柱狀馬氏體形態對鋼力學性質影響的文獻綜述

0原實際樣品中馬氏體組織及亞結構的尺寸分布材料力學的一般內容是材料組織的結構對材料性能的影響。作為一個例子，本文總結了低碳燃燒后對鋼的機械性質（主要是強度）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,以及奧氏體晶粒大小對馬氏體屈服強度的影響,如圖1。這是由于奧氏體晶粒大小控制部分馬氏體內亞結構的尺寸。馬氏體內亞結構的大小實際影響淬火鋼的強度。上世紀60年代,由光學顯微鏡已觀察到中碳鋼淬火后的組織,在原奧氏體晶粒內,具有相同慣習面的馬氏體條組成若干領域(packet),每領域內又有相似位向馬氏體條組成、大致平行的若干束(block);束內存在同位向、同變體的條。近來,以電鏡(包括電子背散射衍射EBSD,掃描電鏡SEM)實驗證實這三類層次的組織,顯示在Fe-C條狀馬氏體中,含碳由0.0026%增至0.61%時,隨碳含量的增加,領域和束的尺寸減小;在低碳合金(0.0026%～0.38%C)內,一個領域內存在三個平行的束,每束具有不同的位向(近K-S關系,少數為西山N關系),每束內含有兩個特定的變體,見圖2和圖3。領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領域大小和束的尺寸會有影響,如圖4(圖4內列出了領域大小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),決定強度的直接因素應在于原奧氏體晶粒內形成馬氏體亞結構的尺寸。本文所述馬氏體形態即指三種層次亞結構的尺寸。影響鋼的力學性質的因素,除條狀馬氏體內的位錯密度、碳及合金元素固溶強化外,還有α鐵的摩擦應力以及馬氏體形態對力學性質的貢獻。碳的強化可由于固溶強化,增加位錯密度(含低碳的Fe-C合金),以及碳與位錯的交互作用(Ms在室溫以上的Fe-C合金)。回火后還應考慮碳化物之間的距離。1束寬和束寬對自適應的亞束分布1970年,Roberts揭示Fe-Mn合金(0.003%C-4.9%Mn)條狀馬氏體內的領域尺寸對鋼的屈服強度呈Hall-Petch關系;對小角度界面的條,其寬度也呈Hall-Petch關系,但其系數較小。圖5中列出Roberts所得的數據。1976年Swarr和Krauss得出淬火Fe-0.2C合金的屈服強度強烈決定于領域大小,呈Hall-Petch關系,如圖5所示。Norstr?m于1976年揭示,淬火后Fe-C-Mn和Fe-C-Ni的屈服強度(σ0.2)為馬氏體領域大小D的函數,也符合Hall-Petch關系,如圖6所示;并提出條狀馬氏體的屈服強度σy為:式中,σ0為α-鐵的摩擦應力,σ1為合金元素的固溶強化,D為領域尺寸,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)表示馬氏體條內位錯密度與含碳量之間的線性關系。他估計條界僅貢獻強度約150N/mm2;條寬約為常數～0.3μm,Hall-Petch的系數Ks僅2.5N/mm3/2,而5%Ni鋼的Ky約8N/mm3/2。Tomita和Okabayashi于1986年認為,控制屈服強度和韌脆轉折溫度的基本顯微組織尺寸為馬氏體領域的直徑;減小條寬只能使力學性質有少量提高。對馬氏體鋼,他們提出:式中,σi和Ky為材料常數,dp為領域直徑。表1列出幾種鋼的σi值和Ky值。2005年ICOMAT上Morito等提出:馬氏體領域內馬氏體束的大小為決定條狀馬氏體強度的主要因素。他們用光學顯微鏡、SEM、電子背散射衍射儀(EBSD)及TEM等對Fe-0.2C和Fe-0.2C-2Mn合金作出了新的結果。這兩種合金經淬火后所得馬氏體領域大小和馬氏體束寬均與原奧氏體晶粒大小有關(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)分別表示領域大小和束寬對條狀馬氏體屈服強度的Hall-Petch關系。表2說明Fe-0.2C-2Mn中原奧氏體晶粒大小僅影響亞束寬度,對條寬、亞束間平均位向差、條間位向差和條內位錯密度基本上沒有影響。這兩種合金中的馬氏體束寬都比領域直徑小得多,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,因此認為束寬是決定馬氏體屈服強度的關鍵因子。應該說,這一成果在馬氏體形態對強度研究上,頗顯光彩。我國鋼研總院惠衛軍等對42CrMoVNb鋼的研究也表明,細化奧氏體晶粒使馬氏體領域細化,如表3,從而提高了鋼的強度及韌性。王春芳等進而對17CrNiMo6鋼的研究也得到馬氏體束寬對屈服強度具控制作用(也符合Hall-Petch關系)。Inoue等早于1970年就曾指出:細化馬氏體領域會改善鋼的韌性。近年王春芳等揭示:細化17CrNiMo6鋼(0.17C-1.8Cr-1.58Ni-0.23Mo)的馬氏體領域會提高鋼的強韌性,但對提高韌性更具影響,如圖10所示;并指出:當領域直徑由129μm被細化至4μm,其LSE(lowershelf-energy,低階能)將被提高9倍。顯示領域間界強烈阻礙脆斷,細化領域對韌性及脆性轉折溫度的影響見圖11?；鼗饘⑹柜R氏體亞結構粗化(以及碳化物間距變大),致使強度下降。2馬氏體條寬的影響Norstr?m關注了馬氏體條寬對淬火鋼強度的影響。但認為條界僅具小角度的位向差,對強度貢獻不大。Tomita和Okabayashi給出一些低合金鋼內馬氏體條寬對Hall-Petch方程中ky系數的影響,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,強度略有增高,但隨著領域和條寬的共同減小,會使脆性轉折溫度顯著下降。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改變條寬。上世紀80～90年代,發現稀土元素加入鋼中使條寬變窄。1995年我們在0.27C-1Cr鋼中加入0.17RE,經電鏡測量,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能,提高馬氏體的應變能或降低馬氏體/奧氏體界面能。馬氏體條寬理應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系很小(只是由于母相晶粒細化,使強度提高,增加馬氏體相變所需驅動力);而合金成分的改變會較大地影響馬氏體相變的形核率。按本文作者對超高強度鋼的設計,發現0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb(wt%)鋼經Q-P-T熱處理后,抗拉強度達2160MPa,斷后伸長率達11%。這可能是目前含<0.5wt%C、含低合金元素的具相當塑性的高級超高強度馬氏體鋼。其中,馬氏體條外包殘留奧氏體量達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)低一個數量級,應該說這是保證高強度的重要因素。Q-P-T