碳原子的偏聚探讨

25～100℃的温度范围属于回火的预备阶段，也称为回火的前期阶段或时效阶段。在这个阶段，发生碳原子的偏聚，低碳板条马氏体中的碳原子主要偏聚于位错的张应力区，高碳片状马氏体中的碳原子主要偏聚于孪晶面等一定的晶面上。

在25～100℃的范围内，虽然铁和合金元素原子尚难以扩散，但碳、氮原子尚能做短距离的扩散，在转变为稳定组织的自发倾向驱使下，马氏体中过饱和的碳、氮原子会自发地进行偏聚（集团化）。

Fe-16.7Ni-0.82C合金经奥氏体化后快冷至-195℃，然后在-195～100℃各个温度下回火3h，考察其硬度变化。结果发现，温度超过-80℃，硬度就开始上升。80℃回火3h后，硬度由原来的54HRC上升到58HRC，如图18-1所示。检查其显微组织，并未发现该过程中有任何第二相析出。因此推断出，100℃以下回火其硬度的提高是由碳原子的偏聚引起的。由于镍不是碳化物的形成元素，也不溶于渗碳体，因此镍在如图18-1所示的Fe-Ni-C合金中的作用只是把Ms点降低到-40℃左右，以保证在淬火过程中不会发生自回火。在-196℃测量可以保证试样在测量时不会发生第二相析出。

图18-1　Fe-Ni-C马氏体在不同温度时效3h后于-196℃测得的硬度

含碳量0.25%的低碳马氏体，间隙原子进入马氏体晶格中位错线附近的张应力区，降低了系统的弹性能，马氏体晶格呈现bcc结构，而不是bct结构。只有当奥氏体中含碳量大于0.25%，晶格缺陷中容纳的碳原子达到饱和时，多余的碳原子才形成碳原子偏聚团，从而才显示出一定的正方度。(www.xing528.com)

高碳的片状马氏体，由于低能量的位错位置很少，除少量碳原子向位错线偏聚外，大量碳原子将向垂直于马氏体C轴的（100）M面或孪晶面{112}M上富集。马氏体中的碳原子选择性地转向同一晶向（如[100]M）的八面体间隙并进一步发生偏聚，形成凸透镜状的碳原子偏聚团，称为“弘津气团”。弘津气团趋向于在同一晶面上出现，并形成若干个小片组成的碳原子片状畴，畴的尺寸约为几个纳米。

对Fe-Ni-C合金马氏体的TEM研究表明，在室温下短时间失效后，一个精细尺度、粗花呢织物状的碳浓度调幅组织沿马氏体的<203>方向形成，马氏体内形成一些微小富碳区和贫碳区，相间地有规则地分布，如图18-2所示。富碳区和贫碳区的间距在1～5nm。间距还随时效时间的延续而增加。例如，Fe-25Ni-0.4C和Fe-15Ni-1C马氏体在室温时效1个月后，分别达到5nm和9nm左右。这表明室温回火马氏体是以调幅分解机制进行分解的。

130℃碳原子迁移0.2nm的距离仅需要2.0ms，室温下碳原子迁移0.2nm的距离则需要20s。这表明，碳原子在室温仍有一定的扩散能力。因此，从Ms到室温，碳可很快地完成原子偏聚过程。这一过程很难用一般测试手段观察检验出来，而只能用内耗法、电阻法等进行研究。正因如此，在发现回火的其他4个阶段以前的很长一个时期内，人们没法发现碳原子的偏聚。这也正是将这个阶段成为回火预备阶段的主要原因。

图18-2　Fe-15Ni-1C合金马氏体在室温时效48d后的调幅组织（TEM照片）