所示为T10、W6Mo5Cr4V2钢淬火得到的隐晶马氏体组织。在光学显微镜下观察隐晶马氏体基体上分布着未溶碳化物颗粒，原奥氏体晶界被显示；在电镜下观察其薄膜可见是条片状马氏体，马氏体片尺寸不等，方向不一，片内亚结构为高密度位错和孪晶。(www.xing528.com)

图5-30 Fe-0.88％C马氏体（OM）

图5-31 高碳钢透镜片状马氏体形貌（OM）

图5-32 马氏体片交角相遇产生显微裂纹

图5-33 隐晶马氏体组织（TEM）

a）T10 b）W6Mo5Cr4V2

将高碳钢在Ac₁～A_cm温度之间加热，其奥氏体中的含碳量往往低于共析成分，甚至处于中碳范围内，因此淬火后能够得到一定数量的板条状马氏体，为板条状＋片状马氏体的整合组织。隐晶马氏体的亚结构以高密度位错为主，也存在孪晶，电镜分析表明仍为（112）α孪晶。图5-34所示为W6Mo5Cr4V2钢的隐晶马氏体组织，从其左上角可见存在精细孪晶。

图5-34 W6Mo5Cr4V2钢的隐晶马氏体组织（TEM）

从上述各图中可见，马氏体片的大小很不一致。这是由于在一个成分均匀的奥氏体晶粒内，冷至低于Ms点时，先形成的第一片马氏体可能贯穿整个奥氏体晶粒而将晶粒分割为两半，使后续形成的马氏体片大小受到限制，在各大片马氏体之间形成，尺寸较小，越是后形成的马氏体片越小。

相变孪晶的存在是片状马氏体的重要特征，孪晶片间距为5～10nm。孪晶片不是分布在整个马氏体片中，往往不扩展到马氏体片边缘，而是集中在片的中央区域，在片的边际区域则为复杂的位错组列，一般认为这种位错是规则排列的螺型位错。相变孪晶一般是（112）α孪晶。

在高碳钢、高镍钢片状马氏体中经常能见到中脊。用硝酸酒精浸蚀后可使中脊发黑，说明中脊易受腐蚀，在显微镜下观察是具有一定宽度的腐蚀带，含碳量越高时中脊越宽，甚至在低倍光学显微镜下就能清晰可见，有时可达0.5～1μm。

将W6Mo5Cr4V2钢试样加热到1230℃，保温后在油中淬火，得到隐晶马氏体组织。在高分辨电镜下观察马氏体形貌，发现马氏体片的亚结构是高密度位错，有中脊，中脊由孪晶组成，如图5-35所示。

图5-35 W6Mo5Cr4V2钢的马氏体片中脊（TEM）

总之，随着含碳量的增加，惯习面指数逐渐变得复杂，由｛557｝_γ（｛111｝_γ）→｛225｝_γ→｛259｝_γ；马氏体的亚结构由高密度位错＋层错过渡到精细孪晶＋高密度位错和精细层错；组织形貌由板条状马氏体（呈现集束化）过渡到条片状、薄片状、透镜片状（非集束化）。惯习面、亚结构、组织形貌等方面的演化是逐渐进行的。