Fe-C马氏体脱溶过程中的过渡相形态与特征

Fe-C马氏体脱溶时，从形成碳原子偏聚团到析出平衡相θ-Fe₃C之间存在过渡相，即过渡的Fe-C化合物。这是20世纪后期研究的一个热点问题，至今并未真正搞清楚。从碳原子偏聚团转变为平衡相θ-Fe₃C，是系统的自组织过程。

不同含碳量马氏体的回火转变析出的过渡碳化物是不同的，开始析出的碳化物非常细小，与基体存在复杂的共格关系，可能析出相的结构也很相似，因此研究观测的难度较大。表7-1按高、中、低碳三种情况给出了Fe-C马氏体分解时过渡相的类型以及析出的温度范围。

表7-1 Fe-C马氏体脱溶（温度）贯序

注：D_C为碳原子的位错气团；H_C为碳原子的弘津气团。

由表7-1可见，w_C＜0.2％的Fe-C低碳马氏体在200℃以下回火时，只形成碳原子的位错气团；高于200℃时，析出平衡相渗碳体。中碳马氏体在200℃以下回火时形成碳原子的位错气团和弘津气团；在100～300℃之间形成η（或ε）碳化物。高碳马氏体的形成过程较为复杂，随着回火温度的升高，析出贯序（温度贯序）为D_C→η-Fe₂C（或ε）→χ-Fe₅C₂→θ-Fe₃C。

表7-2给出了这些碳化物的晶体学参数^[1]。可见，过渡碳化物有η-Fe₂C、ε-Fe_2.4^C、χ-Fe₅C₂。这些过渡相的温度贯序明显，但是时间贯序不明显。这里讨论的是温度贯序，时间为1～几十个小时。

1）低碳的板条状马氏体的脱溶贯序较为简单，200℃以下回火时不析出碳化物，只有碳原子偏聚团，不存在过渡相。200℃以上回火时直接析出平衡相θ-Fe₃C。说明析出过渡相η-Fe₂C或ε-Fe_2.4C需要扩散富集较高的含碳量（η-Fe₂C中碳的质量分数为9.7％，而ε-Fe_2.4C中碳的质量分数为7.9％），这对于低碳马氏体来说较为困难。同时也说明，D_C碳原子的位错气团可以吸纳大量碳原子，较为稳定，难以再提供多余的碳原子来析出过渡相。此外，从碳原子的位错气团D_C→η-Fe₂C过渡，说明D_C气团中含碳量较高，足以有充分的碳原子形成过渡相_η- Fe₂C。

2）高碳片状孪晶马氏体的脱溶贯序为：温度高于100℃即开始析出过渡相_η- Fe₂C或ε-Fe_2.4C，呈极细小的片状；温度高于200℃时，η-Fe₂C（或ε-Fe_2.4C）开始回溶，同时析出另一个过渡相χ-Fe₅C₂，并且迅速开始平衡相θ-Fe₃C的析出。在一个相当宽的温度范围内，χ-Fe₅C₂与θ-Fe₃C共存，直到450℃以上χ-Fe₅C₂消失，全部转变为θ-Fe₃C。

3）中碳马氏体中存在位错和孪晶两种亚结构，其析出贯序为：低于200℃处于碳原子气团H_C、D_C状态，于100℃即开始析出过渡相η-Fe₂C或ε-Fe_2.4C；温度高于200℃时即有θ-Fe₃C析出。这反映了位错型马氏体的情况，即在位错气团基础上直接析出平衡相。在100～300℃范围内析出的η-Fe₂C或ε-Fe_2.4C则是孪晶型马氏体贯序的环节，但是至今未见中碳马氏体析出χ-Fe₅C₂的报导。

表7-2 碳化物的晶体学参数(www.xing528.com)

过渡相ε-Fe_2.4C是20世纪50年代初测定的，直到20世纪70年代人们也未加怀疑。以后测定出η-Fe₂C，认为ε-Fe_2.4C就是η-Fe₂C，因而出现六方和正交之争。目前，人们还在不同钢中进行逐一测定，尚不能作出普遍性的结论。

η-Fe₂C是20世纪70年代弘津测定的，其晶胞结构如图7-5所示。它以碳原子体心正交结构作为构架，铁原子以类似八面体的形状处于碳原子周围。

片状的η-Fe₂C在α相基体上常沿着位错线析出，与基体存在晶体学位向关系（表8-2）。片厚仅几个原子层（3～5nm），在120℃回火一天，长宽尺寸约为3nm，100天增加到10nm。属于复杂结构的碳化物，在共格界面上与母相有较大的错配度，因此其长宽尺寸不可能长得太大。

图7-5 η-Fe₂C的晶胞结构

χ-Fe₅C2的晶体结构与θ-Fe₃C很相似，同属所谓三棱柱型的间隙化合物，如图7-6所示，铁原子构成三棱柱的六个顶点，间隙原子居中间位置。这类间隙化合物的复杂晶胞是由三棱柱堆垛而成，所以，三棱柱就是结构的最小单元。

图7-6 χ-Fe₅C₂与θ-Fe₃C晶格的三棱柱单元及其特征参数

a）χ-Fe₅C₂ b）θ-Fe₃C