柱狀馬氏體形態(tài)對(duì)鋼力學(xué)性質(zhì)影響的文獻(xiàn)綜述

柱狀馬氏體形態(tài)對(duì)鋼力學(xué)性質(zhì)影響的文獻(xiàn)綜述

0原實(shí)際樣品中馬氏體組織及亞結(jié)構(gòu)的尺寸分布材料力學(xué)的一般內(nèi)容是材料組織的結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的影響。作為一個(gè)例子，本文總結(jié)了低碳燃燒后對(duì)鋼的機(jī)械性質(zhì)（主要是強(qiáng)度）的影響。在拙作《馬氏體相變與馬氏體》中概述了高、低碳鋼的馬氏體形態(tài),以及奧氏體晶粒大小對(duì)馬氏體屈服強(qiáng)度的影響,如圖1。這是由于奧氏體晶粒大小控制部分馬氏體內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的尺寸。馬氏體內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的大小實(shí)際影響淬火鋼的強(qiáng)度。上世紀(jì)60年代,由光學(xué)顯微鏡已觀察到中碳鋼淬火后的組織,在原奧氏體晶粒內(nèi),具有相同慣習(xí)面的馬氏體條組成若干領(lǐng)域(packet),每領(lǐng)域內(nèi)又有相似位向馬氏體條組成、大致平行的若干束(block);束內(nèi)存在同位向、同變體的條。近來(lái),以電鏡(包括電子背散射衍射EBSD,掃描電鏡SEM)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這三類層次的組織,顯示在Fe-C條狀馬氏體中,含碳由0.0026%增至0.61%時(shí),隨碳含量的增加,領(lǐng)域和束的尺寸減小;在低碳合金(0.0026%～0.38%C)內(nèi),一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)存在三個(gè)平行的束,每束具有不同的位向(近K-S關(guān)系,少數(shù)為西山N關(guān)系),每束內(nèi)含有兩個(gè)特定的變體,見(jiàn)圖2和圖3。領(lǐng)域之間及束之間均為位向差較大(大角度)的界面,條間位向差較小,約10°。原奧氏體晶粒大小對(duì)領(lǐng)域大小和束的尺寸會(huì)有影響,如圖4(圖4內(nèi)列出了領(lǐng)域大小d(μm)隨原奧氏體晶粒大小D(μm)的減小而減小的式子,取自文獻(xiàn)),決定強(qiáng)度的直接因素應(yīng)在于原奧氏體晶粒內(nèi)形成馬氏體亞結(jié)構(gòu)的尺寸。本文所述馬氏體形態(tài)即指三種層次亞結(jié)構(gòu)的尺寸。影響鋼的力學(xué)性質(zhì)的因素,除條狀馬氏體內(nèi)的位錯(cuò)密度、碳及合金元素固溶強(qiáng)化外,還有α鐵的摩擦應(yīng)力以及馬氏體形態(tài)對(duì)力學(xué)性質(zhì)的貢獻(xiàn)。碳的強(qiáng)化可由于固溶強(qiáng)化,增加位錯(cuò)密度(含低碳的Fe-C合金),以及碳與位錯(cuò)的交互作用(Ms在室溫以上的Fe-C合金)?；鼗鸷筮€應(yīng)考慮碳化物之間的距離。1束寬和束寬對(duì)自適應(yīng)的亞束分布1970年,Roberts揭示Fe-Mn合金(0.003%C-4.9%Mn)條狀馬氏體內(nèi)的領(lǐng)域尺寸對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度呈Hall-Petch關(guān)系;對(duì)小角度界面的條,其寬度也呈Hall-Petch關(guān)系,但其系數(shù)較小。圖5中列出Roberts所得的數(shù)據(jù)。1976年Swarr和Krauss得出淬火Fe-0.2C合金的屈服強(qiáng)度強(qiáng)烈決定于領(lǐng)域大小,呈Hall-Petch關(guān)系,如圖5所示。Norstr?m于1976年揭示,淬火后Fe-C-Mn和Fe-C-Ni的屈服強(qiáng)度(σ0.2)為馬氏體領(lǐng)域大小D的函數(shù),也符合Hall-Petch關(guān)系,如圖6所示;并提出條狀馬氏體的屈服強(qiáng)度σy為:式中,σ0為α-鐵的摩擦應(yīng)力,σ1為合金元素的固溶強(qiáng)化,D為領(lǐng)域尺寸,Ky為圖中D-1/2vsσ0.2的斜率,d為條寬(0.3μm),Ks為其斜率,ρ0+K(%C)表示馬氏體條內(nèi)位錯(cuò)密度與含碳量之間的線性關(guān)系。他估計(jì)條界僅貢獻(xiàn)強(qiáng)度約150N/mm2;條寬約為常數(shù)～0.3μm,Hall-Petch的系數(shù)Ks僅2.5N/mm3/2,而5%Ni鋼的Ky約8N/mm3/2。Tomita和Okabayashi于1986年認(rèn)為,控制屈服強(qiáng)度和韌脆轉(zhuǎn)折溫度的基本顯微組織尺寸為馬氏體領(lǐng)域的直徑;減小條寬只能使力學(xué)性質(zhì)有少量提高。對(duì)馬氏體鋼,他們提出:式中,σi和Ky為材料常數(shù),dp為領(lǐng)域直徑。表1列出幾種鋼的σi值和Ky值。2005年ICOMAT上Morito等提出:馬氏體領(lǐng)域內(nèi)馬氏體束的大小為決定條狀馬氏體強(qiáng)度的主要因素。他們用光學(xué)顯微鏡、SEM、電子背散射衍射儀(EBSD)及TEM等對(duì)Fe-0.2C和Fe-0.2C-2Mn合金作出了新的結(jié)果。這兩種合金經(jīng)淬火后所得馬氏體領(lǐng)域大小和馬氏體束寬均與原奧氏體晶粒大小有關(guān)(Fe-0.2C-2Mn條寬均為0.23μm),分別如圖7和圖8所示。圖9(a)和(b)分別表示領(lǐng)域大小和束寬對(duì)條狀馬氏體屈服強(qiáng)度的Hall-Petch關(guān)系。表2說(shuō)明Fe-0.2C-2Mn中原奧氏體晶粒大小僅影響亞束寬度,對(duì)條寬、亞束間平均位向差、條間位向差和條內(nèi)位錯(cuò)密度基本上沒(méi)有影響。這兩種合金中的馬氏體束寬都比領(lǐng)域直徑小得多,束之間系大角度界面,而且圖9(b)顯示兩類合金比較一致的Hall-Petch系數(shù),因此認(rèn)為束寬是決定馬氏體屈服強(qiáng)度的關(guān)鍵因子。應(yīng)該說(shuō),這一成果在馬氏體形態(tài)對(duì)強(qiáng)度研究上,頗顯光彩。我國(guó)鋼研總院惠衛(wèi)軍等對(duì)42CrMoVNb鋼的研究也表明,細(xì)化奧氏體晶粒使馬氏體領(lǐng)域細(xì)化,如表3,從而提高了鋼的強(qiáng)度及韌性。王春芳等進(jìn)而對(duì)17CrNiMo6鋼的研究也得到馬氏體束寬對(duì)屈服強(qiáng)度具控制作用(也符合Hall-Petch關(guān)系)。Inoue等早于1970年就曾指出:細(xì)化馬氏體領(lǐng)域會(huì)改善鋼的韌性。近年王春芳等揭示:細(xì)化17CrNiMo6鋼(0.17C-1.8Cr-1.58Ni-0.23Mo)的馬氏體領(lǐng)域會(huì)提高鋼的強(qiáng)韌性,但對(duì)提高韌性更具影響,如圖10所示;并指出:當(dāng)領(lǐng)域直徑由129μm被細(xì)化至4μm,其LSE(lowershelf-energy,低階能)將被提高9倍。顯示領(lǐng)域間界強(qiáng)烈阻礙脆斷,細(xì)化領(lǐng)域?qū)g性及脆性轉(zhuǎn)折溫度的影響見(jiàn)圖11?；鼗饘⑹柜R氏體亞結(jié)構(gòu)粗化(以及碳化物間距變大),致使強(qiáng)度下降。2馬氏體條寬的影響Norstr?m關(guān)注了馬氏體條寬對(duì)淬火鋼強(qiáng)度的影響。但認(rèn)為條界僅具小角度的位向差,對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大。Tomita和Okabayashi給出一些低合金鋼內(nèi)馬氏體條寬對(duì)Hall-Petch方程中ky系數(shù)的影響,如圖12所示。Naylor于1979年揭示:在0.065C-0.97Mn-2.32Cr-0.83Ni-0.19Mo-0.31Si鋼中,隨馬氏體束寬的稍略減小,強(qiáng)度略有增高,但隨著領(lǐng)域和條寬的共同減小,會(huì)使脆性轉(zhuǎn)折溫度顯著下降。馬氏體條寬不受控于原始奧氏體晶粒大小,一般只能由改變合金成分來(lái)改變條寬。上世紀(jì)80～90年代,發(fā)現(xiàn)稀土元素加入鋼中使條寬變窄。1995年我們?cè)?.27C-1Cr鋼中加入0.17RE,經(jīng)電鏡測(cè)量,馬氏體平均條寬由0.37μm減小至0.23μm。其原因可能是稀土降低母相的層錯(cuò)能,提高馬氏體的應(yīng)變能或降低馬氏體/奧氏體界面能。馬氏體條寬理應(yīng)決定于馬氏體的形核率。形核率越高,條寬越窄,和母相晶粒大小的關(guān)系很小(只是由于母相晶粒細(xì)化,使強(qiáng)度提高,增加馬氏體相變所需驅(qū)動(dòng)力);而合金成分的改變會(huì)較大地影響馬氏體相變的形核率。按本文作者對(duì)超高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb(wt%)鋼經(jīng)Q-P-T熱處理后,抗拉強(qiáng)度達(dá)2160MPa,斷后伸長(zhǎng)率達(dá)11%。這可能是目前含<0.5wt%C、含低合金元素的具相當(dāng)塑性的高級(jí)超高強(qiáng)度馬氏體鋼。其中,馬氏體條外包殘留奧氏體量達(dá)4%～6%,保證了鋼的塑性和韌性,其馬氏體條的寬度僅幾十nm,比一般鋼中條寬(約0.2～0.5μm)低一個(gè)數(shù)量級(jí),應(yīng)該說(shuō)這是保證高強(qiáng)度的重要因素。Q-P-T