鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變之魏氏組織
1. 魏氏組織的形成
2. 魏氏組織的微觀形態(tài)
在金相顯微鏡下可以觀察到從奧氏體晶界生長(zhǎng)出來(lái)的近平行的或其他規(guī)則排列的針狀鐵素體或滲碳體以及其間存在的珠光體組織，這種組織稱為魏氏組織，下圖為鐵素體魏氏組織與滲碳體魏氏組織；
3. 魏氏組織的形成機(jī)制
魏氏組織中鐵素體是按切變機(jī)制形成的，與貝氏體中鐵素體形成機(jī)制相似，試樣也會(huì)出現(xiàn)浮凸現(xiàn)象。由于鐵素體是在較快冷卻速度下形成的，因此鐵素體只能沿奧氏體某一特定晶面析出，并與母相奧氏體存在晶體學(xué)位向關(guān)系。
這種針狀鐵素體可以從奧氏體中直接析出，也可以沿著奧氏體晶界首先析出網(wǎng)狀鐵素體，然后再?gòu)木W(wǎng)狀鐵素體平行地向晶內(nèi)長(zhǎng)大。當(dāng)魏氏組織中的鐵素體形成時(shí)，鐵素體中的碳擴(kuò)散到兩側(cè)母相奧氏體中，從而使鐵素體針之間的奧氏體碳含量不斷增加，最終轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。按貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制形成的魏氏組織，其鐵素體實(shí)際上就是無(wú)碳貝氏體；
4. 影響因素
魏氏組織的形成與鋼中含碳量、奧氏體晶粒大小及冷卻速度（轉(zhuǎn)變溫度）有關(guān)，下圖表示各類鐵素體及滲碳體的形成溫度和含碳量的范圍。
由圖可見(jiàn)，只有在較快冷卻速度和一定碳含量范圍內(nèi)才能形成魏氏組織（W區(qū)）。當(dāng)亞共析鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.6%時(shí)，由于含碳量高，形成貧碳區(qū)的幾率很小，故魏氏組織難以形成。研究表明，對(duì)于亞共析鋼，當(dāng)奧氏體晶粒較細(xì)小時(shí)，只有含碳量在ωc=0.15%~0.35%的狹窄范圍內(nèi)，冷卻速度較快時(shí)才能形成魏氏組織。
奧氏體晶粒越細(xì)小，越容易形成網(wǎng)狀鐵素體，而不容易形成魏氏組織。奧氏體晶粒越粗大，越容易形成魏氏組織，形成魏氏組織的含碳量的范圍變寬。因此魏氏組織通常伴隨奧氏體粗晶組織出現(xiàn)；
5. 魏氏組織的性能
（1）魏氏組織是一種鋼的過(guò)熱組織。它使鋼的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度和塑性有顯著降低，并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度，因而使鋼容易發(fā)生脆性斷裂；
（2）一般研究指出，只有當(dāng)奧氏體晶粒粗化，出現(xiàn)粗大的鐵素體或滲碳體魏氏組織并嚴(yán)重切割基體時(shí)，才使鋼的強(qiáng)度和沖擊韌度顯著降低，而當(dāng)奧氏體晶粒比較細(xì)小時(shí)，即使存在少量針狀的鐵素體魏氏組織，并不顯著影響鋼的力學(xué)性能。這是由于魏氏組織中的鐵素體有較細(xì)的亞結(jié)構(gòu)、較高的位錯(cuò)密度所致。因此所說(shuō)的魏氏組織降低鋼的力學(xué)性能總是和奧氏體晶粒粗化聯(lián)系在一起；
（3）當(dāng)鋼或鑄鋼中出現(xiàn)魏氏組織降低其力學(xué)性能時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)考慮是否由于加熱溫度過(guò)高，使奧氏體晶粒粗化造成的；
（4）對(duì)于易出現(xiàn)魏氏組織的鋼材可以通過(guò)控制軋制、降低終鍛溫度、控制鍛（扎）后的冷卻速度或者改變熱處理工藝，例如通過(guò)細(xì)化晶粒的調(diào)質(zhì)、正火、退火、等溫淬火等工藝來(lái)防止或消除魏氏組織。
6. 魏氏組織鑒賞
鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變之馬氏體
馬氏體晶體結(jié)構(gòu)、組織、性能
一、定義
（1）馬氏體轉(zhuǎn)變：鋼從奧氏體狀態(tài)快速冷卻，抑制其擴(kuò)散性分解（低于MS點(diǎn)發(fā)生的無(wú)擴(kuò)散型相變叫做馬氏體轉(zhuǎn)變。值得注意的是基本特征屬于馬氏體轉(zhuǎn)變的相變，其相變產(chǎn)物都稱為馬氏體。
（2）馬氏體：鋼中的馬氏體就其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，是碳在α-Fe中過(guò)飽和的間隙固溶體。
二、馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)
三、馬氏體的組織形態(tài)
鋼中馬氏體有兩種基本形態(tài)：板條馬氏體（位錯(cuò)馬氏體）、片狀馬氏體（又稱針狀馬氏體）。
（1）板條馬氏體 板條馬氏體是在低碳鋼、中碳鋼、馬氏體時(shí)效鋼、不銹鋼等鐵基合金中形成一種典型的馬氏體組織。
a）結(jié)構(gòu)形態(tài)：馬氏體板條（D）→馬氏體束（B-2條;C-1條）→板條群（3~5個(gè)）→板條馬氏體；
b）密集的板條之間通常由含碳量較高的殘余奧氏體分割開(kāi)，這一薄層殘留奧氏體存在顯著地改善鋼的力學(xué)性能；
c）板條馬氏體內(nèi)有大量位錯(cuò)，這些位錯(cuò)分布不均勻。形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，稱為位錯(cuò)胞，所以又稱位錯(cuò)馬氏體。
（2）片狀馬氏體 高碳鋼（ωC＞0.6%）、ωNi=30%的不銹鋼及一些有色金屬和合金，淬火時(shí)形成的片狀馬氏體組織。
a）結(jié)構(gòu)形態(tài)：片狀馬氏體的空間形態(tài)呈凸透鏡狀，由于試樣拋磨與其截面相截，因此在光學(xué)顯微鏡下呈針狀或竹葉狀，故片狀馬氏體又稱針狀馬氏體或竹葉狀馬氏體；
b）顯微組織特征：馬氏體片互相不平行，在一個(gè)奧氏體晶粒內(nèi)，第一片形成的馬氏體往往貫穿整個(gè)奧氏體晶粒，并將其分割成兩半，使以后形成的馬氏體片尺寸越來(lái)越小。
c）尺寸：最大尺寸取決于原始奧氏體晶粒大小，奧氏體晶粒越大，則馬氏體片越粗大。
d）隱晶馬氏體：當(dāng)最大的馬氏體片細(xì)小到光學(xué)顯微鏡不能分辨時(shí)，便成為“隱晶馬氏體”在生產(chǎn)中正常淬火得到的馬氏體，一般都是隱晶馬氏體；
e)片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶，因此片狀馬氏體又稱孿晶馬氏體。孿晶通常分布在馬氏體的中部，不擴(kuò)展到馬氏體片的邊緣區(qū)，在邊緣區(qū)有高密度的位錯(cuò)。在含碳量ωC＞1.4%的鋼中可見(jiàn)到馬氏體片中的中脊線，它是高密度的細(xì)的微細(xì)孿晶區(qū)；
f)顯微裂紋：馬氏體形成速度極快，在其相互碰撞或奧氏體晶界相撞時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的應(yīng)力場(chǎng)，片狀馬氏體本身硬而脆，不能通過(guò)滑移或?qū)\生變形使應(yīng)力得以松弛，因此容易形成撞擊裂紋。
通常奧氏體晶粒越大，馬氏體片越大，淬火后顯微裂紋越多。顯微裂紋的存在增加了高碳鋼零件的脆性，在內(nèi)應(yīng)力的作用下顯微裂紋將會(huì)逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋，可以導(dǎo)致工件開(kāi)裂或使工件的疲勞壽命明顯下降。
g)馬氏體中的形態(tài)主要取決于奧氏體的含碳量，從而與鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度MS點(diǎn)有關(guān)，奧氏體含碳量越高，則MS、Mf點(diǎn)越低。
碳含量 | 形態(tài) | 形成溫度（一般情況） |
ωC＜0.2% | 板條馬氏體 | 200℃以上 |
ωC＞0.6% | 片狀馬氏體 | 200℃以下 |
ωC=0.2%~1.0% | 板條、片狀混合組織 | 先形成板馬后形成片馬 |
h)元素對(duì)馬氏體形態(tài)的影響：Cr、Mo、Mn、Ni（降低MS點(diǎn)）和Co（升高MS點(diǎn)）的元素都增加形成片狀馬氏體的傾向。
四、馬氏體的性能
（1）馬氏體力學(xué)性能顯著特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高硬度；
（2）含碳量對(duì)馬氏體性能的影響：硬度主要取決于含碳量。ωC＜0.5%時(shí)馬氏體的硬度隨著含碳量增加急劇增高，當(dāng)ωC＞0.6%左右雖然馬氏體硬度有所增高，但是由于殘余奧氏體量增加，反而使得鋼的硬度有所下降；
（3）合金元素對(duì)馬氏體的硬度影響不大，但可以提高強(qiáng)度；
（4）馬氏體高強(qiáng)度、高硬度的硬度是多方面的，主要包含：固溶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化以及時(shí)效強(qiáng)化，具體介紹如下：
固溶強(qiáng)化：間隙原子處于α相晶格的八面體間隙中，造成晶格的正方畸變，并形成了一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。該應(yīng)力場(chǎng)與位錯(cuò)發(fā)生強(qiáng)烈的交互作用，從而提高馬氏體的強(qiáng)度。
相變強(qiáng)化：馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在晶體內(nèi)造成密度很高的晶格缺陷，無(wú)論板條馬氏體中的高密度位錯(cuò)還是片狀馬氏體中的孿晶都阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而使馬氏體強(qiáng)化；
時(shí)效強(qiáng)化：馬氏體形成以后，碳及合金元素的原子向位錯(cuò)或其他晶格缺陷處擴(kuò)散偏聚或析出，釘扎位錯(cuò)，使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，從而造成馬氏體強(qiáng)化；
（5）馬氏體板條群或馬氏體片尺寸越小，則馬氏體強(qiáng)度越高；這是由于馬氏體相界面阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而造成的，原始奧氏體晶粒越小，則馬氏體強(qiáng)度越高；
馬氏體的塑性和韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)：
孿晶馬氏體：高強(qiáng)度、但韌性差；
位錯(cuò)馬氏體：高強(qiáng)度、良好的韌性；
（6）馬氏體的體積：在鋼中的各種組織中，奧氏體的比體積最小，馬氏體的比體積最大；因此，淬火形成馬氏體時(shí)由于鋼的體積膨脹是淬火時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力、引起工件變形甚至開(kāi)裂的主要原因之一。
馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)
馬氏體轉(zhuǎn)變同其他固態(tài)相變一樣，相變驅(qū)動(dòng)力也是新相與母相的化學(xué)自由能差，即單位體積馬氏體與奧氏體的自由能差。相變阻力也是新相形成時(shí)的界面能及應(yīng)變能。
盡管馬氏體形成時(shí)與奧氏體存在共格界面，界面能很小，但是由于共格應(yīng)變能較大，特別是馬氏體與奧氏體比體積相差較大以及需要克服切面阻力并產(chǎn)生大量的晶格缺陷，增加很大的彈性應(yīng)變能，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變的相變阻力很大，需要足夠大的過(guò)冷度才能使相變驅(qū)動(dòng)力大于相變阻力，以發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。
馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度Ms點(diǎn)則可以定義為馬氏體與奧氏體的自由能差到相變所需要的最小驅(qū)動(dòng)力值時(shí)的溫度。
馬氏體轉(zhuǎn)變是過(guò)冷奧氏體在低溫范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)變，相對(duì)于珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變具有如下一系列特點(diǎn)（5條）：
1.馬氏體轉(zhuǎn)變的無(wú)擴(kuò)散性
馬氏體轉(zhuǎn)變是奧氏體在很大過(guò)冷度下進(jìn)行的，此時(shí)無(wú)論是鐵原子、碳原子還是合金元素原子，其活動(dòng)能力很低，因而，馬氏體轉(zhuǎn)變是在無(wú)擴(kuò)散的情況下進(jìn)行的。只有點(diǎn)陣規(guī)則的重構(gòu)，新相和母相無(wú)成分的變化。
2.馬氏體的轉(zhuǎn)變的切變共格性
切變：兩個(gè)距離很近、大小相等、方向相反的平行力作用于同一物體上所引起的形變；
馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)在預(yù)先拋光的試樣上表面出現(xiàn)傾斜，產(chǎn)生表面浮凸。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明馬氏體轉(zhuǎn)變和母相的宏觀有著直接的聯(lián)系，說(shuō)明馬氏體是以切變方式形成的；
馬氏體和母相奧氏體保持共格，界面上的原子既屬于馬氏體又屬于奧氏體。
相界面是一個(gè)切變共格晶界，又叫慣習(xí)面；馬氏體轉(zhuǎn)變是新相在母相特定的晶面慣習(xí)面上形成的，并以母相的切變來(lái)保持共格關(guān)系的相變過(guò)程；
3.馬氏體轉(zhuǎn)變是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的
馬氏體核胚形成位置；不是在合金中均勻分布的，而是在母相中某些有利的位置（晶格缺陷處、形變區(qū)、貧碳區(qū)）；
馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程：與其他固態(tài)相變一樣，也是通過(guò)形核和長(zhǎng)大的方式進(jìn)行的；馬氏體轉(zhuǎn)變是原子的短程遷移，晶核形成后長(zhǎng)大速度極快（102~106mm/s），甚至在極低溫度下仍能高速長(zhǎng)大；
馬氏體轉(zhuǎn)變速度:取決于馬氏體的形核率，當(dāng)大于臨界晶核半徑的核胚全部耗盡，相變終止。由于過(guò)冷度越大，臨界晶核尺寸越小，只有進(jìn)一步降溫才能使更小的核胚成為晶核并長(zhǎng)大成馬氏體。
一般工業(yè)用碳鋼及合金鋼，馬氏體轉(zhuǎn)變是連續(xù)（變溫）冷卻過(guò)程中進(jìn)行的。鋼中奧氏體以大于臨界淬火速度的速度冷卻到MS點(diǎn)以下，立即形成一定數(shù)量的馬氏體，相變沒(méi)有孕育期；隨著溫度的下降，又形成一定數(shù)量的馬氏體，而先形成的馬氏體不再長(zhǎng)大。馬氏體轉(zhuǎn)變量隨著溫度的降低而逐漸增加；
馬氏體的轉(zhuǎn)變量?jī)H取決于冷卻所到達(dá)的溫度，而與保溫時(shí)間無(wú)關(guān)；
殘留奧氏體：
高碳鋼和許多合金鋼的MS點(diǎn)在室溫以上，而Mf點(diǎn)在室溫以下，則淬火冷卻到室溫將保留相當(dāng)數(shù)量未轉(zhuǎn)變的奧氏體，這個(gè)部分叫殘留奧氏體；如果為使殘留奧氏體全部轉(zhuǎn)變“冷處理”，可以放入液氮中處理；
影響殘奧數(shù)量的因素：碳含量越高，殘奧越多、含有降低Ms的元素，殘奧越多；
殘留奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化：由于奧氏體在淬火過(guò)程中受到較大塑性變形或者受到壓應(yīng)力而造成的穩(wěn)定化現(xiàn)象叫做奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定化。殘留奧氏體就與機(jī)械穩(wěn)定化有關(guān)，被包圍在馬氏體之間的奧氏體處于受壓縮狀態(tài)無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)變而殘留下來(lái)；
形變誘發(fā)馬氏體（形變馬氏體）：在Ms點(diǎn)以上對(duì)奧氏體進(jìn)行塑性變形可引起馬氏體轉(zhuǎn)變，變形量越大，馬氏體轉(zhuǎn)變量越多，這種現(xiàn)象稱為形變誘發(fā)馬氏體相變；
4.馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性
l 可逆性：在某些鐵和金、鎳與其他有色金屬中，奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，重新加熱時(shí)已形成的馬氏體又能無(wú)擴(kuò)散的轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；
l 一般碳鋼中不發(fā)生按馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)構(gòu)的逆轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵诩訜釙r(shí)馬氏體早已經(jīng)分解為鐵素體和碳化物；這個(gè)過(guò)程為“回火”。
(文章來(lái)源：機(jī)械裝備缺陷與失效分析，作者：錘子）
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