西安交通大学柳永宁：十余载超细晶钢的固态相变与力学性能研究
细化晶粒是同时提高金属材料强度和韧性的唯一有效方法，多年来人们关注了细化晶粒本身对强度的影响和贡献，但是细化晶粒对金属材料固态相变有什么影响知道甚少。
20 世纪 90 年代，纳米材料与纳米技术在世界范围掀起了研究热潮，纳米效应在材料的各个领域都展现出了奇特效应。在固态相变领域，纳米效应是不是也会带来新奇的现象？
这是《超细晶钢的固态相变与力学性能》作者当时关注的一个问题。这个想法源自一个简单的推论：钢中的珠光体是一个常见的组织，由渗碳体和铁素体层片交替组成，层片间距在 30～450nm，取决于转变温度和冷却速度。如果晶粒尺寸细化到纳米量级，一个晶粒内装不下一层铁素体与渗碳体，此时还能称之为珠光体吗？纳米晶钢铁材料中还会有珠光体组织和珠光体相变吗？晶粒细化到纳米量级，对钢铁材料的固态相变有重要的影响。
在国家自然科学基金项目（高碳板条马氏体组织与性能研究，50571077；微纳米晶高碳钢中相变新现象及机理研究，50871082；超高碳型轴承钢及接触疲劳性能研究，51271137）的支持下，自 2005 年起，作者系统地开展了相关方面的研究工作。
实验过程中发现，晶粒还没有细化到纳米量级，珠光体相变和马氏体相变就发生了重大的变化，从此开展了持续十多年的晶粒尺寸在 10μm 以下量级变化的固态相变研究。结果表明，晶粒细化到 10μm 以下量级，钢铁材料中所有的固态相变都产生了不同程度的变化，10μm 以下尺度的晶粒是工业化制备材料中可以实现的，更具有实际意义。研究发现，珠光体相变和马氏体相变存在约 4μm的临界晶粒尺寸，当奥氏体晶粒尺寸小于该临界值时，珠光体相变不能以传统的层片状结构进行，而是以球状离异共析方式完成珠光体相变；同样，对于马氏体相变，当奥氏体晶粒尺寸小于该临界值时，高碳马氏体相变也不能以常规孪晶方式进行，取而代之以位错亚结构方式进行。由于位错的滑移特性，硬而脆的高碳马氏体在室温下可以塑性变形，这是一个非常重要的发现，以此为基础开发出了强度大于 2600MPa、延伸率为 7%的超高强度和塑性良好的低合金超级钢，其强度大幅超过了商业化马氏体时效钢最高级别 C350，而成本仅是其 1/100，为超高强度钢的开发开辟了新思路。
▲1.41% 超高碳钢淬火组织的 TEM 下组织
关于晶粒尺寸对固态相变影响的文献并不多，原因是超细晶粒在二次热处理时容易长大，比较难以控制。大部分关于晶粒尺寸效应的研究采用提高加热温度来调控晶粒尺寸，尺寸在 20～500μm 变化。本书研究的晶粒尺寸变化范围为 0.5～10μm，因而观察到了全新的相变现象。
▲两种高碳钢位错型马氏体形貌
▲三种轴承钢材料的晶粒尺寸
本书详细介绍了细化晶粒对钢铁材料固态相变的影响。全书共 10 章，第 1 章是绪论，阐述了钢铁材料的重要性并引出了超细晶相变研究的问题；第 2 章主要介绍了超细晶钢的概念、力学性能和制备方法；第 3 章主要介绍了超细晶对扩散的影响；第 4 章主要介绍了超细晶的显示方法；第 5～9 章是本书的核心内容，主要介绍了超细晶对钢铁材料珠光体相变、马氏体相变和贝氏体相变的影响，以及对奥氏体分解相变和马氏体回火相变的影响；第 10 章介绍了超细晶钢经马氏体相变和贝氏体相变后的力学性能。
超细晶钢的固态相变与力学性能
柳永宁 著
北京：科学出版社，2023.1
责任编辑：祝 洁，汤宇晨
内容简介
是一本关于超细晶钢固态相变的专著，首先介绍了超细晶的制备方法与显示技术，在介绍固态相变理论以及与细化晶粒相变相关研究的基础上，系统地介绍了近年来超细晶钢在珠光体相变、马氏体相变、贝氏体相变和回火相变方面的研究成果。最后一章介绍了经超细晶钢马氏体相变得到的位错型高碳马氏体钢的力学性能，得到了强度为 2600MPa、延伸率为 7%的超高强度低合金钢，这是迄今文献报道的低合金钢的最高强度。本书可供材料和冶金领域工程技术人员参考，也可作为材料科学与工程、物理和力学专业教师和研究生的参考用书。
目录速览
第1章 绪论 1
参考文献 4
第2章 超细晶钢的概念、力学性能及制备方法 5
2.1 超细晶钢的概念 5
2.2 超细晶钢的力学性能 6
221 超细晶钢的强度 6
222 超细晶钢的韧性 9
223 超细晶钢的塑性 11
23 超细晶钢的制备方法 11
231 大塑性变形法 12
232 热机械处理法 20
233 热处理法 26
参考文献 30
第3章 晶界与晶体结构及缺陷对原子扩散的影响 33
31 晶界结构 33
311 小角度晶界 33
312 大角度晶界 35
32 晶界及细化晶粒对扩散的影响 38
33 晶体缺陷和晶体结构对扩散的影响 39
331 位错对扩散的影响 39
332 空位对扩散的影响 40
333 原子键和晶体结构对扩散的影响 41
参考文献 42
第4章 超细晶晶界显示技术与方法 43
41 现代电子显微技术 43
411 EBSD技术 43
412 SEM、TEM形貌法 45
42 电化学法 45
43 氧化法 52
参考文献 54
第5章 超细晶钢的珠光体相变 55
51 珠光体相变的经典理论和组织特点 55
52 超细晶对典型层片状珠光体相变的影响 59
521 高能球磨等离子快速烧结超细晶的珠光体相变 59
522 控制轧制方法制备超细晶的珠光体相变 65
53 超细晶对珠光体相变的影响机理 73
531 超细晶对珠光体相变形核的影响 73
532 超细晶晶界扩散对层片结构珠光体生长的抑制 75
533 超细晶对球状离异共析生长的促进作用 76
534 合金元素在离异共析中的作用 79
54 管线钢及细化晶粒对其组织的影响 81
541 管线钢的发展现状 81
542 管线钢的典型组织 82
543 细化晶粒对管线钢组织的影响 86
参考文献 88
第6章 超细晶钢中的新型析出相 90
61 管线钢中岛状组织析出相 90
611 —种新型碳化物一Fe4C3 90
612 其他材料中的Fe4C3 98
62 Fe4C3的进一步甄别与析出过程 105
63 Fe4C3对力学性能的影响 110
参考文献 111
第7章 超细晶钢的马氏体相变 113
71 马氏体相变的必要条件 113
72 马氏体相变的主要特征 116
721 无扩散性相变 116
722 表面浮凸和惯习面 117
723 位向关系 119
724 马氏体内的亚结构 120
725 相变的不完整性 121
726 相变的可逆性 121
73 马氏体相变理论 122
731 马氏体相变热力学 122
732 马氏体相变的驱动力 123
733 马氏体相变晶体学 125
734 碳的过饱和固溶 128
735 马氏体相变形核理论 129
736 长大过程 132
74 马氏体形态、亚结构及影响因素 135
741 马氏体形态与亚结构 135
742 影响马氏体形态的因素 138
743 截面法揭示板条马氏体和片状马氏体空间形态 140
744 马氏体形态的理论预测 144
75 马氏体相变点及其影响因素 148
751 Ms的概念 148
752 合金元素对Ms的影响 149
753 晶粒尺寸对Ms的影响 150
754 粉体材料颗粒尺寸对Ms的影响 152
755 应力和应变对Ms的影响 153
76 晶粒尺寸对马氏体亚结构的影响 155
761 低碳马氏体形态演化 155
762 高碳马氏体亚结构的变化 157
763 孪晶向位错转化机理 176
764 晶粒尺寸对马氏体形态的影响 182
参考文献 184
第8章 超细晶钢的回火相变 188
81 常规晶粒马氏体回火 188
82 超细晶钢残余奥氏体分解 190
83 超细晶钢回火碳化物析出 191
831 超细晶65Mn钢 191
832 超细晶65Cr钢 193
833 超细晶55CrSi钢 196
834 超细晶60Si2Mn钢 198
参考文献 199
第9章 超细晶钢的贝氏体相变 200
91 贝氏体常规组织 200
911 上贝氏体 200
912 下贝氏体 202
913 粒状贝氏体 203
914 无碳化物贝氏体 203
92 纳米贝氏体 204
93 晶粒尺寸对贝氏体相变的影响 205
931 晶粒尺寸对常规贝氏体相变的影响 205
932 细化晶粒对纳米贝氏体相变的影响 207
参考文献 212
第10章 超细晶钢相变后的力学性能 214
101 高碳位错马氏体钢的力学性能 214
1011 超细晶Cr系马氏体钢力学性能 214
1012 Mn系超细晶高碳位错马氏体钢的力学性能 225
102 超高碳钢的力学性能和接触疲劳性能 231
1021 超高碳钢的力学性能 231
1022 超高碳钢作为新型轴承钢的综合力学性能 233
103 马氏体的脆性 246
参考文献 248
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（本期编辑：王芳）
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