热处理原理中概念的更新

刘宗昌,计云萍

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

关于金属热处理原理的学习，解放后至20世纪60年代是学习苏联的教材内容，70年代至21世纪初，基本上是学习欧美日等西方国家的教材内容。改革开放初期从国外引进大量书刊，经翻译编写而成教材。金属热处理原理基本上译自欧美日的书刊。80年代出版了三本金属热处理原理的教科书，分别由三位知名教授主编，这些核心理论主要来自国外。国内专家研究较少。

金属热处理原理，现称固态相变原理，笔者60年代学习苏联教材内容，到80年代讲授西方教材内容。从文化大革命讲到21世纪初，30多年的教学实践和科学研究，深刻地理解了这些“原理”的精髓，也发现了其中的不少缺点和错误，真所谓“不入虎穴焉得虎子”。出于对材料科学真谛的热爱和追求，出于一个人民教师的责任感，我下定决心：批驳欧美日的错误的固态相变“理论”。发表论文，修改教材内容，出版专著。由于篇幅所限，本文仅对固态相变原理中的主要基本概念的修改进行分析阐述。

科学技术哲学(自然辩证法)指出：科学概念是构成科学理论的细胞[1]。可见科学概念极为重要，但是，一个正确概念的形成往往有个过程。在研究初期，观察不充分，测定欠准确，认识有片面性，则概念不够确切。随着科学研究的深入，通过科学抽象，搞清了事物的本质和内在规律性，则应当与时俱进，更新概念，促进理论进一步发展。爱因斯坦曾经说过：“发明科学概念，并且在这些概念上面建立起理论，这是人类精神的一种伟大创造特性”。科学概念是科学抽象的结果。即在科学研究过程中，通过对试验资料和数据的比较、分析，通过提纯、概括、抽取和把握本质的因素，形成科学概念，一般达到揭示研究对象的普遍规律及其因果关系。即通过“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里”的科学抽象方法，建立新概念。

本文涉及的概念有奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体、回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体；珠光体转变、贝氏体相变、马氏体相变等。都是多年来实验研究总结逐渐形成的新概念。

1 奥氏体和奥氏体化的定义

以往书刊中的定义：奥氏体是碳溶于γ-Fe中的固溶体。对于纯Fe-C相图而言，对其中的奥氏体(γ相)来说，此定义是正确的。但是，对于工业用钢来说，就不准确了。

奥氏体的新定义：钢中的奥氏体是碳和某些化学元素溶入γ-Fe中所形成的固溶体[2-4]。该定义更符合实际。如图1为1Cr18Ni9Ti不锈钢的奥氏体组织，可以看到奥氏体晶粒及其中的孪晶亚结构。这些奥氏体晶粒中除了含有C、Cr、Ni、Ti等合金元素外，还有Si、Mn、S、P等杂质元素。

图1 1Cr18Ni9Ti不锈钢的奥氏体组织[5]，OMFig.1 OM microstructure of austenite in 1Cr18Ni9Ti stainless steel

奥氏体化的定义：将钢加热到临界点以上，得到奥氏体组织的吸热型相变称为奥氏体化。原始组织为珠光体、贝氏体、马氏体等组织，加热到Ac1以上，均形成奥氏体组织。工业上有完全奥氏体化和不完全奥氏体化工艺。如将钢加热到两相区，可得到奥氏体+铁素体组织或奥氏体+渗碳体组织，则是不完全奥氏体化。

奥氏体化不等于均匀化，工业上奥氏体成分不可能均匀化，均匀是相对的，不均匀是绝对的。如碳原子分布状态永远是不均匀的[4]。

2 珠光体和珠光体转变的定义

以往书刊中称“珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物”。此定义不正确。

理由有三：1)由铁素体+渗碳体构成的组织不全是珠光体；2)珠光体组织不是机械混合物，而是铁素体和碳化物的有机结合，有序配合，铁素体及碳化物两相是成比例的，有一定的相对量；3)组成珠光体的两相，即铁素体和碳化物，是过冷奥氏体共析共生而来的，称为共析铁素体和共析碳化物，两相具有一定位向关系。因此，这不是机械混合物，而是一个整合系统，所谓有机结合是指两相以界面相结合，在界面处原子呈键合状态，两相以一定的位向关系相配合，而且两相的相对量有一定比例。混合系统不具备这些关系和特征。图2所示为高碳钢珠光体组织的照片。可见，共析铁素体和共析渗碳体片相间分布，存在相界面。图2不是机械混合，而是有机结合。

(a)片状珠光体的SEM照片；(b)T8钢的索氏体组织，OM图2 高碳钢珠光体的组织形貌(a) SEM microstructure of lamellar pearlite; (b) OM microstructure of sorbite in T8 steel Fig.2 Microstructure of pearlite in high-carbon steels

珠光体的新定义：珠光体是过冷奥氏体分解为共析铁素体和共析渗碳体(或碳化物)的整合组织[6]。请注意：铁素体和渗碳体都是共析而来的，不是马氏体高温回火得到的，高温回火得到的组织也是由铁素体和渗碳体的整合组织，但不称为珠光体，而是称为回火索氏体组织或回火托氏体。共析分解得到的索氏体(细片状珠光体)与回火索氏体的组织形貌不同。

以往教材中没有给珠光体转变以定义。通过实验研究总结了珠光体转变的定义。

珠光体转变的定义：过冷奥氏体在Ar1温度同时析出铁素体和渗碳体(或合金碳化物)两相构成珠光体组织的扩散型一级相变，称为珠光体转变。即钢中的共析分解[7]。

3 贝氏体和贝氏体相变的定义

从20世纪70年代始，贝氏体相变理论的两个学派进行了长达40年之久的学术论争，论争的内容就包括贝氏体的定义。

扩散学派认为：贝氏体转变开始点Bs点和TTT图是合金元素对共析分解动力学的一种影响形式，贝氏体是“扩散的、非协作的、两种沉淀相竞争的台阶生长的共析分解产物”。认为贝氏体相变是共析分解的延续，贝氏体组织是共析分解的产物[8]。

切变学派认为：贝氏体是指中温转变时形成的针状分解产物。有三点特征：1)针状组织形貌；2)表面浮凸效应；3)有自己的TTT图和Bs点。并将贝氏体定义为“铁素体和碳化物的非层片状混合组织”[8]。

可见，扩散学派将贝氏体组织视为“共析分解的产物”。即认为“贝氏体相变是共析分解的延续”这是不正确的。贝氏体相变与共析分解有着本质上的区别[7,9]。图3是上贝氏体和下贝氏体组织照片，显然不是共析分解的产物。

切变学派认为贝氏体是“铁素体和碳化物的非层片状混合组织”。这也是不正确的[7,9]。

20世纪中期，对贝氏体组织结构的观察以及对相变本质上的认识不够深入，没有全面掌握其规律性，因此，由于条件的限制，贝氏体的定义不可能很确切。20世纪末以来，随着观测设备的更新和进步，研究不断深入，对贝氏体组织形貌和微观亚结构的认识越来越清晰，因此，贝氏体的概念应当修改、更新。

图3 贝氏体组织照片，SEMFig.3 SEM microstructure of bainite

贝氏体的新定义:钢中的贝氏体是过冷奥氏体的中温转变产物，它以贝氏体铁素体(BF)为基体，铁素体内部有亚单元及较高密度的位错等亚结构，有时存在渗碳体、残留奥氏体等相构成的整合组织,称为贝氏体。

两派论争近40年，却没有给贝氏体相变下个定义。依据贝氏体相变的实验特征，给贝氏体相变定义如下：钢中的贝氏体相变是以贝氏体铁素体形核-长大为主要过程，有时析出渗碳体(或ε碳化物)，或形成M/A岛，存在残留奥氏体等相，形成多种形貌的贝氏体组织，是过冷奥氏体在中温区发生的具有过渡性特征的一级相变[7,9]。

4 马氏体和马氏体相变的定义

20世纪以来给马氏体下过许多定义，但均过时或不正确。

定义1：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。(产生于20世纪20年代,курдюмов)。在钢和合金中，许多马氏体中不含碳，有时不仅是体心立方晶格，还有密排六方、有序正交、有序面心立方、有序正方等晶体结构。故该定义早已过时。

定义2：凡符合马氏体相变基本特征的相变产物统称为马氏体。(1951年Cohen)80年代有学者将此定义作了如下修改。

定义3：母相无扩散的，以惯习面为不变平面的切变共格的相变产物，统称为马氏体。

定义2、3均不妥当。它仅指出了马氏体相变的特征，只是马氏体相变过程的规律性的概括。不是马氏体本身的物理实质的说明。这些定义不符合自然辩证法进行定义的原则。

作为马氏体的定义应当是马氏体自身的物理本质的科学抽象，即指出马氏体自身的属性，而不是马氏体相变过程的属性，不宜用过程的属性代替产物的属性。因此，该定义不可取。

马氏体的新定义：马氏体是经无扩散的，原子集体协同位移的晶格改组过程，得到具有严格晶体学关系和惯习面的，相变产物中伴生极高密度位错、精细孪晶或微细层错等晶体缺陷的整合组织。该定义既描述了马氏体自身的物理本质，也指出了马氏体相变过程的属性[7,10]。图4所示为低碳板条状马氏体和高碳片状马氏体组织。

(a)低碳板条状马氏体，TEM,(b)高碳片状马氏体，OM图4 马氏体的显微组织(a)TEM microstructure of low-carbon lath martensite; (b)OM microstructure of high-carbon plate martensite Fig.4 Microstructure of martensite

关于马氏体相变的定义，国内外学者有多种议论，不再一一列举。1999年出版的马氏体相变与马氏体一书中[11]，该书作者给出了马氏体相变的定义是：替换原子经无扩散位移(均匀和不均匀形变)、由此产生形状改变和表面浮凸、呈不变平面应变特征的一级、形核-长大的相变。称为马氏体相变。

此定义有如下几点不妥：1)“替换原子经无扩散”，认为间隙原子是扩散的。这与实验事实不符！2)“均匀和不均匀形变”。马氏体相变是相变过程，不是形变过程，形变是不改变晶格类型的。3)“表面浮凸”，现已查明，珠光体、贝氏体、马氏体，都有浮凸，浮凸是相变体积膨胀所致[12-13]；4)“不变平面应变”，此说法是错误的，没有实验证明，与实际不符[14-16]。定义中应当是应用科学事实，不宜用错误的概念来定义新概念，因此该定义不正确。

依据马氏体相变的特征，概括抽象出马氏体相变的新定义：原子经无扩散的集体协同位移，进行晶格改组，得到的相变产物具有严格晶体学位向关系和惯习面，极高密度位错、或层错或精细孪晶等亚结构的整合组织，这种形核-长大的一级相变，称为马氏体相变[7,10]。

5 回火产物的定义[7]

5.1 回火马氏体的定义

回火马氏体是低温回火得到的α相+η-Fe2C(或ε碳化物)等相组成的整合组织。图5所示为回火马氏体的金相照片。

5.2 回火托氏体的定义

中温回火得到的尚保留着马氏体形貌特征的铁素体和片状(或细小颗粒)渗碳体的整合组织，称为回火托氏体。以往文献中称其为回火屈氏体。

如果贝氏体回火时也得到这些相和具有同样的形貌特征，也称为回火托氏体。图6为回火托氏体组织照片。可见，铁素体仍然具有条片状特征。

图5 中碳钢回火马氏体组织，OMFig.5 OM microstructur of tempered matensite of medium-carbon steel

图6 回火托氏体，OMFig.6 OM microstructure of tempered tortonite

5.3 回火索氏体的定义

高温回火得到的等轴状铁素体+较大颗粒状(或球状)的碳化物的整合组织，称为回火索氏体。回火索氏体中的铁素体已经完成再结晶，失去了马氏体和贝氏体的条片状特征。图7为P91钢的回火索氏体组织。可见，铁素体为等轴状，完成了再结晶过程。

图7 回火索氏体组织，OMFig.7 OM microstructure of tempered sorbite

6 结束语

科学概念是构成科学理论的细胞。金属热处理原理(现称固态相变原理)有许多概念，但一些重要的核心概念却存在错误或已过时，随着科学的发展，应当与时俱进地修改或更新。本文仅就奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体、回火索氏体；以及珠光体转变、贝氏体相变、马氏体相变等重要概念进行了修正。力求发展固态相变理论，推动教学内容的更新。