1、6.1 Fe-C6.1 Fe-C馬氏體的回火馬氏體的回火內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古科技大學(xué) 劉忠昌教授劉忠昌教授1、新鮮馬氏體在低溫回火時性能的變化 l為了研究為了研究Fe-C馬氏體回火脫溶貫序的全過程，尤馬氏體回火脫溶貫序的全過程，尤其是脫溶初期的行為，首先要獲得一個其是脫溶初期的行為，首先要獲得一個“新鮮新鮮”的即未發(fā)生任何脫溶的馬氏體。對于的即未發(fā)生任何脫溶的馬氏體。對于Fe-C系來說，系來說，并非易事。并非易事。l自自20世紀(jì)世紀(jì)60年代以來，進(jìn)行了一系列的特殊試驗，年代以來，進(jìn)行了一系列的特殊試驗，研究表明研究表明碳原子的偏聚團(tuán)是馬氏體回火時脫溶的碳原子的偏聚團(tuán)是馬氏體回火時脫溶的貫序之首

2、。貫序之首。超高速、深冷淬火時超高速、深冷淬火時Fe-CFe-C馬氏體的硬度馬氏體的硬度 lS.AnsellS.Ansell設(shè)計了一種超高速深冷淬火裝置，可以設(shè)計了一種超高速深冷淬火裝置，可以10104 4/s/s冷速淬火，冷卻冷速淬火，冷卻00（冰水）后迅速轉(zhuǎn)入（冰水）后迅速轉(zhuǎn)入195195，并且在低溫下測定硬度。，并且在低溫下測定硬度。l得到了新鮮馬氏體，硬度測定表明新鮮馬氏體的硬度得到了新鮮馬氏體，硬度測定表明新鮮馬氏體的硬度低于一般低于一般( (老老) )馬氏體的硬度，以及回?zé)岬绞覝睾笥捕锐R氏體的硬度，以及回?zé)岬绞覝睾笥捕扔稚仙默F(xiàn)象。又上升的現(xiàn)象。 高速淬冷的高速淬冷的Fe-CFe-

3、C馬馬氏體硬度與淬冷速氏體硬度與淬冷速度的關(guān)系度的關(guān)系低速、高速得到的硬度（低速、高速得到的硬度（ H H1 1， H H2 2） 低碳鋼的淬冷硬度保持低水平，且低碳鋼的淬冷硬度保持低水平，且H-v曲線為水曲線為水平的平的,如如0.1%C的碳素鋼。的碳素鋼。 中、高碳鋼的淬冷硬度，在低速淬冷時，硬度高；中、高碳鋼的淬冷硬度，在低速淬冷時，硬度高；在高速淬冷時，硬度變低。低速的代表在高速淬冷時，硬度變低。低速的代表值值v1約為約為1500/s。在此冷速范圍，馬氏體的硬度（。在此冷速范圍，馬氏體的硬度（H1）與）與一般工業(yè)淬火硬度沒有什么差異。高速一般工業(yè)淬火硬度沒有什么差異。高速（v2）的代）的

4、代表值約為表值約為23000/s。用此速度或更快的速度淬冷，。用此速度或更快的速度淬冷，得到的硬度（得到的硬度（H2）顯然較低，而且保持恒定）顯然較低，而且保持恒定。 0,3%C0,3%C碳素鋼超高速淬冷到碳素鋼超高速淬冷到-196-196，再熱至室溫，再熱至室溫2020），放置時間與硬度的關(guān)系），放置時間與硬度的關(guān)系 。證明H是碳原子的偏聚造成的（1 1）將不同成分的）將不同成分的Fe-Ni-CFe-Ni-C合合金試樣奧氏體化，然后在液氮金試樣奧氏體化，然后在液氮中淬火，得到中淬火，得到“新鮮新鮮”馬氏體。馬氏體。（2 2）在）在-100-100到到100100回火回火3 3小時，再冷卻到小

5、時，再冷卻到-195-195，測量，測量硬度變化，其結(jié)果如圖硬度變化，其結(jié)果如圖6-26-2。（3 3）從圖可見，含碳量）從圖可見，含碳量0.020.02的馬氏體從的馬氏體從195195到到100100之間，硬度沒有變化，而之間，硬度沒有變化，而0.230.23以上的馬氏體在高于以上的馬氏體在高于-100-100時，硬度均有升高，表明室溫時，硬度均有升高，表明室溫到到-100-100發(fā)生了沉淀硬化過程。發(fā)生了沉淀硬化過程。圖中有4種Fe-Ni-C合金，馬氏合金，馬氏體點均為體點均為-35左右。左右?！靶迈r新鮮”馬氏體回火時電阻率的變化馬氏體回火時電阻率的變化 碳原子偏聚與電阻碳原子偏聚與電阻率

6、率 圖中，含碳量小于圖中，含碳量小于0.08%C0.08%C時，在時，在4040至至100100區(qū)間內(nèi)，（區(qū)間內(nèi)，（ 2 2 1 1 ）0,0,0,表明電阻率升高，說明此時沒有碳表明電阻率升高，說明此時沒有碳化物析出。但此時馬氏體中發(fā)生的碳原化物析出。但此時馬氏體中發(fā)生的碳原子的均勻偏聚過程子的均勻偏聚過程, ,即形成了碳原子偏即形成了碳原子偏聚區(qū)，即弘津氣團(tuán)。聚區(qū)，即弘津氣團(tuán)。2 2、碳原子的偏聚團(tuán)、碳原子的偏聚團(tuán)l馬氏體中的碳原子選擇性地占據(jù)同一晶馬氏體中的碳原子選擇性地占據(jù)同一晶向（如向（如001）八面體間隙，形成晶格）八面體間隙，形成晶格的正方性。的正方性。l弘津首先指出處于同一晶向八

7、面體間隙弘津首先指出處于同一晶向八面體間隙的碳原子進(jìn)一步發(fā)生偏聚，可以形成小的碳原子進(jìn)一步發(fā)生偏聚，可以形成小片狀的碳原子團(tuán)。稱為弘津氣團(tuán)。片狀的碳原子團(tuán)。稱為弘津氣團(tuán)。210021002100位置的表示（a a）某碳原子（幾率）某碳原子（幾率1.001.00）周圍出現(xiàn)其它碳）周圍出現(xiàn)其它碳原子的幾率；（原子的幾率；（b b）碳原子偏聚團(tuán)的外形尺寸）碳原子偏聚團(tuán)的外形尺寸 “弘津氣團(tuán)弘津氣團(tuán)”的形狀的形狀l弘津氣團(tuán)，該碳原子偏聚團(tuán)，僅僅包含弘津氣團(tuán)，該碳原子偏聚團(tuán)，僅僅包含2 24 4個碳個碳原子。呈透鏡狀。法向最大尺寸約等于鐵素體的原子。呈透鏡狀。法向最大尺寸約等于鐵素體的晶格常數(shù)晶格常數(shù)a

8、 a，徑向約為，徑向約為2a2a。l慣習(xí)面為慣習(xí)面為100100。后來也有人認(rèn)為是。后來也有人認(rèn)為是102102嚴(yán)格嚴(yán)格地說，這么一個小尺寸的聚集物，難以稱為通常地說，這么一個小尺寸的聚集物，難以稱為通常意義上的成分偏聚，很接近均勻固溶，將其稱為意義上的成分偏聚，很接近均勻固溶，將其稱為“弘津氣團(tuán)弘津氣團(tuán)”。 柯垂?fàn)枺–ottrell）氣團(tuán) 在淬火態(tài)，碳原子已經(jīng)處于位錯偏聚在淬火態(tài)，碳原子已經(jīng)處于位錯偏聚態(tài)，態(tài)，0.2%C可可使馬氏體中的位錯完全飽和。使馬氏體中的位錯完全飽和。碳原子偏聚于位錯線上，使它對合金的電碳原子偏聚于位錯線上，使它對合金的電阻率的貢獻(xiàn)大大減少（與均勻固溶態(tài)相阻率的貢獻(xiàn)大

9、大減少（與均勻固溶態(tài)相比）。比）。 低碳馬氏體的電阻率與完全的位錯偏聚低碳馬氏體的電阻率與完全的位錯偏聚態(tài)基本相同。但是態(tài)基本相同。但是 Fe-C馬氏體的電阻率隨馬氏體的電阻率隨著含碳量增加而變大。著含碳量增加而變大。馬氏體脫溶的第一階段馬氏體脫溶的第一階段偏偏聚聚 工業(yè)條件下或者一般試驗條件下所獲得的馬工業(yè)條件下或者一般試驗條件下所獲得的馬氏體，碳原子已經(jīng)完成了脫溶的第一階段氏體，碳原子已經(jīng)完成了脫溶的第一階段偏聚，偏聚，一部分以柯垂?fàn)枺ㄒ徊糠忠钥麓範(fàn)枺–ottrellCottrell）氣團(tuán)存在，另一部分）氣團(tuán)存在，另一部分以弘津偏聚團(tuán)形式出現(xiàn)。馬氏體中的含碳量超過以弘津偏聚團(tuán)形式出現(xiàn)。馬氏

10、體中的含碳量超過0.2%0.2%越多，則弘津氣團(tuán)的數(shù)量越多越多，則弘津氣團(tuán)的數(shù)量越多 。3 3、偏聚區(qū)、過渡相、偏聚區(qū)、過渡相、-Fe-Fe3 3C C馬氏體回火析出貫馬氏體回火析出貫序序l小于小于0.2%C0.2%C的的Fe-CFe-C低碳馬氏體，低碳馬氏體，200200以下回火時，只以下回火時，只形成碳原子的位錯氣團(tuán)，高于形成碳原子的位錯氣團(tuán)，高于200200時，析出平衡相時，析出平衡相滲碳體。滲碳體。l中碳馬氏體中碳馬氏體200200以下回火時，形成碳原子的位錯氣以下回火時，形成碳原子的位錯氣團(tuán)和弘津氣團(tuán)。團(tuán)和弘津氣團(tuán)。100100300300之間形成之間形成（或（或）碳化）碳化物。物。

11、l高碳馬氏體形成過程較為復(fù)雜，隨著回火溫度的升高，高碳馬氏體形成過程較為復(fù)雜，隨著回火溫度的升高，析出貫序析出貫序( (溫度貫序溫度貫序) )為：為： Dc,HcDc,Hc（或（或）XXFeFe3 3C C。 表62 碳化物的晶體學(xué)參數(shù) 低碳的板條狀馬氏體的脫溶貫序 200200以下回火時不析出碳化物，只有碳原子偏聚以下回火時不析出碳化物，只有碳原子偏聚團(tuán)。團(tuán)。200200以上，直接析出平衡以上，直接析出平衡相相FeFe3 3C C。 由于析出過渡相由于析出過渡相-Fe2C或或- Fe2.4C，需要擴散富集較高的需要擴散富集較高的含碳量含碳量,這對于低碳馬這對于低碳馬氏體來說較為困難。氏體來說

12、較為困難。Dc碳原子的位錯氣團(tuán)碳原子的位錯氣團(tuán)可以吸納大量碳原子可以吸納大量碳原子（0.2%C），較為穩(wěn)），較為穩(wěn)定，難以再提供多余定，難以再提供多余的碳原子來析出過渡的碳原子來析出過渡相。相。細(xì)小的滲碳體顆粒自馬氏體板條上析出。板條馬氏體間的殘留奧氏體（a）板條狀馬氏體；（b）回火托氏體，鐵素體開始回復(fù)-再結(jié)晶。高碳片狀孿晶馬氏體的脫溶貫序：高碳片狀孿晶馬氏體的脫溶貫序： l高碳馬氏體，溫度高于高碳馬氏體，溫度高于100100即開始析出過渡即開始析出過渡相相-FeFe2 2C C或或-Fe-Fe2.42.4C C，呈極細(xì)小的片狀；，呈極細(xì)小的片狀；l溫度高于溫度高于200200時，時，-Fe

13、-Fe2 2C C（或（或- Fe- Fe2.42.4C C）開始回）開始回溶，同時析出另一個過渡相溶，同時析出另一個過渡相XFeXFe5 5C C2 2，并且迅即開始，并且迅即開始平衡相平衡相FeFe3 3C C的析出。的析出。l在一個相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，在一個相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，X FeX Fe5 5C C2 2與與FeFe3 3C C共存，直到共存，直到450450以上以上XFeXFe5 5C C2 2消失消失, ,全部轉(zhuǎn)變?nèi)哭D(zhuǎn)變?yōu)闉镕eFe3 3C C。中碳馬氏體中存在位錯和孿晶兩種亞結(jié)構(gòu)，中碳馬氏體中存在位錯和孿晶兩種亞結(jié)構(gòu)，其析出貫序其析出貫序 :l從碳原子氣團(tuán)從碳原子氣團(tuán)Hc,

14、Dc狀態(tài)于狀態(tài)于100即開始析出過渡即開始析出過渡相相-Fe2C或或-Fe2.4C，溫度高于，溫度高于200時，即有時，即有Fe3C的析出。即在位錯氣團(tuán)基礎(chǔ)上直接析出平的析出。即在位錯氣團(tuán)基礎(chǔ)上直接析出平衡相。衡相。l100300范圍內(nèi)析出范圍內(nèi)析出的的-Fe2C或或-Fe2.4C則是則是孿晶型馬氏體貫序的環(huán)節(jié)。孿晶型馬氏體貫序的環(huán)節(jié)。l至今未見中碳馬氏體析出至今未見中碳馬氏體析出XFe5C2的報導(dǎo)。的報導(dǎo)。-Fe2.4Cl過渡相過渡相-Fe2.4C是是20世紀(jì)世紀(jì)50年代初測定年代初測定的。的。l70年代以后測定出年代以后測定出-Fe2C，認(rèn)為，認(rèn)為-Fe2.4C就是就是-Fe2C，因而出現(xiàn)

15、六方和正，因而出現(xiàn)六方和正交之爭。交之爭。l目前尚不能作出普遍性的結(jié)論。目前尚不能作出普遍性的結(jié)論。 -Fe2C是是20 世紀(jì)世紀(jì)70年代弘津測定的。年代弘津測定的。其晶胞結(jié)構(gòu)，如圖：其晶胞結(jié)構(gòu)，如圖： XFe5C2的晶體結(jié)構(gòu)與的晶體結(jié)構(gòu)與Fe3C很相似，同很相似，同屬所謂三棱柱型的間隙化合物。屬所謂三棱柱型的間隙化合物。 4 4、準(zhǔn)平衡的、準(zhǔn)平衡的FeFe3 3C Cl低碳的板條狀馬氏體低碳的板條狀馬氏體200200以下回火時不存在過渡以下回火時不存在過渡相相,200,200以上，直接析出平衡相以上，直接析出平衡相FeFe3 3C C。低溫時，。低溫時，位錯對于位錯對于形核起決定性作用。試驗

16、觀察表明，形核起決定性作用。試驗觀察表明，形核初期具有位錯形核特征。形核初期具有位錯形核特征。l在位錯處形核屬于非均勻形核，但是由于位錯密度在位錯處形核屬于非均勻形核，但是由于位錯密度大，大，分布也可以算是均勻的。分布也可以算是均勻的。l溫度升高時，處于板條界面和原奧氏體晶界處的溫度升高時，處于板條界面和原奧氏體晶界處的FeFe3 3C C，由于界面擴散速度快，而迅速長大，其尺，由于界面擴散速度快，而迅速長大，其尺寸顯著超過晶內(nèi)，這時組織不均勻了。寸顯著超過晶內(nèi)，這時組織不均勻了。高碳片狀孿晶馬氏體中的Fe3C于300析出l高碳片狀孿晶馬氏體中的高碳片狀孿晶馬氏體中的Fe3C于于300析出析出

17、.l若將若將XFe5C2納入納入Fe3C脫溶的一個階脫溶的一個階段，則其析出的開始溫度仍為段，則其析出的開始溫度仍為200。1)1)一般認(rèn)為，高碳片狀孿晶馬氏體中一般認(rèn)為，高碳片狀孿晶馬氏體中XX過程中過程中X X相的形核，以及中碳孿晶馬氏體相的形核，以及中碳孿晶馬氏體過程中的過程中的的的形核，都是異位的。形核，都是異位的。2)2)相自相自+X+X狀態(tài)的形成則是原位的。狀態(tài)的形成則是原位的。3)3)經(jīng)常觀察到的經(jīng)常觀察到的FeFe3 3C C處于孿晶面上。由于其慣習(xí)面處于孿晶面上。由于其慣習(xí)面與馬氏體的孿晶面與馬氏體的孿晶面112112相同，因而形成沿著孿晶界相同，因而形成沿著孿晶界的小片狀的

18、的小片狀的FeFe3 3C C集群。集群。 含碳量越高，孿晶界上的含碳量越高，孿晶界上的FeFe3 3C C小片的密度越大。小片的密度越大。4）Fe-C馬氏體析出Fe3C后，馬氏體脫溶結(jié)束，變成鐵素體+ Fe3C的整合組織。馬氏體脫溶結(jié)束。馬氏體脫溶結(jié)束。高碳工具鋼淬火后低溫回火得到回火馬氏體組織。高碳工具鋼淬火后低溫回火得到回火馬氏體組織。回火馬氏體基體上分布著顆粒狀碳化物回火馬氏體基體上分布著顆粒狀碳化物 淬火馬氏體經(jīng)過低溫、中溫、高溫的回火處理，分別淬火馬氏體經(jīng)過低溫、中溫、高溫的回火處理，分別得到回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體。得到回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體。（1 1）回火馬氏體：）回火馬氏體：低溫回火得到的低溫回火得到的相相Fe2CFe2C（或（或）等相組成的整合組織，稱為回火馬氏體。）等相組成的整合組織，稱為回火馬氏體。（2 2）回火托氏體：）回火托氏體：中溫回火得到的尚保留著馬氏體形中溫回火得到的尚保留著馬氏體形貌特征的鐵素體和片狀（或細(xì)小顆粒）滲碳體的整合貌特征的鐵素體和片狀（或細(xì)小顆粒）滲碳體的整合組織，稱為回火托氏體。以往文獻(xiàn)中稱其為回火屈氏組織，稱為回火托氏體。以往文獻(xiàn)中稱其為回火屈氏體。如果貝氏體回火時也得到這些相和具有同樣的形體。如果貝氏體回火時也得到這些相和具有同樣的形貌特征，也稱為回火托氏體。貌特征，也稱為回火托氏體。（3