碳原子的偏聚现象探究

1.碳原子偏聚团

马氏体中的碳原子选择性地占据同一晶向（如[001]_α）的八面体间隙，形成晶格的正方性。弘津^[3]首先指出，处于同一晶向八面体间隙的碳原子进一步发生偏聚，形成小片碳原子团的合理性。图7-4a表示碳原子在α-Fe晶格的位置，即在八面体间隙中心的碳原子（几率为1.00）周围出现其他碳原子的几率。晶格弹性应力场的非对称性使周围各个位置出现碳原子的几率不同，它们处于同一（002）α面上。距离最近的四个位置的几率最大（0.11），沿着法线及径向逐渐下降。几率分布构成碳原子偏聚团的形态，如图7-4b所示。

所谓碳原子偏聚团仅仅包含2～4个碳原子。弘津气团呈透镜状，法向最大尺寸约等于铁素体的晶格常数a_α，径向尺寸约为2a_α，惯习面为｛100｝_α，后来也有人认为是｛102｝_α。严格地说，这么一个小尺寸的聚集物难以称为通常意义上的成分偏聚，很接近均匀固溶，因此将其称为弘津气团。

后来S.Nagakura的研究认为^[4]，弘津气团趋向于在同一晶面上出现，并形成若干个小片组成的碳原子片状畴，畴的尺寸约为几个纳米，已经为透射电子束的点阵条纹所证实。

图7-4 碳原子在α-Fe晶格八面体间隙亚点阵中偏聚团的形成(www.xing528.com)

a）某碳原子（几率为1.00）周围出现其他碳原子的几率 b）碳原子偏聚团的外形尺寸（nm）

2.柯垂尔（Cottrell）气团

碳原子偏聚于位错线上，称为柯垂尔（Cottrell）气团。G.P.Speich[5]于1972年发表了马氏体中碳原子柯垂尔气团的理论分析。在淬火态，碳原子已经处于位错偏聚态，质量分数为0.2％的碳使马氏体中的位错完全饱和。碳原子偏聚于位错线，使它对合金电阻率的贡献大大减少（与均匀固溶态相比）。Fe-C马氏体的电阻率随着含碳量的增加而变大，低碳马氏体的电阻率与完全的位错偏聚态基本相同。

研究图7-1、图7-2可见，硬度变化（ΔH）的现象是高速淬冷获得了均匀的固溶体，升温时发生脱溶，由碳原子的偏聚造成的，显然这是弘津碳原子偏聚团的硬化作用。图7-3所示电阻率的升高也是由弘津碳原子偏聚团所致。

在工业条件下或一般试验条件下所获得的马氏体，其碳原子已经完成了脱溶的第一阶段——偏聚，一部分以柯垂尔（Cottrell）气团存在，另一部分以弘津偏聚团形式出现。马氏体中碳的质量分数超过0.2％越多，则弘津气团的数量越多。