1 前言
桥梁和建筑等结构材料要求具备优良的强度与韧性等综合性能。因此，通常广泛使用经过高温回火处理的马氏体钢。高温回火时，除了固溶碳含量（Csol）下降外，还会出现碳化物粗化和位错密度降低，与淬火态相比，虽然牺牲了部分强度，但能显著提高韧性。另一方面，在低于473K的温度下进行低温回火时，可以在降低马氏体（α’相）中Csol的同时，维持其微细组织和高位错密度，因此能够在保持钢材的高强度下提高韧性。
此前，研究者已用电阻测定法对马氏体钢的Csol进行了定量测定，并明确了固溶碳对硬度、强度的贡献。此外，研究还表明当存在残余奥氏体（γ相）时，残余γ相会成为固溶碳的吸收位点，从而促进低温回火过程中α’相中的Csol降低，即促进软化。这些发现暗示，在低温回火中，残余γ相通过降低α’相中的Csol，可能促进韧性的提高，有望实现优于高温回火的强度与韧性并存。然而，关于低温回火引起的Csol变化与韧性之间的定量关系，目前尚未充分阐明。
本研究通过电阻测量法评估回火过程中Csol的变化，同时通过硬度试验和夏比冲击试验定量评估试样强度和韧性，以探究低温回火马氏体钢中固溶碳量与韧性的关系。
2 试验方法
试验材料采用Fe-0.3%C-10%Ni（wt%）合金（简称0.3C-10Ni钢）以及作为对比材料的Fe-0.3%C合金（简称0.3C钢）。将尺寸为15mm×15mm×60mm的棒材在1373K进行1.8ks的奥氏体化处理后水冷，并立即在液氮中进行深冷处理，以获得板条马氏体组织。通过饱和磁化测量测定各试样的残余γ相量（fγ）。随后，在油浴中于373K进行0.06-600ks的低温回火处理。
通过电阻测量法计算试样的Csol。使用恒流装置和数字万用表，采用四端子法在77K下测量试样的电阻率。为考虑脱碳层的影响，从热处理后的试样中心部位加工切出试验片（1mm×1mm×50mm），然后进行砂纸湿磨。将纯Ni线点焊在各端子上，将试样在液氮中保持60s后，改变电流方向测量两次，取其平均值作为电阻率测量值。
本研究还通过维氏硬度试验和夏比冲击试验测定试样的硬度和韧性。为了抑制所有试样在室温下的时效，在不进行试验的时间，将试样保存在258K的低温环境中。
3 试验结果与分析
图1显示了通过SEMEBSD获取的淬火试样的相分布图。两者均获得了板条马氏体组织，在0.3C-10Ni钢中观察到了块状的残余γ相。饱和磁化测量结果显示，0.3C-10Ni钢中残余γ相的体积分数为6vol.%，而0.3C钢中未观察到残余γ相。
图2显示了373K回火引起的α’相中Csol的变化。与0.3C钢相比，0.3C-10Ni钢中Csol的降低更为迅速。图3显示了373K回火引起的维氏硬度变化。可以看出，0.3C钢的硬度先上升后转为软化，而0.3C-10Ni钢的硬度未出现上升，而是单调地大幅软化。此前的研究表明，0.3C钢在373K回火时硬度的上升是由于亚稳碳化物的微细析出引起的析出强化，而当存在残余γ相时，碳化物析出受到抑制。可以认为，在0.3C-10Ni钢中，除了抑制亚稳碳化物析出外，残余γ相还可作为固溶碳的吸收位点，导致回火过程中α’相中的Csol大幅降低，从而引起了显著的软化。对本次最长回火条件（600ks）回火材的碳化物析出情况进行确认，TEM观察确认到了微细的亚稳碳化物析出，但未在SEM级别观察到粗大的亚稳碳化物和渗碳体。
图4是利用夏比冲击试验得到的韧性-脆性转变（DBT）曲线。两种试样的韧性都因回火处理而升高。其中，0.3C-10Ni钢的韧性提高程度显著，该试样的DBT温度降低了约100K，其完全韧性状态下所能吸收的最大冲击能量增加了约40J/cm2。此外，两种合金原始淬火态试样的韧性几乎相同，因此可以认为回火后Fe-0.3C-10Ni合金显著的韧性提高是由于低温回火处理降低了α’相中的Csol所致。
