溶入过冷奥氏体的含碳量增加，对马氏体的形成到底是有利还是有弊端？

hero0710

之所以注册热处理论坛，是因为在搜索引擎里查询热处理相关困惑的答案时，总是在甄别之后，觉得本坛的专家们在帖子里给的答案最靠谱。我是新人，文科专业出身，目前因工作需要在自学热处理，请大家多多帮助，不甚感激。在此有个问题希望大家帮忙解惑：在淬火时，随着过冷奥氏体含碳量的增加（只在能溶入奥氏体的含碳量范围内考虑），奥氏体固溶强化，抑制了珠光体的形核，C曲线右移，淬透性增大，获得马氏体的能力增强，即获得更多的马氏体，但是，奥氏体固溶强化后，不是同样增加了马氏体切变的阻力，使Ms下降，即获得更少的马氏体吗？如何理解和分析这个矛盾点呢，请各位专家帮忙解惑，十分感激！

pjh24123

文科专业，能说出来这么多，也算厉害！
随着碳含量的增加（或者说固溶进奥氏体里的碳含量的增加），淬透性的变化是不一样的，小于0.77%和大于0.77%是截然相反的。
碳含量的增加，使Ms点下降，室温下残余奥氏体增加，马氏体量减少，好像只针对过共析钢，低、中碳钢合金钢不用考虑Ms点下降，室温下残余奥氏体增加，马氏体量减少。

hero0710

pjh24123 发表于 2011-12-16 11:09
文科专业，能说出来这么多，也算厉害！
随着碳含量的增加（或者说固溶进奥氏体里的碳含量的增加），淬透性 ...

感谢phj24123的热心回复。碳含量小于0.77%和大于0.77%对淬透性影响截然相反的原因似乎也是因为含碳量超过一定含量（我不确定具体值是否为0.77%，请专家勘正）时，在淬火温度下不能完全溶入奥氏体，未溶碳化物一方面本身可以作为新相晶核，提高珠光体形核率，另一方面，阻碍奥氏体晶粒长大，也有助于珠光体转变，导致临界冷却速度提高，马氏体转变量减少。
或者我们可以直接这样问：含碳量在小于0.77%的范围下，含碳量增加有利于抑制奥氏体固溶强化，抑制珠光体形核，降低临界冷却速度获得更多马氏体（这点我们应该已经达成共识），但是同时，奥氏体固溶强化，不是也增加了马氏体切变的阻力吗? 所以一方面从抑制珠光体形核，降低临界冷却速度来说，含碳量增加（在﹤0.77%范围下），有利于马氏体增加，另一方面从增加马氏体切变阻力来说，有弊于马氏体增加，那么如何理解和分析这个矛盾点呢？

hero0710

aaron01 发表于 2011-12-16 13:57
请楼主仔细看一下C曲线，这里说的是两个问题，含碳量对C曲线的影响以下两种影响同时存在，两种说法都正确。 ...

谢谢aaron01的热心及用心的回复。如果是因为关注点不同就不存在矛盾点的话，我们可不可以这样问: 将亚共析钢完全退火后常温下水淬，请问，随着含碳量的增加，最后得到的马氏体是增多还是减少？为什么？

aaron01

请楼主仔细看一下C曲线，这里说的是两个问题，含碳量对C曲线的影响以下两种影响同时存在，两种说法都正确。
1，含碳量升高，使得C曲线向右移，在相同冷速情况下，更难发生珠光体转变。
2，含碳量升高，使Ms点下降，在冷到相同温度情况下，得到的马氏体量更少。
但要注意，一个谈的是淬透性问题，重点关注温度段是在500-600C的鼻尖，而且是有前提的，比较的时候先假定零件都是冷到残奥量很少的情况下的。
另一个谈的是Ms点，重点关注温度段是在230C以下温度，比较的时候是先假定零件不碰C曲线鼻尖的。所以，不存在矛盾的地方。
再补充个例子给你，含碳量高了后，C曲线右移，材料本来会发生珠光体转变的，现在不会了，冷到250C时是100%的过冷奥氏体，这叫淬透性提高！但由于Ms点下降了，零件冷到室温的时候，不能得到接近100%的马氏体，剩余的叫残奥，但如果你继续冷到足够低的温度，还是肯定可以得到接近100%的马氏体量的。但如果前面在高温段已经发生部分过冷奥氏体转变为珠光体，那么无疑已经是不可能得到接近100%的马氏体量了！

ljlccy

楼主提到的“获得马氏体的能力增强”和“获得更少的马氏体”这两个矛盾点你要看在什么情况下执行了，“获得马氏体能力增强”如果在激冷的情况下也不会得到很多的马氏体，这时候的残余奥氏体量会大大增加；“获得更少的马氏体”如果在Ms点一下进行充分的冷却过程也能够得到相当多量的马氏体。

hero0710

ljlccy 发表于 2011-12-16 14:26
楼主提到的“获得马氏体的能力增强”和“获得更少的马氏体”这两个矛盾点你要看在什么情况下执行了，“获得 ...

谢谢ljlccy的热心回复。让我对所提问题有了更深的了解。那么对于我在5楼提的问题，你有哪些高见呢？

aaron01

应该这么说，两种影响都是同时存在的！
要看各种条件，
1，看冷速，如果冷速足够，都比临界冷速高，增加碳含量没有用，都是100%有什么好比的呢？
2，看零件厚度，厚度影响零件冷速；只有在零件的实际冷速略小于临界冷速时，增加含碳量才会减少珠光体量。
3，看MS点是多少；
以上因素综合在一起考虑，就是你要的结果。
我估计会出现这样的情况，在含碳量很低的情况下，Ms点和Mf点都很高，冷到室温是不会有残奥出现的，此时含碳量增加，珠光体量减少，马氏体含量增加；
在含碳量大于0.6%情况下，Mf点低于室温，此时再增加碳含量，残奥量会增加。

hero0710

aaron01 发表于 2011-12-16 14:51
应该这么说，两种影响都是同时存在的！
要看各种条件，
1，看冷速，如果冷速足够，都比临界冷速高，增加碳 ...

你的两个帖子，让我获益匪浅。

草原的风

文科专业能够提出这么有深度的问题确实难得，不过你的问题比较复杂，牵扯到马氏体转变的机理、马氏体转变的热力学条件和动力学条件等因素，我想就以下几个方面谈谈自己的一些理解，可能对你有些启发：
1、马氏体：最早人们把马氏体定义为：碳在α-Fe中的过饱和固溶体，这个定义仅仅适于钢中的马氏体，但是也不完全适用，因为，有时钢中的马氏体不含碳，无碳马氏体，现在比较权威的说法是：母相无扩散性、以惯习面为不变平面的切变共个的相变产物为马氏体。这个定义适于钢，也适于其他合金。
2、奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体。注意：马氏体跟奥氏体化学成分相同而晶体结构不同。
3、铁素体：碳在α-Fe中的固溶体。注意：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，马氏体跟铁素体化学成分不同而晶体结构相同或类似，也可以说是扭曲了晶格的且远远超出溶解度的“铁素体”。
4、纯铁：纯铁在912度会发生奥氏体——铁素体（冷却），铁素体——奥氏体（加热）的转变。当加入碳后，改变了相变点（就跟水里加盐而改变了水的凝固点一样），这个转变由912度降低为最低727度（含碳达0.77%的时候），当冷却速度过快的时候就变成为奥氏体——马氏体（扭曲的超出溶解度的铁素体），当加热速度过快的时候就变成为马氏体——奥氏体。
从热力学分析，相变需要驱动力，而新相形成过程中必然也伴随着阻力，因此，只有当驱动力大于阻力的时候，相变才有可能发生。
马氏体相变的驱动力包括：
1、马氏体与奥氏体的自由焓差，过冷度越大，焓差越大，转变的驱动力也越大。
2、奥氏体晶体缺陷所提供的能量。注意：碳溶入奥氏体后会增加奥氏体晶体缺陷的数量。
马氏体相变的阻力包括：
1、马氏体转变形成的界面能。
2、马氏体转变时比容变化产生的弹性能
3、马氏体转变时克服切变抗力消耗的能量
4、形成马氏体造成大量的位错和孪晶形成的晶格畸变能。
5、临近马氏体的奥氏体所发生的塑性变形消耗的能量。
由此可见，马氏体转变需要的能量较多，阻力较大，所以，转变必须在大过冷度下才能够进行。而Ms就是他们的分界线。
奥氏体中的含碳量是影响Ms点的最主要因素，随着含碳量的增加，Ms、Mf下降，并且Mf 比Ms下降的更快，所以能够扩大马氏体的转变温度范围。注意：随着奥氏体含碳量的增加，虽然Ms、Mf下降，但是却扩大马氏体的转变温度范围。
马氏体是变温转变，Ms以下必须不断降温，马氏体才能够不断形成，而且是瞬时形成，长大速度极快，只决定于形核率，与长大速度无关。
好了，现在谈谈你的问题：
1、“在淬火时，随着过冷奥氏体含碳量的增加（只在能溶入奥氏体的含碳量范围内考虑），奥氏体固溶强化，抑制了珠光体的形核，C曲线右移，淬透性增大，获得马氏体的能力增强”但是并不意味着获得更多的马氏体，打个比方，学历高了挣钱的能力增强同样也不意味着挣到了更多的金钱，这个是两码事，获得马氏体的能力增强，只是说明具备了获得更多的马氏体的条件，是否获得更多的马氏体决定于具体的钢材的热传导率、淬火介质、冷却实际速度和冷却实际温度等要素，即达到Ms~Mf之间的那个具体温度，所以，热处理里面会出现个与热处理格格不入的冷处理工艺来，目的就是获得更多的马氏体，如果能够通过控制奥氏体含碳量就能够达到这个目的就不用这么费劲的搞冷处理了。
2、“但是，奥氏体固溶强化后，不是同样增加了马氏体切变的阻力，使Ms下降，即获得更少的马氏体吗？”
是的，奥氏体含碳量高了增加了马氏体切变的阻力，使Ms下降没有错，但是碳溶入奥氏体后也会增加奥氏体晶体缺陷的数量，提高了马氏体转变的驱动力，却促使马氏体转变量的增加，最后结果也不一定就是“获得更少的马氏体”，关键看看那个因素占主导作用，考虑问题要全面，这样才能够得出正确的结论。

hero0710

草原的风 发表于 2011-12-16 17:20
文科专业能够提出这么有深度的问题确实难得，不过你的问题比较复杂，牵扯到马氏体转变的机理、马氏体转变的 ...

十分感谢如此详尽的回复。晚生愚钝，针对你的回复又产生了以下几个问题：

1. 奥氏体中的含碳量是不是只通过固溶强化来影响MS和MF的？

2. 碳溶入奥氏体后造成的晶体缺陷属于哪一种缺陷？

3. 奥氏体晶体缺陷给马氏体提供相变驱动力的原理？

4. 碳溶入奥氏体一方面，固溶强化，获得更少的马氏体，一方面增加奥氏体晶体缺陷，提高马氏体转变驱动力，获得更多的马氏体，这两个因素分别占主导作用的条件是什么？即什么情况下增加含碳量会增加马氏体，什么情况下增加含碳量减少马氏体？

5. 含碳量增加是不是必定降低Ms和Mf?如果是得话，可不可以这样理解，含碳量增加后，固溶强化是阻力，晶体缺陷是动力，在增加含碳后，Ms一定下降的情况下，不就等于含碳量增加，动力和阻力角力的最终结果必定是动力落败，阻力获胜？这样的话，跟第四个问题里的情况不是又冲突了吗？

再次感谢！

草原的风

hero0710 发表于 2011-12-18 10:18
十分感谢如此详尽的回复。晚生愚钝，针对你的回复又产生了以下几个问题：

1. 奥氏体中的含碳量是不是 ...

1. 奥氏体中的含碳量是不是只通过固溶强化来影响MS和MF的？
答： 个人看法：奥氏体中的含碳量不是通过固溶强化来影响MS和MF的，而是通过溶入碳于奥氏体的面心立方晶格引起晶格畸变导致能量升高而引起的。
2. 碳溶入奥氏体后造成的晶体缺陷属于哪一种缺陷？
答：属于点缺陷，即形成间隙固溶体而引起晶格畸变倒置能量升高的。
3. 奥氏体晶体缺陷给马氏体提供相变驱动力的原理？
根据热力学定律，系统总是向着能量降低的方向自发进行，由于奥氏体晶体缺陷晶格畸变导致能量升高，故有着向能量降低方向进行的趋势。
抱歉，有事，后两个问题晚上回家在答题。

hero0710

谢谢您的补充回答。

qihang04

草原的风真不愧为教授，令人茅塞顿开。

hero0710

草原的风 发表于 2011-12-19 17:30
1. 奥氏体中的含碳量是不是只通过固溶强化来影响MS和MF的？
答： 个人看法：奥氏体中的含碳量不是通过固 ...

王老师，你个性签名里“回答了一半的问题找不见了 ”，那个一半的问题在这里...

草原的风

4. 答：碳溶入奥氏体一方面增加奥氏体晶体缺陷，提高了系统的能量，增加马氏体转变驱动力，获得更多的马氏体的可能性增加，另一方面，含碳量增加，阻碍了奥氏体向马氏体的转变（由面心立方晶格转变为严重晶格畸变的“体心立方晶格”）影响因素比较复杂，有温度、溶解度、A转变M体的冷却速度、形成马氏体的形态（板条、片状、蝶状、薄板状、薄片状等不一而足）、初步马氏体的数量多寡都会影响到最终马氏体的量。马氏体转变的重要特点是铁碳原子都不能扩散，马氏体与奥氏体成分相同，这时奥氏体中的碳量多少在这里只影响转变前的过程，也就是说只影响奥氏体的特性，因此，在实践中同一种钢可以通过提高加热温度和保温时间来增加钢的一定的淬透性就是这个道理，一般而言，亚共析钢随着含碳量增加，C曲线右移，淬透性增加，而过共析钢随着含碳量增加，C曲线左移，淬透性减少，过共析钢随着含碳量增加淬透性减少的原因是：一般热处理条件下通常加热温度是Ac1而不是Acm，属于不完全奥氏体化，未溶解的渗碳体作为结晶核心，促进了奥氏体的分解，使C曲线左移，貌似含碳量减少了马氏体，实际上，如果加热到Acm以上，照样会C曲线右移，淬透性增加，提高马氏体转变量的趋势。
5. 答：排除合金元素的影响，作为碳钢而言，含碳量增加必定降低Ms和Mf已经得到证实，我已经说过，所谓的固溶强化在这里根本就不是影响因素。至于动力和阻力角力的最终结果必定是动力落败的结论不知道你怎么得出的，你计算过吗？