金屬熱處理原理的演變及成熟

劉宗昌，計云萍，任慧平

(內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010)

金屬材料熱處理工藝于公元前數(shù)百年已成功應用于社會生活及戰(zhàn)爭。但金屬熱處理原理卻始于19世紀，落后于工藝技巧近2000多年。從現(xiàn)代廣泛的工業(yè)領域來說，金屬熱處理原理現(xiàn)稱為金屬固態(tài)相變。本文僅就此理論的產生、發(fā)展和演變加以簡單分析和論述，并彰顯我國學者在固態(tài)相變理論研究中的成就和貢獻。

1 金屬熱處理原理的誕生

我國是世界上應用熱處理技術最早的國家，早在商朝即開始采用退火來處理金箔，到戰(zhàn)國時期(公元前403～前221年)，已經采用退火、淬火、正火和滲碳等技術來提高鋼鐵器件的性能。我國是應用馬氏體組織和淬火技術最早的國家，遼寧三道壕出土的西漢鋼劍、滿城劉勝墓出土的刀劍等都具有淬火馬氏體組織。用“煉鋼赤刀，用之切玉如泥焉”描寫熱處理技術的高水平[1]。唐宋年間，中國是世界科學技術的中心，金屬成型(鑄、鍛、焊)和熱處理技術處于世界領先水平。

金屬熱處理原理的核心內容是研究成分、組織結構和性能三者之間的關系及其變化規(guī)律。兩千多年前的《考工記》中記載六種銅合金的成分配比、性能和用途的論述，與現(xiàn)代銅合金幾近一致。這就是金屬學理論，只是缺少組織結構說明(當時不具備條件)。這實際上是熱處理原理的雛形(或稱萌芽)。

唐宋年間，我國熱處理技藝處于世界領先水平，但弄不清也沒有條件了解金屬內部的組織結構及其變化規(guī)律。即只有工匠手藝，而沒有發(fā)展為科學理論。

19世紀，由于西方工業(yè)技術的發(fā)展，對于熱處理引起金屬性能的特殊變化，引起人們探究金屬內部奧秘的興趣，首先發(fā)明了顯微鏡，應用金相技術等手段來探查金屬內部的變化。

1864年索拜(Sorby)首先在碳素鋼中觀察到珠光體，人類第一次觀察到鋼的內部情景，稱其為：“珠光的組成物”(Pearly Constituent)。后命名為珠光體(Pearlite)。從此人類開始邁進金相學的門檻。

1868年切爾諾夫發(fā)現(xiàn)鋼在加熱和冷卻過程中，在某特定溫度有組織轉變發(fā)生，即發(fā)現(xiàn)了臨界點。熱處理工藝向科學邁進了一大步，開始走進固態(tài)相變的大門。

1878年，德國冶金學家Martens等用金相顯微鏡觀察到淬火鋼中的一種硬相，首先發(fā)現(xiàn)的是高碳針狀馬氏體。1895年法國人Osmond將其命名為馬氏體(Martensite)。

至此，也就是在19世紀后半葉，人們開始認識珠光體和馬氏體。開始研究熱處理后金屬內部的組織結構和組織轉變。從此，金屬熱處理從工匠手藝走向科學，開始探究鋼中的相變過程及其變化規(guī)律。

半個世紀后，于1929～1930年間，Bain等人首先在共析鋼的等溫處理時，在馬氏體點與珠光體轉變溫度之間的中溫區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一種轉變產物，后被命名為貝氏體組織[2]。

從1864年至1930年的約70年間，先后發(fā)現(xiàn)了珠光體組織、馬氏體組織和貝氏體組織。組織結構的觀察是開啟金屬熱處理原理研究的第一步，是原理研究的基礎性工程。到20世紀上半葉，已形成了系統(tǒng)的金屬熱處理原理。

2 我國解放后學習應用蘇聯(lián)的熱處理理論

由于封建社會制度的腐朽統(tǒng)治、帝國主義列強的侵略剝奪，我國的熱處理技術落后于西方國家。解放后黨和政府重視工業(yè)體系的建立和科學理論研究，從20世紀50年代開始，我國從前蘇聯(lián)大規(guī)模引進熱處理設備及生產技術，并仿照蘇聯(lián)設置了金屬熱處理專業(yè)，在大學里采用譯自蘇聯(lián)的教科書，閱讀蘇聯(lián)的書刊，編寫教材進行教學，學習和工業(yè)應用。50～60年代是我國熱處理科學技術的奠基期。

當時采用的《金屬熱處理》教材內容包括兩部分：前半部分講授基本的熱處理原理，后半部分講述熱處理工藝。在原理部分包括：奧氏體的形成，珠光體轉變，貝氏體轉變，馬氏體相變和回火轉變等五大轉變。闡述了比較淺顯的理論知識。能夠了解五大轉變過程的熱力學、動力學、組織形貌及轉變過程。由于那個年代電子顯微鏡等設備尚未應用于相變過程觀察，只能應用金相顯微鏡觀察組織形貌，放大1000倍觀察就需要油鏡頭，觀察并不容易。因此缺乏精細亞結構的觀察和深入的理論分析。國外60年代后開始應用電子顯微鏡觀察研究組織結構，而我國比較滯后，文革運動也影響了這方面的研究。故這一時段我國金屬熱處理的理論知識比較膚淺，且存在誤區(qū)。

2.1 珠光體轉變

珠光體組織是發(fā)現(xiàn)最早，研究較多的相變。1864年索拜(Sorby)首先在碳素鋼中觀察到片狀的滲碳體和片狀鐵素體相間組成的產物，后命名為珠光體。珠光體組織比較易于實驗獲得和觀察，20世紀70年代前進行了許多研究，但不活躍。我國國內對這類轉變的研究工作很少。國外學者對珠光體轉變理論研究較多，主要是弄清了組織形貌和轉變過程。但有不少缺陷。

(1)珠光體的概念不準確，如是說：珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物。此概念被廣泛應用，到2003年才被國內學者糾正[3]，且逐漸被學術界接受。

(2)珠光體轉變的機理存在不少缺陷，如是說：既然珠光體由兩相組成，就存在領先相問題。難道珠光體由兩相構成就必然存在領先相嗎？顯然不存在這一邏輯。分解反應是一個物相變成兩個物相的過程，反應產物是按反應式同時生成的。過冷奧氏體以共析分解反應生成鐵素體與滲碳體也不例外。按照Fe-C相圖，在臨界點727 ℃，奧氏體與鐵素體和滲碳體處于三相平衡狀態(tài)。當奧氏體遠離平衡態(tài)時(有過冷度ΔT)，則在Ar1溫度共析分解為珠光體。珠光體由鐵素體和滲碳體兩相(F+Fe3C)構成，是一個整體，作為共析反應的產物，鐵素體和滲碳體是同時同步生成的，即所謂“共析”。

另外應用體擴散來分析珠光體轉變機制也是不符合實際的。

總之，這一時期，珠光體轉變的研究有進展但不完善。直到21世紀初，綜合國內外的研究結果，通過大量實驗和理論分析，才徹底弄清楚珠光體的微觀結構和轉變機制。

2.2 馬氏體相變

馬氏體組織早已觀察到，主要是低倍的金相組織。20世紀20年代末，應用X-射線衍射分析測得了馬氏體的點陣常數(shù)。60年代后，電子顯微鏡的應用才逐漸觀察到馬氏體中的精細亞結構。對馬氏體的成分、組織結構與性能之間的關系有了進一步的認識。這一時期，馬氏體相變的理論研究十分活躍，組織結構和性能的關系十分清晰。但馬氏體相變機制的研究走入歧途，越陷越深。

如：馬氏體的概念采用1927年Курдюмов的提法：馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。這個定義早已過時，但一直在教學和書刊中應用到21世紀初，才被糾正[3]。

再如：馬氏體相變的“切變”機制是20世紀30年代開始提出的，只限于純金屬中的晶格切變，直到70年代提出了8種模型，均與實際不符，但是學術界卻似乎默認切變機制是成熟的“理論”。

馬氏體相變的切變“理論”是不符合實際的完全錯誤的學說。到21世紀初才被國內學者糾正[4,5]。

2.3 貝氏體相變

Bain發(fā)現(xiàn)貝氏體組織較晚，但開拓了人類貝氏體組織的應用。20世紀中后期，貝氏體相變的研究十分活躍，論爭也相當激烈?？驴∠壬?952年提出的貝氏體相變機制認為是像馬氏體那樣的切變過程[6]。也是開拓性的工作，影響了半個世紀。只憑據(jù)試樣表面的浮凸就認為貝氏體相變是切變過程，顯然是表象性的推測，并不成功。

60年代以后電子顯微鏡的應用才對其亞結構進行了詳細觀察和研究。當時的教科書或書刊中對于貝氏體相變機理的論述還僅限于“切變”機制。尚未形成兩派的論爭。因為貝氏體的擴散機制是在1970年前后美國學者Aaronson等人提出并展開討論的。Aaronson等人以應變能太大為由試圖推翻切變機制，但由于其理由不充分而難以服人，導致近40 年的學術論爭而無果。

國內兩派的論爭始于80年代。這一時期對貝氏體相變機制的論爭較多，實際觀察并不細致，也不全面。方鴻生[7]和Bhadeshia都做了較多的觀察和研究，但二人所持觀點截然不同，是兩個學派的代表人物。將相變機理的研究錯誤地推向了兩個極端，即切變學派認為是馬氏體那樣的切變過程；而擴散學派則走向另一個極端，認為是共析分解的延續(xù)。都沒有看到貝氏體相變的過渡性特征。

3 改革開放始到20世紀末學習歐美日的熱處理原理

20世紀80年代，我國熱處理生產面貌明顯改觀，是熱處理科學研究和技術蓬勃發(fā)展的轉折期。這期間掀起了改革開放大潮，引進了大量國外書刊資料，并派大量學者出國進修。我國知名專家教授翻譯編寫了許多書籍和教材。其中大學教材金屬熱處理原理有三本，分別為趙連成、劉云旭、戚正風三位教授撰寫。這些教材中所述的固態(tài)相變理論主要來自歐美日等國家學者研究之手，當然也包含并延續(xù)了蘇聯(lián)書刊的內容，是我國80～90年代大學熱處理專業(yè)用的重要教科書。

這些教材中的熱處理原理集中反映了國外20世紀中期(20～70年代)的研究成果，內容豐富先進，具有一定理論價值和工業(yè)應用價值，對于促進我國熱處理專業(yè)的教學和熱處理、鑄造、鍛壓、軋制、焊接等生產起了重要作用。

劉宗昌經過30多年(1970～2000年)的教學實踐、科研和生產應用，發(fā)現(xiàn)這些原理既有重要的理論價值，又存在許多錯誤，實際上并不完全成熟。在認真學習西方有用知識的同時，通過教學實踐，科研實驗，運用科學技術哲學原理，全面、慎重、逐一地分析了其中的缺點和錯誤?，F(xiàn)將這些缺點和錯誤舉幾例說明。

3.1 錯誤的概念

科學技術哲學(自然辯證法)指出：科學概念是構成科學理論的細胞[8]?？梢娍茖W概念極為重要，但是，一個正確的科學概念的形成往往有個過程。在研究初期，觀察不充分，測定欠準確，認識不夠全面，則概念難免不夠確切。隨著科學研究的深入，通過科學抽象，搞清了事物的本質和內在規(guī)律性，則應當與時俱進，更新概念，促進理論進一步發(fā)展。

科學概念是對自然事物科學抽象的結果。即在科學研究過程中，通過對試驗資料和數(shù)據(jù)的比較、分析、提純、概括、抽取和把握本質的因素，形成科學概念，一般達到揭示研究的對象的普遍規(guī)律及其因果關系。即通過去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的科學抽象方法，建立起新概念。

在熱處理原理中，奧氏體、珠光體、貝氏體、馬氏體等是極為重要的概念，乃至核心的概念，遺憾的是，以往這些概念不嚴密、不完整，甚至存在原則性錯誤，略舉幾例：

(1)什么叫馬氏體？

20世紀以來給馬氏體賦予的一些定義，均已過時或不正確。

定義1：馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體(1927年提出[9])。

在鋼和合金中，許多馬氏體中不含碳，有時不僅是體心立方晶格，還有密排六方、有序正交、有序面心立方、有序正方等晶體結構。故該定義早已過時。

定義2：凡符合馬氏體相變基本特征的相變產物統(tǒng)稱為馬氏體(1951年提出[10])。

這個概念被許多書刊引用。80年代有人補充說明了相變基本特征，修改為：母相無擴散的，以慣習面為不變平面的切變共格的相變產物，統(tǒng)稱為馬氏體。

此概念不妥，按照自然辯證法原理做如下分析：此概念僅指出了馬氏體相變的特征，只是馬氏體相變過程的規(guī)律性的概括，而不是馬氏體本身的物理實質的說明。作為馬氏體的定義應當是馬氏體自身的物理本質的科學抽象，即指出馬氏體自身的屬性，而不是它產生過程的屬性，不宜用過程的屬性代替產物的屬性。因此，該定義雖然出自國外名家之手，但不成功。

(2)什么是貝氏體？

20世紀70年代以來，關于貝氏體的定義兩派學者存在著激烈的論爭，典型的提法有：

①持切變觀點的學者們認為：貝氏體是指中溫轉變時形成的針狀分解產物。有三點特征：(a)針狀組織形貌；(b)表面浮凸效應；(c)有自己的TTT圖和Bs點。并將貝氏體定義為“鐵素體和碳化物的非層片狀混合組織”。

此定義不正確。理由有：(a)不是混合，而是整合。自然系統(tǒng)是整合系統(tǒng)，不是混合系統(tǒng)，混合系統(tǒng)沒有自組織功能；(b)鐵素體和碳化物的非層片狀組織不僅僅是貝氏體，像粒狀珠光體、回火索氏體等也是鐵素體和碳化物的非層片狀組織；(c)上已敘及，表面浮凸效應不是貝氏體相變的特征，因此定義中不宜將表面浮凸效應作為定義的依據(jù)。

②持擴散觀點的學者們認為：Bs點和TTT圖是合金元素對共析分解動力學的一種影響形式，貝氏體是“擴散的、非協(xié)作的、兩種沉淀相競爭的臺階生長的共析分解產物”。認為貝氏體相變是共析分解的延續(xù)，貝氏體組織是共析分解的產物。這一觀點把貝氏體看成是共析分解的產物，認為貝氏體相變是共析分解的延續(xù)，不正確。不能把貝氏體轉變看成共析分解，二者存在本質上的區(qū)別，不能混為一談。

愛因斯坦曾指出：發(fā)明科學概念，并且在這些概念上面建立起理論，是人類精神的一種偉大創(chuàng)造特性。熱處理原理中錯誤的概念嚴重地影響了理論的科學性、正確性，妨礙了材料科學理論的發(fā)展和進步。

3.2 錯誤的相變機制

這一時期的熱處理原理中的固態(tài)相變機制的核心部分都是錯誤的。如馬氏體相變的切變機制，貝氏體相變的臺階-擴散機制，珠光體轉變的體擴散機制以及所謂“相間沉淀”機制，馬氏體回火兩相分解機制等均不正確。

五大轉變中的相變機理基本上都是西方學者提出來的，柯俊先生雖是中國專家，但其提出的貝氏體相變切變機制也是他在英國伯明翰大學工作時跟Cottrell一起研究提出的。

我國學者的研究較為落后。改革開放以后，努力學習西方先進的科學技術是非常重要的、必須的。

經過多年的學習、教學、科研實踐，洞悉了這些相變知識，才能認清其中有價值的成就，也才能發(fā)現(xiàn)其中的不足和錯誤，正所謂不入虎穴焉得虎子。這些相變理論的核心錯誤舉例如下：

(1)珠光體轉變機制

錯誤地認為：珠光體轉變有領先相，通常是首先在界面形成滲碳體晶核，體擴散長大，片間距跟過冷度具有線性關系。

(2)貝氏體轉變機制

切變學派的主要觀點：貝氏體以切變方式形核長大。相變時，合金元素不擴散，由碳原子擴散導致形成貧碳區(qū)，貝氏體在貧碳區(qū)形核，以馬氏體相變的切變方式向奧氏體晶內長大。隨后，碳原子從鐵素體中析出，形成碳化物。切變形核-長大形成了貝氏體鐵素體亞單元，亞單元連續(xù)形成即構成了貝氏體鐵素體板條。

擴散學派認為：美國冶金學家H.I.Aaronson及其合作者提出貝氏體臺階-擴散機制[11-12]。存在碳原子、鐵原子和替換原子的擴散過程。該學說經歷了臺階機制、臺階-扭折機制和激發(fā)-臺階機制三個階段的發(fā)展。按照臺階擴散學說，貝氏體鐵素體的形核-長大過程受擴散控制。貝氏體相變是過冷奧氏體的非層片狀共析分解過程。

(3)馬氏體相變機制

1924年，Bain 發(fā)現(xiàn)淬火鋼表面存在浮凸。1930年，Γ.Β.庫爾久莫夫和G.薩克斯(Sacks)首先測得1.4% C鋼中馬氏體與母相奧氏體保持一定的晶體學位向關系，即K-S關系。設計了第一個切變模型，將表面浮凸現(xiàn)象作為切變機制的實驗依據(jù)。從此開始了馬氏體相變切變機制、相變晶體學的研究。

之后40年中又提出了一系列切變模型，由于每個模型均難以與實際相符合，故不斷進行修改或“完善”，直到70年代共提出了8個晶體學切變模型。然而最終所有的切變模型仍然與實際不符。學術界無奈地認為切變是馬氏體相變的成熟的理論。

這些相變機制方面的錯誤是必須糾正的，以免其繼續(xù)謬傳，常言說：推陳出新。這是材料學術界的一項不能回避的使命。

4 21世紀以來固態(tài)相變原理的創(chuàng)新

20世紀90年代后期，高等學校專業(yè)做了合并和調整，鑄鍛焊、熱處理、粉末冶金、高溫合金等專業(yè)合并為金屬材料工程專業(yè)，教學內容、課程名稱相繼進行了調整，其中金屬熱處理原理課程更名為固態(tài)相變理論課。體現(xiàn)了金屬熱處理原理向固態(tài)相變原理的過渡和演化。最初，課程名稱更新了，但新瓶裝舊酒，仍然保持了原來的理論內容。

進入21世紀，內蒙古科技大學固態(tài)相變研究團隊，通過大量的實驗研究，發(fā)表了一系列論文，認真而創(chuàng)新性地對錯誤理論進行了修正、更新，以促進熱處理原理(固態(tài)相變原理)的科學性、先進性以及科學研究、工業(yè)應用可靠性。

首先更新了貝氏體相變理論，接著糾正了珠光體轉變理論中的缺陷，否定了馬氏體相變的切變學說。21世紀以來劉宗昌等發(fā)表了260余篇學術論文，撰寫出版了高校專業(yè)教材8部，學術著作11部。全面更新了金屬熱處理原理，即固態(tài)相變理論體系，并且應用于現(xiàn)代大學專業(yè)教學中，獲得良好效果。

劉宗昌等人2003年撰寫出版了《金屬固態(tài)相變教程》新教材，對于五大轉變理論進行了初級的更新，受到許多院校師生的歡迎。由于市場銷售量較大，應用院校較多，2011年出版了第二版，隨著教學和科研的進步，相變理論進一步更新。20年來該書的應用量較大，其固態(tài)相變新理論逐漸得到許多院校師生的認可和支持，今年(2020年)即將出版第三版。這樣，固態(tài)相變新理論逐步、逐一地更新和應用，得到了脫胎換骨的演化。

金屬固態(tài)相變新理論，也即金屬熱處理原理新理論，內容豐富，本文僅就其核心內容摘要簡述如下：

4.1 過冷奧氏體轉變是一個整合系統(tǒng)

依據(jù)科學技術哲學(自然辯證法)，鋼中的過冷奧氏體轉變是一個整合系統(tǒng)，珠光體轉變、貝氏體相變、馬氏體相變是三個互相聯(lián)系的子系統(tǒng)。從高溫區(qū)經中溫區(qū)到低溫區(qū)的轉變是個逐漸演化的過程。應用系統(tǒng)科學的方法進行研究，才能科學的全面的搞清楚這些相變的面貌和內在機制。

4.2 原子的位移方式不同是導致P、B、M三個相變機制的根本原因

固態(tài)相變是晶格重構的過程，原子的位移是最基本的動作。研究表明，從高溫到低溫，原子位移方式是不同的，是逐漸演化的。

(1)高溫區(qū)的共析分解，原子是擴散性位移，原子每次移動距離大于或等于一個原子間距。原子以界面擴散為主，體擴散為輔。

(2)中溫區(qū)的貝氏體相變是半擴散型相變，碳原子進行擴散，鐵原子和替換原子不能擴散，原子非協(xié)同地在相界面熱激活躍遷位移，原子每次移動距離小于一個原子間距。貝氏體鐵素體的形成是無擴散型相變[13]。

(3)低溫區(qū)的馬氏體是無擴散相變。所有原子集體地協(xié)同地熱激活位移，原子每次移動距離遠遠小于一個原子間距，無擴散地完成晶格重構[14]。

4.3 組織形貌和亞結構是逐漸演化的

自1864年索拜(Sorby)第一次在鋼中觀察到珠光體組織；1878年，德國冶金學家Martens等觀察到淬火馬氏體；1930年代Bain等人在美國聯(lián)邦鋼鐵公司第一次印成貝氏體顯微組織照片，這半個多世紀以來，對鋼中珠光體、貝氏體、馬氏體組織結構進行了卓有成效的研究。大大豐富了金屬熱處理的理論內容，指導了生產實踐，對于社會文明及發(fā)展起了巨大作用。

20世紀末到21世紀以來，由于檢測設備的先進化、精密化、計算程序化，大大促進了組織結構的觀察和分析。實驗研究表明：珠光體的組織形貌、貝氏體組織形貌再到馬氏體組織形貌，隨著轉變溫度的降低，是逐漸演化的。其亞結構也是逐漸演化的，如珠光體中的亞結構主要是亞晶和較低的位錯密度；而貝氏體組織中的亞結構中存在亞片條、亞單元，個別情況下有孿晶，位錯密度較高；馬氏體中的亞結構是極高的位錯密度、層錯和大量精細孿晶；圖1全面地展示了過冷奧氏體隨著轉變溫度的降低，轉變組織形貌和亞結構的逐漸演化過程。

組織結構的精細觀察和深入研究促進了固態(tài)相變理論研究的創(chuàng)新和發(fā)展。如高分辨電鏡的觀察直觀地揭示了奧氏體和鐵素體的K-S位向關系；顯示了晶面排列和位錯的原子像；發(fā)現(xiàn)了鋼中馬氏體的層錯亞結構等等。促進了固態(tài)相變理論的創(chuàng)新、更新和發(fā)展。

圖1 珠光體→貝氏體→馬氏體的組織形貌和亞結構的演化圖解Fig.1 Evolution of morphologies and substructure from pearlite to bainite then to martensite

4.4 相變機制的創(chuàng)新

內蒙古科技大學固態(tài)相變研究團隊更新了珠光體轉變、貝氏體相變、馬氏體相變等相變機理，建立了新的理論體系。如下簡要介紹幾個相變新機制。

4.4.1關于珠光體轉變機理[15-16]

在高溫區(qū)，過冷奧氏體在晶界處形成的貧碳區(qū)和富碳區(qū)同時析出鐵素體和滲碳體，兩相共析組成珠光體形核，界面擴散，兩相競爭，臺階長大。“相間沉淀”同為共析分解。圖2為珠光體形核-長大圖解，圖2(a)在晶界因漲落形成貧碳區(qū)和富碳區(qū)；圖2(b)珠光體晶核(F+Fe3C)在晶界形成；圖2(e)為掃描電鏡觀察到的鐵素體、滲碳體兩相共析的情景；圖2(c)、2(d)晶核長大；圖2(f)為透射電鏡觀察到的剛剛形成的珠光體團。

4.4.2關于貝氏體相變新機制[17-19]

在中溫區(qū)，貝氏體相變與塊狀轉變具有親緣關系[20]。過冷奧氏體漲落形成貧碳區(qū)，優(yōu)先在晶界處的貧碳區(qū)形成貝氏體鐵素體晶核(BF)。碳原子擴散富集于奧氏體中。鐵素體不與滲碳體共析。相界面原子非協(xié)同熱激活躍遷長大。當碳化物析出時則形成有碳化物的貝氏體，當碳化物不析出時則形成無碳貝氏體。圖3為相界面原子非協(xié)同熱激活躍遷圖解，圖3(a)為相界面兩側的能量分布，圖3(b)為界面處原子移動情況，每個原子位移矢量不等。

圖2 珠光體形核-長大圖解Fig.2 Nucleation and growth of pearlite

圖3 相界面原子非協(xié)同熱激活躍遷圖解Fig.3 Sketch of non-synergic thermal activation transition of the phase-interface atoms

4.4.3關于馬氏體相變新機制[18,21]

馬氏體相變新機制涉及多方面問題，這里僅就Fe-C合金奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的晶格重構簡述如下：

馬氏體優(yōu)先在奧氏體晶界形核，兩相以K-S關系協(xié)同長大，所有原子熱激活集體協(xié)同位移，原子每次移動距離遠遠小于一個原子間距，位移矢量不等，完成晶格重構，如圖4。

圖4 Fe-C合金奧氏體轉變?yōu)轳R氏體示意圖Fig.4 Sketch of transformation from austenite to martensite in Fe-C alloys

圖4中標示了碳原子在奧氏體或馬氏體中的可能位置。已知含碳量為1.4ω%的奧氏體晶格中，平均約4個晶胞中占有一個碳原子。圖中所示為一個奧氏體晶胞和一個馬氏體晶胞在空間的K-S關系排列。其上標出了碳原子向馬氏體晶胞轉移的方向和相對距離，顯然其位移距離遠小于一個原子間距，鐵原子的位移間距也同樣遠遠小于一個原子間距，且位移矢量不等。

更多內容詳見《固態(tài)相變原理新論》，不再贅述。

4.4.4表面浮凸形成機理

1924年Bain等人在鋼試樣表面發(fā)現(xiàn)馬氏體表面浮凸，后來作為馬氏體相變切變機制的實驗依據(jù)；柯俊等人1952年發(fā)現(xiàn)貝氏體試樣表面也存在浮凸現(xiàn)象，進而提出了貝氏體相變的切變機制；2008年劉宗昌等人在T8鋼真空退火試樣表面發(fā)現(xiàn)珠光體浮凸[22-23]，這一重要發(fā)現(xiàn)預示切變機制將喪失生命力。

珠光體表面浮凸如圖5所示，經掃描電鏡觀察，真空處理后的T8鋼未經浸蝕的試樣表面存在片狀珠光體浮凸。

圖5 真空處理后未經浸蝕的珠光體表面浮凸，SEMFig.5 SEM image of pearlite surface relief of the sample by vacuum treatment and without etching

珠光體、貝氏體、馬氏體相變均為一級相變，均發(fā)生體積膨脹[24]。浮凸均為相變體積膨脹所致，且均呈現(xiàn)帳篷型(∧)，非N形，不具備切變特征。圖6為浮凸形成機理示意圖，圖6(a)圖示為直徑為D的奧氏體晶粒被切于試樣表面； 圖6(b)為一個珠光體團中滲碳體片和鐵素體片向Z方向膨脹凸起分析圖；圖6(c)為片狀珠光體浮凸形貌形成圖。

圖6 奧氏體→珠光體時試樣表面浮凸形成機制示意圖Fig.6 Sketch of the formation mechanism of surface relief during the transformation from austenite to pearlite

4.4.5三個相變的概念

珠光體轉變、貝氏體相變和馬氏體相變是固態(tài)相變理論中的三個重要分支學科，對這三個學科的科學命名非常重要。然而賦予其科學的概念卻非常困難，100多年來沒有徹底解決。21世紀以來逐漸弄清了這些相變的本質和特征，才有了科學的新概念。

(1)珠光體轉變

以往書刊中缺乏珠光體轉變的定義，依據(jù)其轉變特征，珠光體轉變的定義為：過冷奧氏體在Ar1溫度同時析出鐵素體和滲碳體(或合金碳化物)兩相構成珠光體組織的擴散型一級相變，稱為珠光體轉變。即鋼中的共析分解。

(2)貝氏體相變

以往兩派對貝氏體的概念論爭多年，但均沒有觸及到貝氏體相變的概念。新理論關于鋼中貝氏體相變的定義如下：

鋼中的貝氏體相變是以貝氏體鐵素體(BF)形核-長大為主要過程，有時析出滲碳體(或ε-碳化物)，或形成M/A島，存在殘留奧氏體等相，形成多種形貌的貝氏體組織，是過冷奧氏體在中溫區(qū)發(fā)生的具有過渡性特征的一級相變。

(3)馬氏體相變

以往馬氏體相變的概念雖多，但都不正確。新理論進行了糾正如下：

依據(jù)馬氏體相變的特征，馬氏體相變的新定義為：原子經無需擴散的集體協(xié)同位移，進行晶格改組，得到的相變產物具有嚴格晶體學位向關系和慣習面，極高密度位錯、或層錯或精細孿晶等亞結構的整合組織，這種形核-長大的一級相變，稱為馬氏體相變。

5 結束語

1)任何自然事物都有一個發(fā)生、成長、完善的過程。金屬熱處理原理是在科研、生產實踐過程中日臻完善的。它19世紀后半葉產生，20世紀成長，21世紀初走向成熟。

2)金屬熱處理原理經歷了約160多年的研究，國內外科學家構筑了金屬熱處理原理，成就斐然。我國學者后起直追，糾正了其中的缺點和錯誤。建立了新的理論體系，目前我國的固態(tài)相變理論處于國內外領先水平。算是華夏民族復興大潮中的“滄海一粟”吧。

3)金屬固態(tài)相變新理論是20世紀末到本世紀初，經歷20多年的教學、科研和生產實踐，在不斷更新、提高、深化并完善的。最后集中歸納于《馬氏體相變》《貝氏體相變新論》《固態(tài)相變原理新論》等著作中，20年來在教學實踐中效果良好，如《金屬固態(tài)相變教程》教材已經成功應用于教學近20年，將出版第3版。