马氏体

马氏体是一种非常坚硬的钢晶体结构。 以此类推，该术语也可以指代通过无扩散转变形成的任何晶体结构。

马氏体是通过铁的奥氏体形式快速冷却（淬火）在碳钢中形成的，其速度如此之快，以至于碳原子没有时间从晶体结构中扩散出足够大的数量以形成渗碳体（Fe3C） . 奥氏体是伽马相铁 (γ-Fe)，是铁和合金元素的固溶体。 淬火的结果是，面心立方奥氏体转变为高度应变的体心四方晶系，称为马氏体，碳过饱和。 产生的剪切变形产生大量位错，这是钢的主要强化机制。 珠光体钢的最高硬度为 400 布氏，而马氏体钢可达到 700 布氏。

当奥氏体达到马氏体起始温度 (Ms) 时，冷却过程中开始马氏体反应，母体奥氏体变得机械不稳定。 当样品被淬火时，越来越多的奥氏体转变为马氏体，直到达到较低的转变温度 Mf，此时转变完成。

对于共析钢 (0.76% C)，将保留 6% 至 10% 的奥氏体，称为残余奥氏体。 残余奥氏体的百分比从低于 0.6% C 钢的微不足道增加到 0.95% C 时的 13% 残余奥氏体和 1.4% 碳钢的 30-47% 残余奥氏体。 非常快速的淬火对于产生马氏体至关重要。 对于薄截面的共晶碳钢，如果从 750 °C 开始到 450 °C 结束的淬火时间为 0.7 秒（速率为 430 °C/s），则不会形成珠光体，钢将是马氏体 少量残余奥氏体。

对于含碳量为0～0.6%的钢，马氏体呈板条状，称为板条状马氏体。 对于含碳量大于1%的钢，会形成板状结构，称为板状马氏体。 在这两个百分比之间，谷物的物理外观是两者的混合。 随着残余奥氏体量的增加，马氏体的强度降低。 如果冷却速度低于临界冷却速度，则会形成一定量的珠光体，从晶界处开始生长到晶粒中，直到达到 Ms 温度，然后剩余的奥氏体以大约一半的速度转变为马氏体 钢铁的声音。

在某些合金钢中，马氏体可以通过在 Ms 温度下通过淬火至低于 Ms 然后通过塑性变形加工使横截面面积减少 20% 至 40% 来形成。 该过程产生高达 1013/cm2 的位错密度。 大量的位错与产生的沉淀相结合并将位错固定在适当的位置，从而产生非常坚硬的钢。 这种特性经常用于氧化钇稳定的氧化锆等增韧陶瓷和 TRIP 钢等特殊钢中。 因此，马氏体可以是热诱导或应力诱导的。

马氏体相的生长需要非常少的热活化能，因为该过程是一种无扩散转变，会导致原子位置发生微妙但快速的重排，并且已知即使在低温下也会发生。 马氏体的密度低于奥氏体，因此马氏体相变导致体积发生相对变化。 比体积变化更重要的是剪切应变，其大小约为 0.26，它决定了马氏体板的形状。

马氏体在铁碳体系的平衡相图中没有显示，因为它不是平衡相。 平衡相通过允许足够时间扩散的缓慢冷却速率形成，而马氏体通常通过非常高的冷却速率形成。 由于化学过程（达到平衡）在较高温度下会加速，因此马氏体很容易被加热破坏。 这个过程称为回火。 在一些合金中，通过添加干扰渗碳体成核的元素（例如钨）来降低这种影响，但通常允许成核继续进行以释放应力。 由于淬火可能难以控制，许多钢被淬火以产生过多的马氏体，然后回火以逐渐降低其浓度，直到达到预期应用的首选结构。 马氏体的针状微结构导致材料变脆。 马氏体过多会使钢变脆； 太少会使它变软。