工程科学学报 Chinese Journal of Engineering Cu(FeC)合金中FeC相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 任浩岩解国良刘新华 Effect of the solid-state transition of Fe-C phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu-(Fe-C)alloys REN Hao-yan,XIE Guo-liang,LIU Xin-hua 引用本文： 任浩岩，解国良，刘新华.Cu(FC)合金中FeC相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响.工程科学学报，2020,42(9： 1190-1199.doi:10.13374.issn2095-9389.2019.09.18.006 REN Hao-yan,XIE Guo-liang,LIU Xin-hua.Effect of the solid-state transition of FeC phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu(FeC)alloys[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(9):1190-1199.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2019.09.18.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铁粉表面硫化处理制备高密度Fe-Cu-C合金 Sulfurizing treatments on the surface of iron powder for preparing high density Fe-Cu-C alloys 工程科学学报.2017,392：232htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.010 MA-SPS制备超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩擦磨损性能 Friction and wear properties of ultrafine grain Ti-8Mo-3Fe alloys fabricated by MA-SPS 工程科学学报.2017,393：426 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.03.015 FeMnAlC系中锰钢的研究现状与发展前景 Research progress and prospect of FeMnAlC medium Mn steels 工程科学学报.2020.42(7)：814 https::/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.08.27.002 FeMn(AI)C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 Research progress toward hydrogen embrittlement microstructure mechanism in FeMn(Al)C high-strength-and-toughness steel 工程科学学报.2020,42(8：949 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.11.05.005 Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al-22Si-2Fe-xMn alloys produced by inclined cooling 工程科学学报.2017,392：222 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.02.009 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报.2019,41(7)：906htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.07.009
Cu(FeC)合金中FeC相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 任浩岩 解国良 刘新华 Effect of the solid-state transition of Fe–C phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu–(Fe–C) alloys REN Hao-yan, XIE Guo-liang, LIU Xin-hua 引用本文: 任浩岩, 解国良, 刘新华. Cu(FeC)合金中FeC相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响[J]. 工程科学学报, 2020, 42(9): 1190-1199. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.006 REN Hao-yan, XIE Guo-liang, LIU Xin-hua. Effect of the solid-state transition of FeC phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu(FeC) alloys[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(9): 1190-1199. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2019.09.18.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 铁粉表面硫化处理制备高密度Fe-Cu-C合金 Sulfurizing treatments on the surface of iron powder for preparing high density Fe-Cu-C alloys 工程科学学报. 2017, 39(2): 232 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.010 MA-SPS制备超细晶Ti-8Mo-3Fe合金的摩擦磨损性能 Friction and wear properties of ultrafine grain Ti-8Mo-3Fe alloys fabricated by MA-SPS 工程科学学报. 2017, 39(3): 426 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.015 FeMnAlC系中锰钢的研究现状与发展前景 Research progress and prospect of FeMnAlC medium Mn steels 工程科学学报. 2020, 42(7): 814 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.27.002 FeMn(Al)C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展 Research progress toward hydrogen embrittlement microstructure mechanism in FeMn(Al)C high-strength-and-toughness steel 工程科学学报. 2020, 42(8): 949 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.005 Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al-22Si-2Fe-xMn alloys produced by inclined cooling 工程科学学报. 2017, 39(2): 222 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.009 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 High temperature friction and wear properties of two hot work die steels 工程科学学报. 2019, 41(7): 906 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.009
工程科学学报.第42卷.第9期：1190-1199.2020年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.9:1190-1199,September 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.006;http://cje.ustb.edu.cn Cu-(Fe-C)合金中Fe-C相的固态转变对其摩擦磨损行 为及机理的影响 任浩岩，2)，解国良)，刘新华，2)区 1)北京科技大学新材料技术研究院，北京1000832)北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京1000833)北京科技大学 新金属材料国家重点实验室.北京100083 ☒通信作者，E-mail:liuxinhua@ustb.edu.cn 摘要采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米力学探针、力学性能测试以及室温摩擦磨损实验研究了 Cu-(Fe-C)合金的铸态组织、形变态组织、Fe-C相形貌、力学性能和摩擦磨损行为.结果表明.Cu-(Fe-C)合金中弥散分布 着微米级和纳米级的Fε-C相.其中微米级的F-C相在淬火和回火过程中发生了固态转变，这种固态转变与钢中的马氏体 转变和回火转变类似.合金先在850℃淬火，然后在200、400和650℃回火，F-C相由针状马氏体逐渐向颗粒状回火索氏 体转变，Fe-C相纳米硬度分别为9.4、8、4.2和3.8GPa,实现了对强化相硬度的控制.室温摩擦磨损实验结果表明，随着回火 温度升高，合金的磨损机制逐渐由犁削向黏着磨损和大塑性变形转变，导致合金的耐磨损性能降低.这一结论可以为通过 F©-C相的固态转变的方法调控Cu-(Fc-C)合金的摩擦磨损性能提供参考作用. 关键词C-(FeC)合金；马氏体相变：回火转变：犁削：黏着磨损：大塑性变形 分类号TG146.11 Effect of the solid-state transition of Fe-C phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu-(Fe-C)alloys REN Hao-yan2,XIE Guo-liang,LIU Xin-hua2 1)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory for Advanced Materials Processing (MOE),University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:liuxinhua@ustb.edu.cn ABSTRACT The effect of solid-state phase transformation during heat treatment on the friction and wear properties of Cu-3Fe-0.18C alloy prepared by vacuum melting was studied.The as-cast structure,deformed structure,Fe-C phase morphology,mechanical properties,and the friction and wear behavior of Cu-Fe-C alloy were studied by optical microscopy (OM),scanning electron microscopy(SEM),nano-mechanical probe analysis,mechanical properties test,and friction and wear experiments,respectively,at room temperature.The results show that micro-and nano-sized Fe-Cphases are dispersed in the Cu-(Fe-C)alloy,and the micron-sized Fe-C phase undergoes solid-state transformation during quenching and tempering,which is similar to the martensite transformation and tempering transformation in steel.After quenched at 850 C and tempering at 200,400 and 650 C,the Fe-C phase gradually transforms from acicular martensite to granular tempered sorbite.The corresponding nano-hardness of the Fe-C phase is 9.4,8,4.2 and 3.8 GPa, respectively,and the hardness of the strengthening phase is controlled.Through an analysis of tensile fracture,a large number of 收稿日期：2019-09-18 基金项目：十三五国家重点研发计划项目资助课题(2016YFB0301404)
Cu–(Fe–C) 合金中 Fe–C 相的固态转变对其摩擦磨损行 为及机理的影响 任浩岩1,2)，解国良3)，刘新华1,2) 苣 1) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 2) 北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京 100083 3) 北京科技大学 新金属材料国家重点实验室，北京 100083 苣通信作者，E-mail：liuxinhua@ustb.edu.cn 摘 要 采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、纳米力学探针、力学性能测试以及室温摩擦磨损实验研究了 Cu–(Fe–C) 合金的铸态组织、形变态组织、Fe–C 相形貌、力学性能和摩擦磨损行为. 结果表明，Cu–(Fe–C) 合金中弥散分布 着微米级和纳米级的 Fe–C 相，其中微米级的 Fe–C 相在淬火和回火过程中发生了固态转变，这种固态转变与钢中的马氏体 转变和回火转变类似. 合金先在 850 ℃ 淬火，然后在 200、400 和 650 ℃ 回火，Fe–C 相由针状马氏体逐渐向颗粒状回火索氏 体转变，Fe–C 相纳米硬度分别为 9.4、8、4.2 和 3.8 GPa，实现了对强化相硬度的控制. 室温摩擦磨损实验结果表明，随着回火 温度升高，合金的磨损机制逐渐由犁削向黏着磨损和大塑性变形转变，导致合金的耐磨损性能降低. 这一结论可以为通过 Fe–C 相的固态转变的方法调控 Cu–(Fe–C) 合金的摩擦磨损性能提供参考作用. 关键词 Cu–(Fe–C) 合金；马氏体相变；回火转变；犁削；黏着磨损；大塑性变形 分类号 TG146.11 Effect of the solid-state transition of Fe–C phase on the friction and wear behavior and mechanism of Cu–(Fe–C) alloys REN Hao-yan1,2) ，XIE Guo-liang3) ，LIU Xin-hua1,2) 苣 1) Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory for Advanced Materials Processing (MOE), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liuxinhua@ustb.edu.cn ABSTRACT The effect of solid-state phase transformation during heat treatment on the friction and wear properties of Cu–3Fe–0.18C alloy prepared by vacuum melting was studied. The as-cast structure, deformed structure, Fe –C phase morphology, mechanical properties, and the friction and wear behavior of Cu –Fe –C alloy were studied by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), nano-mechanical probe analysis, mechanical properties test, and friction and wear experiments, respectively, at room temperature. The results show that micro- and nano-sized Fe–C phases are dispersed in the Cu–(Fe–C) alloy, and the micron-sized Fe–C phase undergoes solid-state transformation during quenching and tempering, which is similar to the martensite transformation and tempering transformation in steel. After quenched at 850 ℃ and tempering at 200, 400 and 650 ℃, the Fe–C phase gradually transforms from acicular martensite to granular tempered sorbite. The corresponding nano-hardness of the Fe–C phase is 9.4, 8, 4.2 and 3.8 GPa, respectively, and the hardness of the strengthening phase is controlled. Through an analysis of tensile fracture, a large number of 收稿日期: 2019−09−18 基金项目: 十三五国家重点研发计划项目资助课题（2016YFB0301404） 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期：1190−1199，2020 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 9: 1190−1199, September 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.006; http://cje.ustb.edu.cn
任浩岩等：Cu-(Fe-C)合金中Fe-C相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 ·1191 dissociation surfaces appear on the fracture surface of the quenched alloy.The crack source is located at the interface between the Fe-C phase and the matrix.With an increase in the tempering temperature,the dissociation surface of the fracture surface of the tempered alloy gradually decreases until it disappears,and the crack source gradually transfers to the matrix.The evolution of fracture surface indicates that the bonding between Fe-C phase and matrix in the quenched alloys is poor.With the increase of the tempering temperature,the bonding interface between the Fe-C phase and the matrix is improved.The experimental results of friction and wear at room temperature show that with the increase of tempering temperature,the wear mechanism of the alloy gradually changes from ploughing to adhesion wear and severe plastic deformation,which results in a decrease in the alloy wear resistance.This paper can provide a reference for controlling the friction and wear properties of Cu-(Fe-C)alloys by the solid-state transformation of the Fe-C phase martensitic decomposition. KEY WORDS Cu-(Fe-C)alloy;martensitic transformation;tempering transformation;plough;adhesive wear;severe plastic deformation Cu合金具有良好的自润滑、导热和耐腐蚀性 850℃下固溶4h,然后进行热轧，轧至10mm后 能，在摩擦磨损领域受到广泛关注-刃，主要应用于 冷轧轧至6mm,以细化晶粒.在冷轧板上取4个样 铜基刹车片材料及电接触材料-o其中，Cu-Fe 品进行热处理，具体热处理工艺为：淬火(850℃ 合金由于弥散强化，可显著提高材料力学性能，并 保温1h水淬)，淬火+低温回火(850℃保温1h水 且成本低廉而受到青睐.Cu合金的磨损主要是由 淬+200℃保温1h空冷)，淬火+中温回火(850℃ 于摩擦表面产生高温，表面的微峰产生冷焊的焊 保温1h水淬+400℃保温1h空冷)，淬火+高温回 点，造成表面的大塑性变形和黏着磨损.加入一定 火(850℃保温1h水淬+650℃保温1h空冷).对 量的Fe元素可以提高材料抵抗塑性变形的能力， 热处理后的样品进行摩擦磨损实验 减少磨损，但Fe对Cu合金的耐磨性提升有限图 1.2实验方法 目前在Cu-Fe系合金耐磨性研究中，有研究 光学显微镜(OM)在Nikon ECLIPSELV1:5O型 者通过引入硬质的第二相颗粒（如SiO2、SiC)来提 金相显微镜上进行.F-C相形貌观察采用成分为 高合金的耐磨性，但这种材料的制备方法多局限 “1mL浓硝酸+99mL酒精+100mL去离子水”的 于粉末冶金-)，成本较高.为此有研究者尝试了 试剂对试样进行腐蚀处理，组织观察采用成分为 通过熔铸的方法在Cu-Fe合金中加入C元素， “5 g FeCI3+20mL浓盐酸+120mL去离子水”的试 Fe元素可与C元素结合生成硬度较大的Fe-C 剂对试样进行腐蚀处理.摩擦磨损实验在多功能 相，这种方法不仅引入了硬质的第二相还可以降 摩擦磨损试验机PLINT.-TE92上进行，载荷为50 低成本，是一个重要的发展方向.但目前对 N,速度为500rmin.对不同状态的合金和纯铜 Cu-Fe-C合金的研究主要集中在冷变形过程中组 分别对磨30s,1min,2min,5min,采用失重法测 织性能的演变方面，而对于Cu-Fe-C合金在热 磨损率，利用带有能谱仪(EDS)的ZeissAuriga 处理过程中F-C相相变的研究还很少，然而热处 聚焦离子束场发射电子扫描显微镜(SEM)观察 理过程会对Cu-Fe-C合金中Fe-C相产生显著影 Fe-C相形貌、摩擦表面形貌以及摩擦试样纵截 响，是Cu-Fe-C合金制备过程中的关键环节，因 面.利用三维白光干涉表面形貌仪观察摩擦表面 此本文对热处理过程中Cu-Fe-C合金中的Fe-C 形貌.在HXD-1000T显微硬度计上对试样进行 相相变进行了系统的研究，进而实现了对材料耐 硬度测试.采用DSC法测淬火态合金在室温加热 磨性能的调控，这一研究对材料的摩擦磨损性能 至650℃过程中的相变点.采用Nano Indenter 设计和调控具有重要的参考价值 Ⅱ纳米力学探针检测析出相硬度；采用MTS万能 实验机测试材料的力学性能，拉伸试样加工及拉 1实验 伸实验依据GB/T228一2002《金属材料室温拉伸 1.1实验材料 实验》 采用真空熔炼技术制备了Cu-3Fe-0.18C合 2实验结果 金.实验原材料为：纯度为99.97%的电解铜， Fe-6C中间合金.为了研究热处理温度对C-(FeC) 2.1显微组织 合金组织性能的影响，取o80mm×30mm圆片在 C元素在Cu基体里几乎没有固溶度，在Fe里
dissociation surfaces appear on the fracture surface of the quenched alloy. The crack source is located at the interface between the Fe–C phase and the matrix. With an increase in the tempering temperature, the dissociation surface of the fracture surface of the tempered alloy gradually decreases until it disappears, and the crack source gradually transfers to the matrix. The evolution of fracture surface indicates that the bonding between Fe–C phase and matrix in the quenched alloys is poor. With the increase of the tempering temperature, the bonding interface between the Fe–C phase and the matrix is improved. The experimental results of friction and wear at room temperature show that with the increase of tempering temperature, the wear mechanism of the alloy gradually changes from ploughing to adhesion wear and severe plastic deformation, which results in a decrease in the alloy wear resistance. This paper can provide a reference for controlling the friction and wear properties of Cu –(Fe –C) alloys by the solid-state transformation of the Fe-C phase martensitic decomposition. KEY WORDS Cu –(Fe –C) alloy； martensitic transformation； tempering transformation； plough； adhesive wear； severe plastic deformation Cu 合金具有良好的自润滑、导热和耐腐蚀性 能，在摩擦磨损领域受到广泛关注[1−3] ，主要应用于 铜基刹车片材料及电接触材料[4−10] . 其中，Cu–Fe 合金由于弥散强化，可显著提高材料力学性能，并 且成本低廉而受到青睐. Cu 合金的磨损主要是由 于摩擦表面产生高温，表面的微峰产生冷焊的焊 点，造成表面的大塑性变形和黏着磨损. 加入一定 量的 Fe 元素可以提高材料抵抗塑性变形的能力， 减少磨损，但 Fe 对 Cu 合金的耐磨性提升有限[8] . 目前在 Cu–Fe 系合金耐磨性研究中，有研究 者通过引入硬质的第二相颗粒（如 SiO2、SiC）来提 高合金的耐磨性，但这种材料的制备方法多局限 于粉末冶金[11−13] ，成本较高. 为此有研究者尝试了 通过熔铸的方法在 Cu –Fe 合金中加入 C 元素 ， Fe 元素可与 C 元素结合生成硬度较大的 Fe –C 相，这种方法不仅引入了硬质的第二相还可以降 低 成 本 ， 是 一 个 重 要 的 发 展 方 向 . 但 目 前 对 Cu–Fe–C 合金的研究主要集中在冷变形过程中组 织性能的演变方面[12] ，而对于 Cu–Fe–C 合金在热 处理过程中 Fe–C 相相变的研究还很少，然而热处 理过程会对 Cu–Fe–C 合金中 Fe–C 相产生显著影 响 ，是 Cu–Fe–C 合金制备过程中的关键环节，因 此本文对热处理过程中 Cu–Fe–C 合金中的 Fe–C 相相变进行了系统的研究，进而实现了对材料耐 磨性能的调控，这一研究对材料的摩擦磨损性能 设计和调控具有重要的参考价值. 1 实验 1.1 实验材料 采用真空熔炼技术制备了 Cu–3Fe–0.18C 合 金 . 实验原材料为 ：纯度 为 99.97% 的电解铜 ， Fe–6C 中间合金. 为了研究热处理温度对 Cu–(Fe–C) 合金组织性能的影响，取 ϕ80 mm×30 mm 圆片在 850 ℃ 下固溶 4 h，然后进行热轧，轧至 10 mm 后 冷轧轧至 6 mm，以细化晶粒. 在冷轧板上取 4 个样 品进行热处理，具体热处理工艺为：淬火（850 ℃ 保温 1 h 水淬），淬火+低温回火（850 ℃ 保温 1 h 水 淬+200 ℃ 保温 1 h 空冷），淬火+中温回火（850 ℃ 保温 1 h 水淬+400 ℃ 保温 1 h 空冷），淬火+高温回 火（850 ℃ 保温 1 h 水淬+650 ℃ 保温 1 h 空冷）. 对 热处理后的样品进行摩擦磨损实验. 1.2 实验方法 光学显微镜（OM）在 Nikon ECLIPSELV15O 型 金相显微镜上进行. Fe–C 相形貌观察采用成分为 “1 mL 浓硝酸+99 mL 酒精+100 mL 去离子水”的 试剂对试样进行腐蚀处理，组织观察采用成分为 “5 g FeCl3+20 mL 浓盐酸+120 mL 去离子水”的试 剂对试样进行腐蚀处理. 摩擦磨损实验在多功能 摩擦磨损试验机 PLINT–TE92 上进行，载荷为 50 N，速度为 500 r·min−1 . 对不同状态的合金和纯铜 分别对磨 30 s，1 min，2 min，5 min，采用失重法测 磨损率 . 利用带有能谱仪 （ EDS） 的 ZeissAuriga 聚焦离子束场发射电子扫描显微镜（SEM）观察 Fe–C 相形貌、摩擦表面形貌以及摩擦试样纵截 面. 利用三维白光干涉表面形貌仪观察摩擦表面 形貌. 在 HXD–1000T 显微硬度计上对试样进行 硬度测试. 采用 DSC 法测淬火态合金在室温加热 至 650 ℃ 过程中的相变点 . 采 用 Nano Indenter II 纳米力学探针检测析出相硬度；采用 MTS 万能 实验机测试材料的力学性能，拉伸试样加工及拉 伸实验依据 GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸 实验》. 2 实验结果 2.1 显微组织 C 元素在 Cu 基体里几乎没有固溶度，在 Fe 里 任浩岩等： Cu–(Fe–C) 合金中 Fe–C 相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 · 1191 ·
1192 工程科学学报，第42卷，第9期 有较大的固溶度，因此C元素主要存在Fe相中 表1图1(d)中1,2,3点的EDS结果 Cu-(Fe-C)合金铸态组织照片如图I(a)、(b)、 Table 1 EDS results of Points 1,2,3 in Fig.1(d) (d)所示，在Cu基体上弥散分布着微米级和纳米 Point Element Atomic fraction/% Mass fraction/% 级的Fe-C相，由于Fe-C相熔点较高，所以在 73.67 36.13 Cu基体凝固前金属液中就存在Fe-C相颗粒，当 2 14.43 32.90 温度降至金属液熔点以下，基体凝固，这些颗粒在 Cu 11.84 30.72 基体中形成了微米级的Fe-C相.随着温度的进一 17.59 4.17 步降低，Fe元素在Cu基体中的溶解度降低，Fe原 2 名 53.56 59.31 子从基体中析出形成纳米级析出相.为了更清楚 Cu 28.86 36.52 地分析Fe-C相结构，对铸态合金进行了EDS能 10.59 2.45 谱分析（如图1(d)及表1所示）.Fe-C相有一个黑 Fe 80.65 86.82 色圆形核心，直径约2m,通过能谱分析为石墨， Cu 8.76 10.73 在石墨核心周围是片层状结构，直径约6~10m, 通过能谱分析该区域由Fe-C-Cu构成，由于基体 的α相和弥散ε-碳化物组成的回火马氏体，在显微 是铜，能谱中Cu的信号来源于基体，点2处Fe、 镜下呈黑色针状.马氏体在400℃回火时淬火马 C原子比接近3：1.所以该区域中含有类似于渗 氏体完全分解同时发生碳化物的转变，ε碳化物转 碳体（即Fe,C)的合金相，推断该区域可能为珠光 变为0-碳化物（即渗碳体FeC),a相仍然保持针状 体.经过热轧和冷轧后的组织如图I(©)所示，采用 外形，0-碳化物为细粒状分布于α相附近，这种由 截线法统计了铸态组织和冷轧后的晶粒度，铸态 针状α相和细粒状渗碳体组成的机械混合物叫做 组织平均晶粒尺寸为92m,冷轧后组织平均晶粒 回火屈氏体.马氏体在650℃回火时发生渗碳体 尺寸为44m,基本达到了细化晶粒的目的 的聚集长大和α相的回复、再结晶，由等轴的铁素 对合金进行淬火和不同温度的回火处理，其 体颗粒和颗粒状渗碳体组成的机械混合物叫做回 显微组织如图2所示.合金中的Fe-C相经淬火处 火索氏体.图2(b)、(c)、(d)中析出相的形貌特征 理后产生了相变（图2(a)),其内部产生大量取向 与高碳钢中的马氏体回火转变的特征基本一致，为 随机的针状结构，这种相变与高碳钢中的马氏体 了确定合金中的Fe-C相是否发生了相变，对淬火 相变很类似.对淬火态合金分别进行200、400和 态合金进行了DSC分析，测试结果如图3所示.结 650℃回火1h处理，回火后的组织如图2(b)、 果显示，淬火态合金在81.69、232.89和490.23℃ (c)、(d)所示.由文献[14纠可知，高碳钢中的马氏 有明显的吸热和放热峰，而高碳钢的回火转变温 体在200℃回火时发生马氏体分解，形成由低碳 度为80~170℃，250~300℃和450~600℃，因 (b) 200μm 20m (d) 50 um 2 um 图1C-Fe-C合金的铸态组织.(a)低倍光学显微镜照片：(b)高倍光学显微镜照片：(c)品粒细化后的组织：(d)SEM图像 Fig.I As-cast structure of Cu-Fe-C alloy:(a)low power optical microscope photos;(b)high power optical microscope photos;(c)grain refined structure;(d)SEM image
有较大的固溶度，因此 C 元素主要存在 Fe 相中. Cu –(Fe –C) 合金铸态组织照片如图 1（ a） 、 （ b） 、 （d）所示，在 Cu 基体上弥散分布着微米级和纳米 级 的 Fe – C 相 ，由 于 Fe – C 相熔点较高 ，所以 在 Cu 基体凝固前金属液中就存在 Fe–C 相颗粒，当 温度降至金属液熔点以下，基体凝固，这些颗粒在 基体中形成了微米级的 Fe–C 相. 随着温度的进一 步降低，Fe 元素在 Cu 基体中的溶解度降低，Fe 原 子从基体中析出形成纳米级析出相. 为了更清楚 地分析 Fe–C 相结构，对铸态合金进行了 EDS 能 谱分析（如图 1（d）及表 1 所示）. Fe–C 相有一个黑 色圆形核心，直径约 2 μm，通过能谱分析为石墨， 在石墨核心周围是片层状结构，直径约 6～10 μm， 通过能谱分析该区域由 Fe–C–Cu 构成，由于基体 是铜，能谱中 Cu 的信号来源于基体，点 2 处 Fe、 C 原子比接近 3∶1，所以该区域中含有类似于渗 碳体（即 Fe3C）的合金相，推断该区域可能为珠光 体. 经过热轧和冷轧后的组织如图 1（c）所示，采用 截线法统计了铸态组织和冷轧后的晶粒度，铸态 组织平均晶粒尺寸为 92 μm，冷轧后组织平均晶粒 尺寸为 44 μm，基本达到了细化晶粒的目的. 对合金进行淬火和不同温度的回火处理，其 显微组织如图 2 所示. 合金中的 Fe–C 相经淬火处 理后产生了相变（图 2（a）），其内部产生大量取向 随机的针状结构，这种相变与高碳钢中的马氏体 相变很类似. 对淬火态合金分别进行 200、400 和 650 ℃ 回火 1 h 处理 ，回火后的组织如图 2（ b） 、 （c）、（d）所示. 由文献 [14] 可知，高碳钢中的马氏 体在 200 ℃ 回火时发生马氏体分解，形成由低碳 的 α 相和弥散 ε-碳化物组成的回火马氏体，在显微 镜下呈黑色针状. 马氏体在 400 ℃ 回火时淬火马 氏体完全分解同时发生碳化物的转变，ε-碳化物转 变为 θ-碳化物（即渗碳体 Fe3C），α 相仍然保持针状 外形，θ-碳化物为细粒状分布于 α 相附近，这种由 针状 α 相和细粒状渗碳体组成的机械混合物叫做 回火屈氏体. 马氏体在 650 ℃ 回火时发生渗碳体 的聚集长大和 α 相的回复、再结晶，由等轴的铁素 体颗粒和颗粒状渗碳体组成的机械混合物叫做回 火索氏体. 图 2（b）、（c）、（d）中析出相的形貌特征 与高碳钢中的马氏体回火转变的特征基本一致，为 了确定合金中的 Fe–C 相是否发生了相变，对淬火 态合金进行了 DSC 分析，测试结果如图 3 所示. 结 果显示，淬火态合金在 81.69、232.89 和 490.23 ℃ 有明显的吸热和放热峰，而高碳钢的回火转变温 度为 80～170 ℃ ， 250～300 ℃ 和 450～600 ℃，因 表 1 图 1（d）中 1,2,3 点的 EDS 结果 Table 1 EDS results of Points 1,2,3 in Fig. 1(d) Point Element Atomic fraction/% Mass fraction/% 1 C 73.67 36.13 Fe 14.43 32.90 Cu 11.84 30.72 2 C 17.59 4.17 Fe 53.56 59.31 Cu 28.86 36.52 3 C 10.59 2.45 Fe 80.65 86.82 Cu 8.76 10.73 3 2 1 (a) (b) (c) (d) 200 μm 50 μm 2 μm 20 μm 图 1 Cu–Fe–C 合金的铸态组织. （a）低倍光学显微镜照片；（b）高倍光学显微镜照片；（c）晶粒细化后的组织；（d）SEM 图像 Fig.1 As-cast structure of Cu –Fe –C alloy: (a) low power optical microscope photos; (b) high power optical microscope photos; (c) grain refined structure; (d) SEM image · 1192 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期
任浩岩等：Cu-(Fe-C)合金中Fe-C相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 ·1193 a (b) 5 um 2μm (c) (d) 24m 2μm 图2Cu-Fe-C)合金热处理后的SEM像.(a)淬火态：(b)200℃回火态：(c)400℃回火态：(d)650℃回火态 Fig.2 SEM image of Cu-(Fe-C)alloy after heat treatment:(a)quenched:(b)tempered at 200C:(c)tempered at 400C:(d)tempered at 650C 0.22 生，同时产生淬火应力，这就导致Fe-C相与Cu基 DSC n020 232.9℃ 490.2℃ 体的界面结合强度降低.合金在200℃回火时，淬 火产生的应力得到释放，导致强度和硬度下降.随 着回火温度升高，Fe-C相与基体间的结合强度提 高，同时部分Fe原子析出产生析出强化，在550~ 0.16 600℃强度和硬度达到峰值，随后在650℃下回 火时，由于纳米级析出相的回溶导致基体强度和 81.69℃ 硬度下降，因此合金的力学性能略有下降 0.12 0 100 200300400500 600 88 330 Temperature/℃ 6 --Hardness 84 Tensile strength 320 图3淬火态C-Fe-C)合金DSC测试结果 8 Fig.3 DSC test result of quenched Cu-(Fe-C)alloy 78 Quenched 310 此可以确定Cu-(Fe-C)合金中的Fe-C相发生了 300 72 与高碳钢类似的固态转变. 2.2力学性能 66 利用显微硬度仪和室温拉伸试验机测淬火和 64 280 不同温度回火的Cu-(Fe-C)合金的硬度和强度， 60 270 100200300400500600700 其结果如图4所示.合金的力学性能测试结果表 Temperature/℃ 明，Fe-C相回火过程中发生的固态转变，对材料 图4不同回火温度下Cu-FeC合金的抗拉强度和硬度 的力学性能可能产生影响.从图中可以看出淬火 Fig.4 Tensile strength and hardness of Cu-Fe-C alloy at different 态强度和硬度为279MPa和74HV,经200℃回 tempering temperatures 火1h后强度和硬度有所下降.随着回火温度的提 虽然不同温度的回火处理对合金的力学性能 高，合金的强度和硬度有所上升，600℃回火的强 有影响，但强度和硬度的变化幅度都不大，强度和 度和硬度值最大，回火温度升到650℃时，强度和 硬度的提升分别为28MPa和15.3HV,因此有必 硬度略有降低，随着回火温度升高，Fε-C相的硬 要对析出相进行更微观的力学性能测试 度降低，F-C相与铜基体界面结合强度升高，另 采用纳米力学探针检测Fe-C相的硬度如图5 外Fe元素在Cu基体中的溶解度降低导致部分 所示，揭示了不同状态Cu-(Fe-C)合金中Fe-C相 Fe原子析出，合金的强度和硬度是这三方面因素 纳米硬度变化规律.可以看出，铸态下Fe-C相的 综合作用的结果.合金淬火后Fe-C相发生马氏体 硬度为2.9GPa,淬火后硬度上升到9.4GPa,200℃ 相变，马氏体相变是无扩散型相变，通过切变产 回火后的纳米硬度为7.8GPa,400℃回火后纳米
此可以确定 Cu–(Fe–C) 合金中的 Fe–C 相发生了 与高碳钢类似的固态转变. 2.2 力学性能 利用显微硬度仪和室温拉伸试验机测淬火和 不同温度回火的 Cu–(Fe–C) 合金的硬度和强度， 其结果如图 4 所示. 合金的力学性能测试结果表 明，Fe–C 相回火过程中发生的固态转变，对材料 的力学性能可能产生影响. 从图中可以看出淬火 态强度和硬度为 279 MPa 和 74 HV，经 200 ℃ 回 火 1 h 后强度和硬度有所下降. 随着回火温度的提 高，合金的强度和硬度有所上升，600 ℃ 回火的强 度和硬度值最大，回火温度升到 650 ℃ 时，强度和 硬度略有降低，随着回火温度升高，Fe–C 相的硬 度降低，Fe–C 相与铜基体界面结合强度升高，另 外 Fe 元素在 Cu 基体中的溶解度降低导致部分 Fe 原子析出，合金的强度和硬度是这三方面因素 综合作用的结果. 合金淬火后 Fe–C 相发生马氏体 相变，马氏体相变是无扩散型相变，通过切变产 生，同时产生淬火应力，这就导致 Fe–C 相与 Cu 基 体的界面结合强度降低. 合金在 200 ℃ 回火时，淬 火产生的应力得到释放，导致强度和硬度下降. 随 着回火温度升高，Fe–C 相与基体间的结合强度提 高，同时部分 Fe 原子析出产生析出强化，在 550～ 600 ℃ 强度和硬度达到峰值，随后在 650 ℃ 下回 火时，由于纳米级析出相的回溶导致基体强度和 硬度下降，因此合金的力学性能略有下降. 虽然不同温度的回火处理对合金的力学性能 有影响，但强度和硬度的变化幅度都不大，强度和 硬度的提升分别为 28 MPa 和 15.3 HV，因此有必 要对析出相进行更微观的力学性能测试. 采用纳米力学探针检测 Fe–C 相的硬度如图 5 所示，揭示了不同状态 Cu–(Fe–C) 合金中 Fe–C 相 纳米硬度变化规律. 可以看出，铸态下 Fe–C 相的 硬度为 2.9 GPa，淬火后硬度上升到 9.4 GPa，200 ℃ 回火后的纳米硬度为 7.8 GPa，400 ℃ 回火后纳米 (a) (b) (c) (d) 5 μm 2 μm 2 μm 2 μm 图 2 Cu–(Fe–C) 合金热处理后的 SEM 像. （a）淬火态；（b） 200 ℃ 回火态；（c） 400 ℃ 回火态；（d） 650 ℃ 回火态 Fig.2 SEM image of Cu–(Fe–C) alloy after heat treatment：(a) quenched；(b) tempered at 200 ℃；(c) tempered at 400 ℃；(d) tempered at 650 ℃ 0.22 0.20 0.18 Nurmalized heat flow/(W·g–1 ) 0.16 0.14 0.12 0 100 200 300 Temperature/℃ 81.69 ℃ 232.9 ℃ 490.2 ℃ 400 500 600 DSC 图 3 淬火态 Cu–(Fe–C) 合金 DSC 测试结果 Fig.3 DSC test result of quenched Cu–(Fe–C) alloy 88 330 320 Tensile strength/MPa 310 300 290 280 270 86 84 82 80 78 76 74 72 70 Hardness (HV) 66 68 64 62 60 100 200 300 400 500 600 700 Temperature/℃ Quenched Hardness Tensile strength 图 4 不同回火温度下 Cu–Fe–C 合金的抗拉强度和硬度 Fig.4 Tensile strength and hardness of Cu –Fe –C alloy at different tempering temperatures 任浩岩等： Cu–(Fe–C) 合金中 Fe–C 相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响 · 1193 ·