金属热处理原理的演变及成熟

2020-06-28刘宗昌计云萍任慧平

热处理技术与装备 2020年3期

刘宗昌，计云萍，任慧平

(内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头 014010)

金属材料热处理工艺于公元前数百年已成功应用于社会生活及战争。但金属热处理原理却始于19世纪，落后于工艺技巧近2000多年。从现代广泛的工业领域来说，金属热处理原理现称为金属固态相变。本文仅就此理论的产生、发展和演变加以简单分析和论述，并彰显我国学者在固态相变理论研究中的成就和贡献。

1 金属热处理原理的诞生

我国是世界上应用热处理技术最早的国家，早在商朝即开始采用退火来处理金箔，到战国时期(公元前403～前221年)，已经采用退火、淬火、正火和渗碳等技术来提高钢铁器件的性能。我国是应用马氏体组织和淬火技术最早的国家，辽宁三道壕出土的西汉钢剑、满城刘胜墓出土的刀剑等都具有淬火马氏体组织。用“炼钢赤刀，用之切玉如泥焉”描写热处理技术的高水平[1]。唐宋年间，中国是世界科学技术的中心，金属成型(铸、锻、焊)和热处理技术处于世界领先水平。

金属热处理原理的核心内容是研究成分、组织结构和性能三者之间的关系及其变化规律。两千多年前的《考工记》中记载六种铜合金的成分配比、性能和用途的论述，与现代铜合金几近一致。这就是金属学理论，只是缺少组织结构说明(当时不具备条件)。这实际上是热处理原理的雏形(或称萌芽)。

唐宋年间，我国热处理技艺处于世界领先水平，但弄不清也没有条件了解金属内部的组织结构及其变化规律。即只有工匠手艺，而没有发展为科学理论。

19世纪，由于西方工业技术的发展，对于热处理引起金属性能的特殊变化，引起人们探究金属内部奥秘的兴趣，首先发明了显微镜，应用金相技术等手段来探查金属内部的变化。

1864年索拜(Sorby)首先在碳素钢中观察到珠光体，人类第一次观察到钢的内部情景，称其为：“珠光的组成物”(Pearly Constituent)。后命名为珠光体(Pearlite)。从此人类开始迈进金相学的门槛。

1868年切尔诺夫发现钢在加热和冷却过程中，在某特定温度有组织转变发生，即发现了临界点。热处理工艺向科学迈进了一大步，开始走进固态相变的大门。

1878年，德国冶金学家Martens等用金相显微镜观察到淬火钢中的一种硬相，首先发现的是高碳针状马氏体。1895年法国人Osmond将其命名为马氏体(Martensite)。

至此，也就是在19世纪后半叶，人们开始认识珠光体和马氏体。开始研究热处理后金属内部的组织结构和组织转变。从此，金属热处理从工匠手艺走向科学，开始探究钢中的相变过程及其变化规律。

半个世纪后，于1929～1930年间，Bain等人首先在共析钢的等温处理时，在马氏体点与珠光体转变温度之间的中温区，发现了一种转变产物，后被命名为贝氏体组织[2]。

从1864年至1930年的约70年间，先后发现了珠光体组织、马氏体组织和贝氏体组织。组织结构的观察是开启金属热处理原理研究的第一步，是原理研究的基础性工程。到20世纪上半叶，已形成了系统的金属热处理原理。

2 我国解放后学习应用苏联的热处理理论

由于封建社会制度的腐朽统治、帝国主义列强的侵略剥夺，我国的热处理技术落后于西方国家。解放后党和政府重视工业体系的建立和科学理论研究，从20世纪50年代开始，我国从前苏联大规模引进热处理设备及生产技术，并仿照苏联设置了金属热处理专业，在大学里采用译自苏联的教科书，阅读苏联的书刊，编写教材进行教学，学习和工业应用。50～60年代是我国热处理科学技术的奠基期。

当时采用的《金属热处理》教材内容包括两部分：前半部分讲授基本的热处理原理，后半部分讲述热处理工艺。在原理部分包括：奥氏体的形成，珠光体转变，贝氏体转变，马氏体相变和回火转变等五大转变。阐述了比较浅显的理论知识。能够了解五大转变过程的热力学、动力学、组织形貌及转变过程。由于那个年代电子显微镜等设备尚未应用于相变过程观察，只能应用金相显微镜观察组织形貌，放大1000倍观察就需要油镜头，观察并不容易。因此缺乏精细亚结构的观察和深入的理论分析。国外60年代后开始应用电子显微镜观察研究组织结构，而我国比较滞后，文革运动也影响了这方面的研究。故这一时段我国金属热处理的理论知识比较肤浅，且存在误区。

2.1 珠光体转变

珠光体组织是发现最早，研究较多的相变。1864年索拜(Sorby)首先在碳素钢中观察到片状的渗碳体和片状铁素体相间组成的产物，后命名为珠光体。珠光体组织比较易于实验获得和观察，20世纪70年代前进行了许多研究，但不活跃。我国国内对这类转变的研究工作很少。国外学者对珠光体转变理论研究较多，主要是弄清了组织形貌和转变过程。但有不少缺陷。

(1)珠光体的概念不准确，如是说：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。此概念被广泛应用，到2003年才被国内学者纠正[3]，且逐渐被学术界接受。

(2)珠光体转变的机理存在不少缺陷，如是说：既然珠光体由两相组成，就存在领先相问题。难道珠光体由两相构成就必然存在领先相吗？显然不存在这一逻辑。分解反应是一个物相变成两个物相的过程，反应产物是按反应式同时生成的。过冷奥氏体以共析分解反应生成铁素体与渗碳体也不例外。按照Fe-C相图，在临界点727 ℃，奥氏体与铁素体和渗碳体处于三相平衡状态。当奥氏体远离平衡态时(有过冷度ΔT)，则在Ar1温度共析分解为珠光体。珠光体由铁素体和渗碳体两相(F+Fe3C)构成，是一个整体，作为共析反应的产物，铁素体和渗碳体是同时同步生成的，即所谓“共析”。

另外应用体扩散来分析珠光体转变机制也是不符合实际的。

总之，这一时期，珠光体转变的研究有进展但不完善。直到21世纪初，综合国内外的研究结果，通过大量实验和理论分析，才彻底弄清楚珠光体的微观结构和转变机制。

2.2 马氏体相变

马氏体组织早已观察到，主要是低倍的金相组织。20世纪20年代末，应用X-射线衍射分析测得了马氏体的点阵常数。60年代后，电子显微镜的应用才逐渐观察到马氏体中的精细亚结构。对马氏体的成分、组织结构与性能之间的关系有了进一步的认识。这一时期，马氏体相变的理论研究十分活跃，组织结构和性能的关系十分清晰。但马氏体相变机制的研究走入歧途，越陷越深。

如：马氏体的概念采用1927年Курдюмов的提法：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。这个定义早已过时，但一直在教学和书刊中应用到21世纪初，才被纠正[3]。

再如：马氏体相变的“切变”机制是20世纪30年代开始提出的，只限于纯金属中的晶格切变，直到70年代提出了8种模型，均与实际不符，但是学术界却似乎默认切变机制是成熟的“理论”。

马氏体相变的切变“理论”是不符合实际的完全错误的学说。到21世纪初才被国内学者纠正[4,5]。

2.3 贝氏体相变

Bain发现贝氏体组织较晚，但开拓了人类贝氏体组织的应用。20世纪中后期，贝氏体相变的研究十分活跃，论争也相当激烈。柯俊先生1952年提出的贝氏体相变机制认为是像马氏体那样的切变过程[6]。也是开拓性的工作，影响了半个世纪。只凭据试样表面的浮凸就认为贝氏体相变是切变过程，显然是表象性的推测，并不成功。

60年代以后电子显微镜的应用才对其亚结构进行了详细观察和研究。当时的教科书或书刊中对于贝氏体相变机理的论述还仅限于“切变”机制。尚未形成两派的论争。因为贝氏体的扩散机制是在1970年前后美国学者Aaronson等人提出并展开讨论的。Aaronson等人以应变能太大为由试图推翻切变机制，但由于其理由不充分而难以服人，导致近40 年的学术论争而无果。

国内两派的论争始于80年代。这一时期对贝氏体相变机制的论争较多，实际观察并不细致，也不全面。方鸿生[7]和Bhadeshia都做了较多的观察和研究，但二人所持观点截然不同，是两个学派的代表人物。将相变机理的研究错误地推向了两个极端，即切变学派认为是马氏体那样的切变过程；而扩散学派则走向另一个极端，认为是共析分解的延续。都没有看到贝氏体相变的过渡性特征。

3 改革开放始到20世纪末学习欧美日的热处理原理

20世纪80年代，我国热处理生产面貌明显改观，是热处理科学研究和技术蓬勃发展的转折期。这期间掀起了改革开放大潮，引进了大量国外书刊资料，并派大量学者出国进修。我国知名专家教授翻译编写了许多书籍和教材。其中大学教材金属热处理原理有三本，分别为赵连成、刘云旭、戚正风三位教授撰写。这些教材中所述的固态相变理论主要来自欧美日等国家学者研究之手，当然也包含并延续了苏联书刊的内容，是我国80～90年代大学热处理专业用的重要教科书。

这些教材中的热处理原理集中反映了国外20世纪中期(20～70年代)的研究成果，内容丰富先进，具有一定理论价值和工业应用价值，对于促进我国热处理专业的教学和热处理、铸造、锻压、轧制、焊接等生产起了重要作用。

刘宗昌经过30多年(1970～2000年)的教学实践、科研和生产应用，发现这些原理既有重要的理论价值，又存在许多错误，实际上并不完全成熟。在认真学习西方有用知识的同时，通过教学实践，科研实验，运用科学技术哲学原理，全面、慎重、逐一地分析了其中的缺点和错误。现将这些缺点和错误举几例说明。

3.1 错误的概念

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[8]。可见科学概念极为重要，但是，一个正确的科学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，认识不够全面，则概念难免不够确切。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。

科学概念是对自然事物科学抽象的结果。即在科学研究过程中，通过对试验资料和数据的比较、分析、提纯、概括、抽取和把握本质的因素，形成科学概念，一般达到揭示研究的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，建立起新概念。

在热处理原理中，奥氏体、珠光体、贝氏体、马氏体等是极为重要的概念，乃至核心的概念，遗憾的是，以往这些概念不严密、不完整，甚至存在原则性错误，略举几例：

(1)什么叫马氏体？

20世纪以来给马氏体赋予的一些定义，均已过时或不正确。

定义1：马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体(1927年提出[9])。

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年提出[10])。

这个概念被许多书刊引用。80年代有人补充说明了相变基本特征，修改为：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。

此概念不妥，按照自然辩证法原理做如下分析：此概念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，而不是马氏体本身的物理实质的说明。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，而不是它产生过程的属性，不宜用过程的属性代替产物的属性。因此，该定义虽然出自国外名家之手，但不成功。

(2)什么是贝氏体？

20世纪70年代以来，关于贝氏体的定义两派学者存在着激烈的论争，典型的提法有：

①持切变观点的学者们认为：贝氏体是指中温转变时形成的针状分解产物。有三点特征：(a)针状组织形貌；(b)表面浮凸效应；(c)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”。

此定义不正确。理由有：(a)不是混合，而是整合。自然系统是整合系统，不是混合系统，混合系统没有自组织功能；(b)铁素体和碳化物的非层片状组织不仅仅是贝氏体，像粒状珠光体、回火索氏体等也是铁素体和碳化物的非层片状组织；(c)上已叙及，表面浮凸效应不是贝氏体相变的特征，因此定义中不宜将表面浮凸效应作为定义的依据。

②持扩散观点的学者们认为：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。这一观点把贝氏体看成是共析分解的产物，认为贝氏体相变是共析分解的延续，不正确。不能把贝氏体转变看成共析分解，二者存在本质上的区别，不能混为一谈。

爱因斯坦曾指出：发明科学概念，并且在这些概念上面建立起理论，是人类精神的一种伟大创造特性。热处理原理中错误的概念严重地影响了理论的科学性、正确性，妨碍了材料科学理论的发展和进步。

3.2 错误的相变机制

这一时期的热处理原理中的固态相变机制的核心部分都是错误的。如马氏体相变的切变机制，贝氏体相变的台阶-扩散机制，珠光体转变的体扩散机制以及所谓“相间沉淀”机制，马氏体回火两相分解机制等均不正确。

五大转变中的相变机理基本上都是西方学者提出来的，柯俊先生虽是中国专家，但其提出的贝氏体相变切变机制也是他在英国伯明翰大学工作时跟Cottrell一起研究提出的。

我国学者的研究较为落后。改革开放以后，努力学习西方先进的科学技术是非常重要的、必须的。

经过多年的学习、教学、科研实践，洞悉了这些相变知识，才能认清其中有价值的成就，也才能发现其中的不足和错误，正所谓不入虎穴焉得虎子。这些相变理论的核心错误举例如下：

(1)珠光体转变机制

错误地认为：珠光体转变有领先相，通常是首先在界面形成渗碳体晶核，体扩散长大，片间距跟过冷度具有线性关系。

(2)贝氏体转变机制

切变学派的主要观点：贝氏体以切变方式形核长大。相变时，合金元素不扩散，由碳原子扩散导致形成贫碳区，贝氏体在贫碳区形核，以马氏体相变的切变方式向奥氏体晶内长大。随后，碳原子从铁素体中析出，形成碳化物。切变形核-长大形成了贝氏体铁素体亚单元，亚单元连续形成即构成了贝氏体铁素体板条。

扩散学派认为：美国冶金学家H.I.Aaronson及其合作者提出贝氏体台阶-扩散机制[11-12]。存在碳原子、铁原子和替换原子的扩散过程。该学说经历了台阶机制、台阶-扭折机制和激发-台阶机制三个阶段的发展。按照台阶扩散学说，贝氏体铁素体的形核-长大过程受扩散控制。贝氏体相变是过冷奥氏体的非层片状共析分解过程。

(3)马氏体相变机制

1924年，Bain 发现淬火钢表面存在浮凸。1930年，Γ.Β.库尔久莫夫和G.萨克斯(Sacks)首先测得1.4% C钢中马氏体与母相奥氏体保持一定的晶体学位向关系，即K-S关系。设计了第一个切变模型，将表面浮凸现象作为切变机制的实验依据。从此开始了马氏体相变切变机制、相变晶体学的研究。

之后40年中又提出了一系列切变模型，由于每个模型均难以与实际相符合，故不断进行修改或“完善”，直到70年代共提出了8个晶体学切变模型。然而最终所有的切变模型仍然与实际不符。学术界无奈地认为切变是马氏体相变的成熟的理论。

这些相变机制方面的错误是必须纠正的，以免其继续谬传，常言说：推陈出新。这是材料学术界的一项不能回避的使命。

4 21世纪以来固态相变原理的创新

20世纪90年代后期，高等学校专业做了合并和调整，铸锻焊、热处理、粉末冶金、高温合金等专业合并为金属材料工程专业，教学内容、课程名称相继进行了调整，其中金属热处理原理课程更名为固态相变理论课。体现了金属热处理原理向固态相变原理的过渡和演化。最初，课程名称更新了，但新瓶装旧酒，仍然保持了原来的理论内容。

进入21世纪，内蒙古科技大学固态相变研究团队，通过大量的实验研究，发表了一系列论文，认真而创新性地对错误理论进行了修正、更新，以促进热处理原理(固态相变原理)的科学性、先进性以及科学研究、工业应用可靠性。

首先更新了贝氏体相变理论，接着纠正了珠光体转变理论中的缺陷，否定了马氏体相变的切变学说。21世纪以来刘宗昌等发表了260余篇学术论文，撰写出版了高校专业教材8部，学术著作11部。全面更新了金属热处理原理，即固态相变理论体系，并且应用于现代大学专业教学中，获得良好效果。

刘宗昌等人2003年撰写出版了《金属固态相变教程》新教材，对于五大转变理论进行了初级的更新，受到许多院校师生的欢迎。由于市场销售量较大，应用院校较多，2011年出版了第二版，随着教学和科研的进步，相变理论进一步更新。20年来该书的应用量较大，其固态相变新理论逐渐得到许多院校师生的认可和支持，今年(2020年)即将出版第三版。这样，固态相变新理论逐步、逐一地更新和应用，得到了脱胎换骨的演化。

金属固态相变新理论，也即金属热处理原理新理论，内容丰富，本文仅就其核心内容摘要简述如下：

4.1 过冷奥氏体转变是一个整合系统

依据科学技术哲学(自然辩证法)，钢中的过冷奥氏体转变是一个整合系统，珠光体转变、贝氏体相变、马氏体相变是三个互相联系的子系统。从高温区经中温区到低温区的转变是个逐渐演化的过程。应用系统科学的方法进行研究，才能科学的全面的搞清楚这些相变的面貌和内在机制。

4.2 原子的位移方式不同是导致P、B、M三个相变机制的根本原因

固态相变是晶格重构的过程，原子的位移是最基本的动作。研究表明，从高温到低温，原子位移方式是不同的，是逐渐演化的。

(1)高温区的共析分解，原子是扩散性位移，原子每次移动距离大于或等于一个原子间距。原子以界面扩散为主，体扩散为辅。

(2)中温区的贝氏体相变是半扩散型相变，碳原子进行扩散，铁原子和替换原子不能扩散，原子非协同地在相界面热激活跃迁位移，原子每次移动距离小于一个原子间距。贝氏体铁素体的形成是无扩散型相变[13]。

(3)低温区的马氏体是无扩散相变。所有原子集体地协同地热激活位移，原子每次移动距离远远小于一个原子间距，无扩散地完成晶格重构[14]。

4.3 组织形貌和亚结构是逐渐演化的

自1864年索拜(Sorby)第一次在钢中观察到珠光体组织；1878年，德国冶金学家Martens等观察到淬火马氏体；1930年代Bain等人在美国联邦钢铁公司第一次印成贝氏体显微组织照片，这半个多世纪以来，对钢中珠光体、贝氏体、马氏体组织结构进行了卓有成效的研究。大大丰富了金属热处理的理论内容，指导了生产实践，对于社会文明及发展起了巨大作用。

20世纪末到21世纪以来，由于检测设备的先进化、精密化、计算程序化，大大促进了组织结构的观察和分析。实验研究表明：珠光体的组织形貌、贝氏体组织形貌再到马氏体组织形貌，随着转变温度的降低，是逐渐演化的。其亚结构也是逐渐演化的，如珠光体中的亚结构主要是亚晶和较低的位错密度；而贝氏体组织中的亚结构中存在亚片条、亚单元，个别情况下有孪晶，位错密度较高；马氏体中的亚结构是极高的位错密度、层错和大量精细孪晶；图1全面地展示了过冷奥氏体随着转变温度的降低，转变组织形貌和亚结构的逐渐演化过程。

组织结构的精细观察和深入研究促进了固态相变理论研究的创新和发展。如高分辨电镜的观察直观地揭示了奥氏体和铁素体的K-S位向关系；显示了晶面排列和位错的原子像；发现了钢中马氏体的层错亚结构等等。促进了固态相变理论的创新、更新和发展。

图1 珠光体→贝氏体→马氏体的组织形貌和亚结构的演化图解Fig.1 Evolution of morphologies and substructure from pearlite to bainite then to martensite

4.4 相变机制的创新

内蒙古科技大学固态相变研究团队更新了珠光体转变、贝氏体相变、马氏体相变等相变机理，建立了新的理论体系。如下简要介绍几个相变新机制。

4.4.1关于珠光体转变机理[15-16]

在高温区，过冷奥氏体在晶界处形成的贫碳区和富碳区同时析出铁素体和渗碳体，两相共析组成珠光体形核，界面扩散，两相竞争，台阶长大。“相间沉淀”同为共析分解。图2为珠光体形核-长大图解，图2(a)在晶界因涨落形成贫碳区和富碳区；图2(b)珠光体晶核(F+Fe3C)在晶界形成；图2(e)为扫描电镜观察到的铁素体、渗碳体两相共析的情景；图2(c)、2(d)晶核长大；图2(f)为透射电镜观察到的刚刚形成的珠光体团。

4.4.2关于贝氏体相变新机制[17-19]

在中温区，贝氏体相变与块状转变具有亲缘关系[20]。过冷奥氏体涨落形成贫碳区，优先在晶界处的贫碳区形成贝氏体铁素体晶核(BF)。碳原子扩散富集于奥氏体中。铁素体不与渗碳体共析。相界面原子非协同热激活跃迁长大。当碳化物析出时则形成有碳化物的贝氏体，当碳化物不析出时则形成无碳贝氏体。图3为相界面原子非协同热激活跃迁图解，图3(a)为相界面两侧的能量分布，图3(b)为界面处原子移动情况，每个原子位移矢量不等。

图2 珠光体形核-长大图解Fig.2 Nucleation and growth of pearlite

图3 相界面原子非协同热激活跃迁图解Fig.3 Sketch of non-synergic thermal activation transition of the phase-interface atoms

4.4.3关于马氏体相变新机制[18,21]

马氏体相变新机制涉及多方面问题，这里仅就Fe-C合金奥氏体转变为马氏体的晶格重构简述如下：

马氏体优先在奥氏体晶界形核，两相以K-S关系协同长大，所有原子热激活集体协同位移，原子每次移动距离远远小于一个原子间距，位移矢量不等，完成晶格重构，如图4。

图4 Fe-C合金奥氏体转变为马氏体示意图Fig.4 Sketch of transformation from austenite to martensite in Fe-C alloys

图4中标示了碳原子在奥氏体或马氏体中的可能位置。已知含碳量为1.4ω%的奥氏体晶格中，平均约4个晶胞中占有一个碳原子。图中所示为一个奥氏体晶胞和一个马氏体晶胞在空间的K-S关系排列。其上标出了碳原子向马氏体晶胞转移的方向和相对距离，显然其位移距离远小于一个原子间距，铁原子的位移间距也同样远远小于一个原子间距，且位移矢量不等。

更多内容详见《固态相变原理新论》，不再赘述。

4.4.4表面浮凸形成机理

1924年Bain等人在钢试样表面发现马氏体表面浮凸，后来作为马氏体相变切变机制的实验依据；柯俊等人1952年发现贝氏体试样表面也存在浮凸现象，进而提出了贝氏体相变的切变机制；2008年刘宗昌等人在T8钢真空退火试样表面发现珠光体浮凸[22-23]，这一重要发现预示切变机制将丧失生命力。

珠光体表面浮凸如图5所示，经扫描电镜观察，真空处理后的T8钢未经浸蚀的试样表面存在片状珠光体浮凸。

图5 真空处理后未经浸蚀的珠光体表面浮凸，SEMFig.5 SEM image of pearlite surface relief of the sample by vacuum treatment and without etching

珠光体、贝氏体、马氏体相变均为一级相变，均发生体积膨胀[24]。浮凸均为相变体积膨胀所致，且均呈现帐篷型(∧)，非N形，不具备切变特征。图6为浮凸形成机理示意图，图6(a)图示为直径为D的奥氏体晶粒被切于试样表面；图6(b)为一个珠光体团中渗碳体片和铁素体片向Z方向膨胀凸起分析图；图6(c)为片状珠光体浮凸形貌形成图。