中脊馬氏體的特異現象

供稿|萬民 / WAN Min

內容導讀

文章介紹了一種實驗中獲得的特異馬氏體組織，該馬氏體組織尺寸大并且模樣奇特，可以用“大而奇”來形容。組織尺寸長達0.19 mm，模樣奇怪表現為該特異馬氏體組織能生成奧氏體中脊，甚至生成近乎相互垂直交叉(接近90°)的兩條奧氏體中脊。這種特異馬氏體組織在一般情況下是觀察不到的，為了不讓奇跡悄然消逝，讓更多讀者了解這一奇特現象，共同探討相關機理，是筆者撰寫此文的初衷。筆者認為馬氏體中脊就是晶界，指出馬氏體相變的動力是壓應力，而相應的切應力是由壓應力衍生的產物。

馬氏體是金屬材料的一種組織。談馬氏體相變首先要談“中脊馬氏體”。高碳馬氏體形態中有一種類似于雙面凸透鏡形狀，兩個凸面間還夾著一根“筋”(一個平面)，好似竹葉的形狀，這根“筋”被稱為“中脊”，這種馬氏體組織被稱為“中脊馬氏體”。前輩學者在馬氏體相變的實驗中觀察到試樣的拋光平面上出現了浮凸現象，并由此提出馬氏體生成的切變理論模型(圖1)[1]，認為馬氏體在切應力作用下，從中脊面(中間面)開始向兩側生長，而且中脊面是“不變平面”。顯然，按照這個模型，中脊面是一個幾何面，即實際上不應超過一個原子層的厚度。

中脊的性質

圖1 馬氏體生成的切變理論模型(本圖參見《馬氏體相變與馬氏體》[1])

實驗一：試樣為發動機的挺柱。由于挺柱一端與凸輪(軸)摩擦，因此該端部使用耐磨材料，而另一端使用普通材料即可。發動機挺柱試樣制作工藝為：在普碳鋼(0.45% C) 棒料(φ35 mm)的一端開一個深4 mm的φ28 mm凹槽。槽內放入耐磨鑄鐵粉末，成分為C3.4~3.8，Si1.7~2.0，Mn0.60~0.85，Ni0.3~0.6，Mo 0.40~0.65，Cr0.7~1.1。用高頻感應加熱，熔化鋼棒端部粉末的同時冷卻普碳鋼棒料(圖2)，勿使棒料過熱，直至耐磨鑄鐵粉末凝固為鑄鐵。最后，進行400℃消除應力回火。由于冶金材料的不均勻性，最終在熔化區形成兩個區域、兩種組織，上層形成碳化物區，下層形成馬氏體加殘留奧氏體區(圖3)。觀察馬氏體區，得到圖4所示的一組晶相組織照片。

圖2 發動機挺柱的耐磨端制作工藝示意圖

圖3 熔化區的組織形貌

圖4 馬氏體區的晶相組織照片

在圖4(a)中，觀察到兩個馬氏體晶粒之間夾著一條窄窄的殘留奧氏體組織，好似中脊馬氏體的“中脊”。圖4(b)中的馬氏體很像中脊馬氏體，但是能看到兩條近乎垂直的殘留奧氏體“中脊”，把馬氏體一分為四。圖4(c)，(d)兩圖顯示的是成片平行生長的中脊馬氏體和次生馬氏體束，形象近似于低碳馬氏體束。

圖4(a)和(b)中出現的確實是中脊馬氏體嗎？“中脊”為什么出現殘留奧氏體組織，中脊真是不變平面嗎？帶著這樣的疑問筆者對馬氏體試樣的連續拋光面進行了連續觀察(圖5)。

可以看到，圖5(a)~(d)中兩片馬氏體晶粒間夾著一條奧氏體組織，隨著拋光層的深入，中脊部位的奧氏體逐漸減薄，兩側的馬氏體晶界逐漸合攏，最后兩條晶界合為一體變成中脊并一直延伸到馬氏體的另一端。如圖6情形，可知中脊即晶界，而兩個馬氏體晶界間存在殘留奧氏體是很正常的。

實驗二：用球墨鑄鐵(C3.4~3.6，Si2.0~2.3，Mn0.3~0.6，S≤0.025，P≤0.07，Re0.02~0.04，Mg0.035~0.065)試樣淬火，拋光浸蝕(全部試樣用4%硝酸酒精浸蝕)后觀察，此時試樣中除了球墨以外只有淬火馬氏體和殘留奧氏體兩種組織存在。組織中的晶界有：奧氏體和奧氏體的、馬氏體和馬氏體的、奧氏體和馬氏體的晶界。選擇淬火試樣是為了排除回火馬氏體對結果的干擾。本實驗設計中只有晶界受浸蝕(圖7)。

由圖7可知，淬火馬氏體和殘留奧氏體基體不受浸蝕，中脊和原奧氏體晶界受浸蝕最深且程度一致。由此可知中脊的組織和馬氏體基體的組織是完全不同的。晶界是高密度位錯，易浸蝕，而中脊也易浸蝕，由此可知中脊應該是馬氏體晶界而不是馬氏體。

兩個實驗都顯示中脊就是晶界，中脊兩側是兩個孿生的馬氏體晶體。

應力分析

熱脹冷縮現象是眾所周知的現象。鋼在淬火時急劇冷卻收縮時各晶粒受到的都是壓應力，并沒有外來的切應力。那馬氏體形成時的切應力從何而來？

圖5 試樣連續拋光面的馬氏體組織形貌

圖6 中脊為兩個馬氏體晶界

晶體是由晶格組成的，當壓應力與晶格的任一個軸成角度時，就可以分解為幾個和晶軸相互垂直或平行的分力。因為壓應力是成對出現的，所以分力也是成對的。每對分力在投影方向對晶格(軸)形成切應力。而應當注意的是一對切應力之間的力臂應該趨于零。如果一對力大小相同，方向相反，作用在同一物體上而力臂不趨于零，它只是一個力偶?？墒刮矬w旋轉，而不是產生切變。

圖7 淬火試樣4%硝酸酒精浸蝕后的組織形貌

馬氏體相變時，在外界壓應力的作用下，晶格垮塌重組。金屬原子在切應力作用下相互產生滑移。類似于壓力試驗中的情況。

實際的中脊馬氏體，中脊筆直而連續，各點的應力方向一致，是典型且惟一的剪切應變平面。而其外邊界為凸透鏡形曲線甚或有破碎狀(圖8)，其上各點的應力方向都不一致，不存在統一的切變應力，也就沒有切應變。也就是說，中脊馬氏體的外邊界上不會出現如圖1所示的整體的平移。

圖8 外邊界為破碎狀的中脊馬氏體

推論

中脊馬氏體形成過程可歸納為：

(1) 淬火時材料冷卻收縮，所有晶粒受到壓應力。

(2) 在壓應力作用下，晶格內的最薄弱部分首先垮塌，原子間產生位移，發生位置改變。

(3) 在壓應力的分力作用下，最先垮塌的晶格沿著某一晶面產生滑移，形成切變，產生了中脊面。

(4) 中脊面的切變帶動了兩側晶格的原子發生位置調整，生成了馬氏體組織。同時生成至少兩個孿生的馬氏體晶體。而圖4(b)出現的兩個方向的中脊，應該是兩個方向的切應力下形成的，當然這需要進一步討論。

由于都是在壓應力下形成，故而也可解釋低碳馬氏體和貝氏體的成因，以及類似的相變。而中脊馬氏體的針形也是和壓應力區相對應的。

結束語

筆者在工作中遇到的這些特異的馬氏體現象，對照馬氏體切變理論難以完全解釋。比如，中脊是什么？切變的馬氏體外形為何并不平齊？經過分析發現，馬氏體切變理論中說的第一次切變，實際只是一個扭轉，并不是切變，只有力偶，并沒有切應力，各原子間的晶格相對位置都沒有變化，因此解釋不了中脊現象。因此筆者認為此理論有缺陷。而馬氏體的形狀和馬氏體受到的應力狀態與壓應力有關。因此，針對這些問題做一些闡述和推理，都還是40年前的舊事，不再新潮，企盼對馬氏體理論的完善能有所貢獻，是我之所愿。

攝影 劉繼鳴