碳钢中亚稳ω相结构的研究

Martensite structure in quenched carbon steel has long been treated as a single crystal and assumed body-centered tetragonal(bct or α′) martensitic phase with carbon atom at the interstitial sites. Our recent transmission electron microscopy (TEM) studies on quenched medium and high carbon steels have revealed that the martensite is actually composed of two crystalline phases (α-Fe + ω-Fe). The new ω-Fe is a metastable phase with a primitive hexagonal structure, which is located at the {112}<111>-bcc twinning boundaries with a several nanometer size. The calculation has suggested that the C atoms can stabilize the ω-Fe, thus, the ω-Fe can be observed by TEM at room temperature. The purpose of the present research is aimed at the popularity of the ω-Fe in all kinds of quenched carbon steels and also its relationship with the formation mechanism of martensitic structure by means of TEM and common X-ray diffraction techniques. Our results will be benefit to build a new fundamental theory in carbon steels for further new steel development.

碳钢中的马氏体组织一直被认为是具有体心四方结构(bct)的含过饱和碳原子的单一固溶体相。最近，申请人通过透射电子显微观察和深入的电子衍射研究，发现中高碳钢淬火态的马氏体组织中存在着大量纳米尺度的ω-Fe(C)亚稳相。这些具有初基六角晶体结构的亚稳相分布于体心立方(bcc铁素体){112}<111>型孪晶界并与铁素体共格。为了进一步探究和确定碳钢及含碳合金钢中ω相的普遍性以及ω相在马氏体相变中的形成机理，本研究拟以高、中、低碳钢和含碳合金钢为研究对象，采用电子显微技术和X射线衍射技术，深入研究钢中ω相的结构特性，探索碳钢及含碳合金钢中ω相的形成与马氏体结构关联性，如马氏体正方度及马氏体孪晶亚结构的形成机制，为碳钢中ω相与力学性能（强度及韧性等）相关性的建立和先进钢铁材料的设计研发奠定科学基础。

碳钢中的马氏体组织一直被认为是具有体心四方结构(bct)的含过饱和碳原子的单一 固溶体相。最近，申请人通过透射电子显微观察和深入的电子衍射研究，发现中高碳钢淬 火态的马氏体组织中存在着大量纳米尺度的ω-Fe(C)亚稳相。这些具有初基六角晶体结构 的亚稳相分布于体心立方(bcc铁素体){112}型孪晶界并与铁素体共格。为了进一步 探究和确定碳钢及含碳合金钢中ω相的普遍性以及ω相在马氏体相变中的形成机理，本研究拟以高、中、低碳钢和含碳合金钢为研究对象，采用电子显微技术和X射线衍射技术， 深入研究钢中ω相的结构特性，探索碳钢及含碳合金钢中ω相的形成与马氏体结构关联性 ，如马氏体正方度及马氏体孪晶亚结构的形成机制，为碳钢中ω相与力学性能（强度及韧 性等）相关性的建立和先进钢铁材料的设计研发奠定科学基础。.本项目的研究从实验上证明碳钢马氏体相变中亚稳ω-Fe相在Fe-C二元合金中的存在及其演变过程和产物。由于碳原子可以相对稳定ω-Fe相，因此对超高碳的二元合金进行了深入的电子显微镜观察和研究。重要发现以及创新点包含: (1)六角结构的亚稳ω-Fe相普遍存在于快冷态孪晶马氏体组织中，作为孪晶界面相而稳定孪晶结构，碳原子起到稳定ω-Fe的作用。(2) 最初形成的马氏体是由非常细小的两相晶粒组成(α-Fe, ω-Fe(C))。(3)回火使孪晶马氏体发生退孪晶或细小晶粒的再结晶，同时ω-Fe亚稳相向其它正交结构的碳化物转变。而碳化物则是任何碳钢的重要组元之一。上述全新的发现为建立全新的马氏体相变理论或建立全新的碳钢组织演变理论提供了直接的实验证据。