劉宗昌，計(jì)云萍，任慧平

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)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(yīng)用于社會(huì)生活及戰(zhàn)爭(zhēng)。但金屬熱處理原理卻始于19世紀(jì)，落后于工藝技巧近2000多年。從現(xiàn)代廣泛的工業(yè)領(lǐng)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(chǎn)生、發(fā)展和演變加以簡(jiǎn)單分析和論述，并彰顯我國(guó)學(xué)者在固態(tài)相變理論研究中的成就和貢獻(xiàn)。

1 金屬熱處理原理的誕生

我國(guó)是世界上應(yīng)用熱處理技術(shù)最早的國(guó)家，早在商朝即開始采用退火來處理金箔，到戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前403～前221年)，已經(jīng)采用退火、淬火、正火和滲碳等技術(shù)來提高鋼鐵器件的性能。我國(guó)是應(yīng)用馬氏體組織和淬火技術(shù)最早的國(guó)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(shù)的高水平[1]。唐宋年間，中國(guó)是世界科學(xué)技術(shù)的中心，金屬成型(鑄、鍛、焊)和熱處理技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。

金屬熱處理原理的核心內(nèi)容是研究成分、組織結(jié)構(gòu)和性能三者之間的關(guān)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(xué)理論，只是缺少組織結(jié)構(gòu)說明(當(dāng)時(shí)不具備條件)。這實(shí)際上是熱處理原理的雛形(或稱萌芽)。

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

19世紀(jì)，由于西方工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于熱處理引起金屬性能的特殊變化，引起人們探究金屬內(nèi)部奧秘的興趣，首先發(fā)明了顯微鏡，應(yīng)用金相技術(shù)等手段來探查金屬內(nèi)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(nèi)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(jìn)金相學(xué)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(zhuǎn)變發(fā)生，即發(fā)現(xiàn)了臨界點(diǎn)。熱處理工藝向科學(xué)邁進(jìn)了一大步，開始走進(jìn)固態(tài)相變的大門。

1878年，德國(guó)冶金學(xué)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(guó)人Osmond將其命名為馬氏體(Martensite)。

至此，也就是在19世紀(jì)后半葉，人們開始認(rèn)識(shí)珠光體和馬氏體。開始研究熱處理后金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)和組織轉(zhuǎn)變。從此，金屬熱處理從工匠手藝走向科學(xué)，開始探究鋼中的相變過程及其變化規(guī)律。

半個(gè)世紀(jì)后，于1929～1930年間，Bain等人首先在共析鋼的等溫處理時(shí)，在馬氏體點(diǎn)與珠光體轉(zhuǎn)變溫度之間的中溫區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)變產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǔ)性工程。到20世紀(jì)上半葉，已形成了系統(tǒng)的金屬熱處理原理。

2 我國(guó)解放后學(xué)習(xí)應(yīng)用蘇聯(lián)的熱處理理論

由于封建社會(huì)制度的腐朽統(tǒng)治、帝國(guó)主義列強(qiáng)的侵略剝奪，我國(guó)的熱處理技術(shù)落后于西方國(guó)家。解放后黨和政府重視工業(yè)體系的建立和科學(xué)理論研究，從20世紀(jì)50年代開始，我國(guó)從前蘇聯(lián)大規(guī)模引進(jìn)熱處理設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)，并仿照蘇聯(lián)設(shè)置了金屬熱處理專業(yè)，在大學(xué)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(jìn)行教學(xué)，學(xué)習(xí)和工業(yè)應(yīng)用。50～60年代是我國(guó)熱處理科學(xué)技術(shù)的奠基期。

當(dāng)時(shí)采用的《金屬熱處理》教材內(nèi)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(zhuǎn)變，貝氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體相變和回火轉(zhuǎn)變等五大轉(zhuǎn)變。闡述了比較淺顯的理論知識(shí)。能夠了解五大轉(zhuǎn)變過程的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、組織形貌及轉(zhuǎn)變過程。由于那個(gè)年代電子顯微鏡等設(shè)備尚未應(yīng)用于相變過程觀察，只能應(yīng)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(xì)亞結(jié)構(gòu)的觀察和深入的理論分析。國(guó)外60年代后開始應(yīng)用電子顯微鏡觀察研究組織結(jié)構(gòu)，而我國(guó)比較滯后，文革運(yùn)動(dòng)也影響了這方面的研究。故這一時(shí)段我國(guó)金屬熱處理的理論知識(shí)比較膚淺，且存在誤區(qū)。

2.1 珠光體轉(zhuǎn)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(chǎn)物，后命名為珠光體。珠光體組織比較易于實(shí)驗(yàn)獲得和觀察，20世紀(jì)70年代前進(jìn)行了許多研究，但不活躍。我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)這類轉(zhuǎn)變的研究工作很少。國(guó)外學(xué)者對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變理論研究較多，主要是弄清了組織形貌和轉(zhuǎn)變過程。但有不少缺陷。

(1)珠光體的概念不準(zhǔn)確，如是說：珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。此概念被廣泛應(yīng)用，到2003年才被國(guó)內(nèi)學(xué)者糾正[3]，且逐漸被學(xué)術(shù)界接受。

(2)珠光體轉(zhuǎn)變的機(jī)理存在不少缺陷，如是說：既然珠光體由兩相組成，就存在領(lǐng)先相問題。難道珠光體由兩相構(gòu)成就必然存在領(lǐng)先相嗎？顯然不存在這一邏輯。分解反應(yīng)是一個(gè)物相變成兩個(gè)物相的過程，反應(yīng)產(chǎn)物是按反應(yīng)式同時(shí)生成的。過冷奧氏體以共析分解反應(yīng)生成鐵素體與滲碳體也不例外。按照Fe-C相圖，在臨界點(diǎn)727 ℃，奧氏體與鐵素體和滲碳體處于三相平衡狀態(tài)。當(dāng)奧氏體遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)(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(gòu)成，是一個(gè)整體，作為共析反應(yīng)的產(chǎn)物，鐵素體和滲碳體是同時(shí)同步生成的，即所謂“共析”。

另外應(yīng)用體擴(kuò)散來分析珠光體轉(zhuǎn)變機(jī)制也是不符合實(shí)際的。

總之，這一時(shí)期，珠光體轉(zhuǎn)變的研究有進(jìn)展但不完善。直到21世紀(jì)初，綜合國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果，通過大量實(shí)驗(yàn)和理論分析，才徹底弄清楚珠光體的微觀結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變機(jī)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(jì)20年代末，應(yīng)用X-射線衍射分析測(cè)得了馬氏體的點(diǎn)陣常數(shù)。60年代后，電子顯微鏡的應(yīng)用才逐漸觀察到馬氏體中的精細(xì)亞結(jié)構(gòu)。對(duì)馬氏體的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。這一時(shí)期，馬氏體相變的理論研究十分活躍，組織結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系十分清晰。但馬氏體相變機(jī)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(gè)定義早已過時(shí)，但一直在教學(xué)和書刊中應(yīng)用到21世紀(jì)初，才被糾正[3]。

再如：馬氏體相變的“切變”機(jī)制是20世紀(jì)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(shí)際不符，但是學(xué)術(shù)界卻似乎默認(rèn)切變機(jī)制是成熟的“理論”。

馬氏體相變的切變“理論”是不符合實(shí)際的完全錯(cuò)誤的學(xué)說。到21世紀(jì)初才被國(guó)內(nèi)學(xué)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(yīng)用。20世紀(jì)中后期，貝氏體相變的研究十分活躍，論爭(zhēng)也相當(dāng)激烈?？驴∠壬?952年提出的貝氏體相變機(jī)制認(rèn)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(gè)世紀(jì)。只憑據(jù)試樣表面的浮凸就認(rèn)為貝氏體相變是切變過程，顯然是表象性的推測(cè)，并不成功。

60年代以后電子顯微鏡的應(yīng)用才對(duì)其亞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)觀察和研究。當(dāng)時(shí)的教科書或書刊中對(duì)于貝氏體相變機(jī)理的論述還僅限于“切變”機(jī)制。尚未形成兩派的論爭(zhēng)。因?yàn)樨愂象w的擴(kuò)散機(jī)制是在1970年前后美國(guó)學(xué)者Aaronson等人提出并展開討論的。Aaronson等人以應(yīng)變能太大為由試圖推翻切變機(jī)制，但由于其理由不充分而難以服人，導(dǎo)致近40 年的學(xué)術(shù)論爭(zhēng)而無果。

國(guó)內(nèi)兩派的論爭(zhēng)始于80年代。這一時(shí)期對(duì)貝氏體相變機(jī)制的論爭(zhēng)較多，實(shí)際觀察并不細(xì)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(diǎn)截然不同，是兩個(gè)學(xué)派的代表人物。將相變機(jī)理的研究錯(cuò)誤地推向了兩個(gè)極端，即切變學(xué)派認(rèn)為是馬氏體那樣的切變過程；而擴(kuò)散學(xué)派則走向另一個(gè)極端，認(rèn)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(jì)末學(xué)習(xí)歐美日的熱處理原理

20世紀(jì)80年代，我國(guó)熱處理生產(chǎn)面貌明顯改觀，是熱處理科學(xué)研究和技術(shù)蓬勃發(fā)展的轉(zhuǎn)折期。這期間掀起了改革開放大潮，引進(jìn)了大量國(guó)外書刊資料，并派大量學(xué)者出國(guó)進(jìn)修。我國(guó)知名專家教授翻譯編寫了許多書籍和教材。其中大學(xué)教材金屬熱處理原理有三本，分別為趙連成、劉云旭、戚正風(fēng)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(guó)家學(xué)者研究之手，當(dāng)然也包含并延續(xù)了蘇聯(lián)書刊的內(nèi)容，是我國(guó)80～90年代大學(xué)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(guó)外20世紀(jì)中期(20～70年代)的研究成果，內(nèi)容豐富先進(jìn)，具有一定理論價(jià)值和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)熱處理專業(yè)的教學(xué)和熱處理、鑄造、鍛壓、軋制、焊接等生產(chǎn)起了重要作用。

劉宗昌經(jīng)過30多年(1970～2000年)的教學(xué)實(shí)踐、科研和生產(chǎn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)這些原理既有重要的理論價(jià)值，又存在許多錯(cuò)誤，實(shí)際上并不完全成熟。在認(rèn)真學(xué)習(xí)西方有用知識(shí)的同時(shí)，通過教學(xué)實(shí)踐，科研實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)哲學(xué)原理，全面、慎重、逐一地分析了其中的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤?，F(xiàn)將這些缺點(diǎn)和錯(cuò)誤舉幾例說明。

3.1 錯(cuò)誤的概念

科學(xué)技術(shù)哲學(xué)(自然辯證法)指出：科學(xué)概念是構(gòu)成科學(xué)理論的細(xì)胞[8]。可見科學(xué)概念極為重要，但是，一個(gè)正確的科學(xué)概念的形成往往有個(gè)過程。在研究初期，觀察不充分，測(cè)定欠準(zhǔn)確，認(rèn)識(shí)不夠全面，則概念難免不夠確切。隨著科學(xué)研究的深入，通過科學(xué)抽象，搞清了事物的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律性，則應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，更新概念，促進(jìn)理論進(jìn)一步發(fā)展。

科學(xué)概念是對(duì)自然事物科學(xué)抽象的結(jié)果。即在科學(xué)研究過程中，通過對(duì)試驗(yàn)資料和數(shù)據(jù)的比較、分析、提純、概括、抽取和把握本質(zhì)的因素，形成科學(xué)概念，一般達(dá)到揭示研究的對(duì)象的普遍規(guī)律及其因果關(guān)系。即通過去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的科學(xué)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(yán)密、不完整，甚至存在原則性錯(cuò)誤，略舉幾例：

(1)什么叫馬氏體？

20世紀(jì)以來給馬氏體賦予的一些定義，均已過時(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)。故該定義早已過時(shí)。

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

這個(gè)概念被許多書刊引用。80年代有人補(bǔ)充說明了相變基本特征，修改為：母相無擴(kuò)散的，以慣習(xí)面為不變平面的切變共格的相變產(chǎn)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(shí)質(zhì)的說明。作為馬氏體的定義應(yīng)當(dāng)是馬氏體自身的物理本質(zhì)的科學(xué)抽象，即指出馬氏體自身的屬性，而不是它產(chǎn)生過程的屬性，不宜用過程的屬性代替產(chǎn)物的屬性。因此，該定義雖然出自國(guó)外名家之手，但不成功。

(2)什么是貝氏體？

20世紀(jì)70年代以來，關(guān)于貝氏體的定義兩派學(xué)者存在著激烈的論爭(zhēng)，典型的提法有：

①持切變觀點(diǎn)的學(xué)者們認(rèn)為：貝氏體是指中溫轉(zhuǎn)變時(shí)形成的針狀分解產(chǎn)物。有三點(diǎn)特征：(a)針狀組織形貌；(b)表面浮凸效應(yīng)；(c)有自己的TTT圖和Bs點(diǎn)。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(yīng)不是貝氏體相變的特征，因此定義中不宜將表面浮凸效應(yīng)作為定義的依據(jù)。

②持?jǐn)U散觀點(diǎn)的學(xué)者們認(rèn)為：Bs點(diǎn)和TTT圖是合金元素對(duì)共析分解動(dòng)力學(xué)的一種影響形式，貝氏體是“擴(kuò)散的、非協(xié)作的、兩種沉淀相競(jìng)爭(zhēng)的臺(tái)階生長(zhǎng)的共析分解產(chǎn)物”。認(rèn)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(chǎn)物。這一觀點(diǎn)把貝氏體看成是共析分解的產(chǎn)物，認(rèn)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(zhuǎn)變看成共析分解，二者存在本質(zhì)上的區(qū)別，不能混為一談。

愛因斯坦曾指出：發(fā)明科學(xué)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(cuò)誤的概念嚴(yán)重地影響了理論的科學(xué)性、正確性，妨礙了材料科學(xué)理論的發(fā)展和進(jìn)步。

3.2 錯(cuò)誤的相變機(jī)制

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

五大轉(zhuǎn)變中的相變機(jī)理基本上都是西方學(xué)者提出來的，柯俊先生雖是中國(guó)專家，但其提出的貝氏體相變切變機(jī)制也是他在英國(guó)伯明翰大學(xué)工作時(shí)跟Cottrell一起研究提出的。

我國(guó)學(xué)者的研究較為落后。改革開放以后，努力學(xué)習(xí)西方先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)是非常重要的、必須的。

經(jīng)過多年的學(xué)習(xí)、教學(xué)、科研實(shí)踐，洞悉了這些相變知識(shí)，才能認(rèn)清其中有價(jià)值的成就，也才能發(fā)現(xiàn)其中的不足和錯(cuò)誤，正所謂不入虎穴焉得虎子。這些相變理論的核心錯(cuò)誤舉例如下：

(1)珠光體轉(zhuǎn)變機(jī)制

錯(cuò)誤地認(rèn)為：珠光體轉(zhuǎn)變有領(lǐng)先相，通常是首先在界面形成滲碳體晶核，體擴(kuò)散長(zhǎng)大，片間距跟過冷度具有線性關(guān)系。

(2)貝氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制

切變學(xué)派的主要觀點(diǎn)：貝氏體以切變方式形核長(zhǎng)大。相變時(shí)，合金元素不擴(kuò)散，由碳原子擴(kuò)散導(dǎo)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(nèi)長(zhǎng)大。隨后，碳原子從鐵素體中析出，形成碳化物。切變形核-長(zhǎng)大形成了貝氏體鐵素體亞單元，亞單元連續(xù)形成即構(gòu)成了貝氏體鐵素體板條。

擴(kuò)散學(xué)派認(rèn)為：美國(guó)冶金學(xué)家H.I.Aaronson及其合作者提出貝氏體臺(tái)階-擴(kuò)散機(jī)制[11-12]。存在碳原子、鐵原子和替換原子的擴(kuò)散過程。該學(xué)說經(jīng)歷了臺(tái)階機(jī)制、臺(tái)階-扭折機(jī)制和激發(fā)-臺(tái)階機(jī)制三個(gè)階段的發(fā)展。按照臺(tái)階擴(kuò)散學(xué)說，貝氏體鐵素體的形核-長(zhǎng)大過程受擴(kuò)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(jī)制

1924年，Bain 發(fā)現(xiàn)淬火鋼表面存在浮凸。1930年，Γ.Β.庫(kù)爾久莫夫和G.薩克斯(Sacks)首先測(cè)得1.4% C鋼中馬氏體與母相奧氏體保持一定的晶體學(xué)位向關(guān)系，即K-S關(guān)系。設(shè)計(jì)了第一個(gè)切變模型，將表面浮凸現(xiàn)象作為切變機(jī)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。從此開始了馬氏體相變切變機(jī)制、相變晶體學(xué)的研究。

之后40年中又提出了一系列切變模型，由于每個(gè)模型均難以與實(shí)際相符合，故不斷進(jìn)行修改或“完善”，直到70年代共提出了8個(gè)晶體學(xué)切變模型。然而最終所有的切變模型仍然與實(shí)際不符。學(xué)術(shù)界無奈地認(rèn)為切變是馬氏體相變的成熟的理論。

這些相變機(jī)制方面的錯(cuò)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(xué)術(shù)界的一項(xiàng)不能回避的使命。

4 21世紀(jì)以來固態(tài)相變?cè)淼膭?chuàng)新

20世紀(jì)90年代后期，高等學(xué)校專業(yè)做了合并和調(diào)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(xué)內(nèi)容、課程名稱相繼進(jìn)行了調(diào)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?cè)淼倪^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(nèi)容。

進(jìn)入21世紀(jì)，內(nèi)蒙古科技大學(xué)固態(tài)相變研究團(tuán)隊(duì)，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)表了一系列論文，認(rèn)真而創(chuàng)新性地對(duì)錯(cuò)誤理論進(jìn)行了修正、更新，以促進(jìn)熱處理原理(固態(tài)相變?cè)?的科學(xué)性、先進(jìn)性以及科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)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(zhuǎn)變理論中的缺陷，否定了馬氏體相變的切變學(xué)說。21世紀(jì)以來劉宗昌等發(fā)表了260余篇學(xué)術(shù)論文，撰寫出版了高校專業(yè)教材8部，學(xué)術(shù)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(yīng)用于現(xiàn)代大學(xué)專業(yè)教學(xué)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(duì)于五大轉(zhuǎn)變理論進(jìn)行了初級(jí)的更新，受到許多院校師生的歡迎。由于市場(chǎng)銷售量較大，應(yīng)用院校較多，2011年出版了第二版，隨著教學(xué)和科研的進(jìn)步，相變理論進(jìn)一步更新。20年來該書的應(yīng)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(rèn)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(yīng)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(nèi)容豐富，本文僅就其核心內(nèi)容摘要簡(jiǎn)述如下：

4.1 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)整合系統(tǒng)

依據(jù)科學(xué)技術(shù)哲學(xué)(自然辯證法)，鋼中的過冷奧氏體轉(zhuǎn)變是一個(gè)整合系統(tǒng)，珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體相變、馬氏體相變是三個(gè)互相聯(lián)系的子系統(tǒng)。從高溫區(qū)經(jīng)中溫區(qū)到低溫區(qū)的轉(zhuǎn)變是個(gè)逐漸演化的過程。應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)的方法進(jìn)行研究，才能科學(xué)的全面的搞清楚這些相變的面貌和內(nèi)在機(jī)制。

4.2 原子的位移方式不同是導(dǎo)致P、B、M三個(gè)相變機(jī)制的根本原因

固態(tài)相變是晶格重構(gòu)的過程，原子的位移是最基本的動(dòng)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(kuò)散性位移，原子每次移動(dòng)距離大于或等于一個(gè)原子間距。原子以界面擴(kuò)散為主，體擴(kuò)散為輔。

(2)中溫區(qū)的貝氏體相變是半擴(kuò)散型相變，碳原子進(jìn)行擴(kuò)散，鐵原子和替換原子不能擴(kuò)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(dòng)距離小于一個(gè)原子間距。貝氏體鐵素體的形成是無擴(kuò)散型相變[13]。

(3)低溫區(qū)的馬氏體是無擴(kuò)散相變。所有原子集體地協(xié)同地?zé)峒せ钗灰?，原子每次移?dòng)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，無擴(kuò)散地完成晶格重構(gòu)[14]。

4.3 組織形貌和亞結(jié)構(gòu)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(guó)冶金學(xué)家Martens等觀察到淬火馬氏體；1930年代Bain等人在美國(guó)聯(lián)邦鋼鐵公司第一次印成貝氏體顯微組織照片，這半個(gè)多世紀(jì)以來，對(duì)鋼中珠光體、貝氏體、馬氏體組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了卓有成效的研究。大大豐富了金屬熱處理的理論內(nèi)容，指導(dǎo)了生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)于社會(huì)文明及發(fā)展起了巨大作用。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)以來，由于檢測(cè)設(shè)備的先進(jìn)化、精密化、計(jì)算程序化，大大促進(jìn)了組織結(jié)構(gòu)的觀察和分析。實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)變溫度的降低，是逐漸演化的。其亞結(jié)構(gòu)也是逐漸演化的，如珠光體中的亞結(jié)構(gòu)主要是亞晶和較低的位錯(cuò)密度；而貝氏體組織中的亞結(jié)構(gòu)中存在亞片條、亞單元，個(gè)別情況下有孿晶，位錯(cuò)密度較高；馬氏體中的亞結(jié)構(gòu)是極高的位錯(cuò)密度、層錯(cuò)和大量精細(xì)孿晶；圖1全面地展示了過冷奧氏體隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，轉(zhuǎn)變組織形貌和亞結(jié)構(gòu)的逐漸演化過程。

組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀察和深入研究促進(jìn)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(guān)系；顯示了晶面排列和位錯(cuò)的原子像；發(fā)現(xiàn)了鋼中馬氏體的層錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)等等。促進(jìn)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(jié)構(gòu)的演化圖解Fig.1 Evolution of morphologies and substructure from pearlite to bainite then to martensite

4.4 相變機(jī)制的創(chuàng)新

內(nèi)蒙古科技大學(xué)固態(tài)相變研究團(tuán)隊(duì)更新了珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體相變、馬氏體相變等相變機(jī)理，建立了新的理論體系。如下簡(jiǎn)要介紹幾個(gè)相變新機(jī)制。

4.4.1關(guān)于珠光體轉(zhuǎn)變機(jī)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(shí)析出鐵素體和滲碳體，兩相共析組成珠光體形核，界面擴(kuò)散，兩相競(jìng)爭(zhēng)，臺(tái)階長(zhǎng)大?！跋嚅g沉淀”同為共析分解。圖2為珠光體形核-長(zhǎng)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(zhǎng)大；圖2(f)為透射電鏡觀察到的剛剛形成的珠光體團(tuán)。

4.4.2關(guān)于貝氏體相變新機(jī)制[17-19]

在中溫區(qū)，貝氏體相變與塊狀轉(zhuǎn)變具有親緣關(guān)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(kuò)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(zhǎng)大。當(dāng)碳化物析出時(shí)則形成有碳化物的貝氏體，當(dāng)碳化物不析出時(shí)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(cè)的能量分布，圖3(b)為界面處原子移動(dòng)情況，每個(gè)原子位移矢量不等。

圖2 珠光體形核-長(zhǎng)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(guān)于馬氏體相變新機(jī)制[18,21]

馬氏體相變新機(jī)制涉及多方面問題，這里僅就Fe-C合金奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的晶格重構(gòu)簡(jiǎn)述如下：

馬氏體優(yōu)先在奧氏體晶界形核，兩相以K-S關(guān)系協(xié)同長(zhǎng)大，所有原子熱激活集體協(xié)同位移，原子每次移動(dòng)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，位移矢量不等，完成晶格重構(gòu)，如圖4。

圖4 Fe-C合金奧氏體轉(zhuǎn)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(biāo)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(gè)晶胞中占有一個(gè)碳原子。圖中所示為一個(gè)奧氏體晶胞和一個(gè)馬氏體晶胞在空間的K-S關(guān)系排列。其上標(biāo)出了碳原子向馬氏體晶胞轉(zhuǎn)移的方向和相對(duì)距離，顯然其位移距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，鐵原子的位移間距也同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，且位移矢量不等。

更多內(nèi)容詳見《固態(tài)相變?cè)硇抡摗?，不再贅述?/p>

4.4.4表面浮凸形成機(jī)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(jī)制的實(shí)驗(yàn)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(jìn)而提出了貝氏體相變的切變機(jī)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(yù)示切變機(jī)制將喪失生命力。

珠光體表面浮凸如圖5所示，經(jīng)掃描電鏡觀察，真空處理后的T8鋼未經(jīng)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(jīng)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(jí)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(jī)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(gè)珠光體團(tuán)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(shí)試樣表面浮凸形成機(jī)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(gè)相變的概念

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

(1)珠光體轉(zhuǎn)變

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

(2)貝氏體相變

以往兩派對(duì)貝氏體的概念論爭(zhēng)多年，但均沒有觸及到貝氏體相變的概念。新理論關(guān)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(zhǎng)大為主要過程，有時(shí)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(jí)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(jìn)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(jīng)無需擴(kuò)散的集體協(xié)同位移，進(jìn)行晶格改組，得到的相變產(chǎn)物具有嚴(yán)格晶體學(xué)位向關(guān)系和慣習(xí)面，極高密度位錯(cuò)、或?qū)渝e(cuò)或精細(xì)孿晶等亞結(jié)構(gòu)的整合組織，這種形核-長(zhǎng)大的一級(jí)相變，稱為馬氏體相變。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)任何自然事物都有一個(gè)發(fā)生、成長(zhǎng)、完善的過程。金屬熱處理原理是在科研、生產(chǎn)實(shí)踐過程中日臻完善的。它19世紀(jì)后半葉產(chǎn)生，20世紀(jì)成長(zhǎng)，21世紀(jì)初走向成熟。

2)金屬熱處理原理經(jīng)歷了約160多年的研究，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家構(gòu)筑了金屬熱處理原理，成就斐然。我國(guó)學(xué)者后起直追，糾正了其中的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤。建立了新的理論體系，目前我國(guó)的固態(tài)相變理論處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。算是華夏民族復(fù)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(jì)末到本世紀(jì)初，經(jīng)歷20多年的教學(xué)、科研和生產(chǎn)實(shí)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?cè)硇抡摗返戎髦校?0年來在教學(xué)實(shí)踐中效果良好，如《金屬固態(tài)相變教程》教材已經(jīng)成功應(yīng)用于教學(xué)近20年，將出版第3版。