摘 要：研究了含硅量为1.5%（质量分数）的高硅马氏体型热作模具钢（SDH 3）的内耗谱与显微结构之间的关系。实验用SDH 3钢采用1060℃保温30min油冷淬火和不同回火工艺处理。实验结果表明：SDH 3钢的TDIF谱线主要是Snoek峰和SKK峰这两种机制的内耗峰；随着回火温度的升高，内耗峰峰高均逐渐降低，并且峰位也发生改变；当回火温度达到 650℃时，内耗峰完全消失而只剩下背景内耗；随着回火保温时间的延长，内耗峰峰高和峰位都发生变化，并从扩散控制再分配机理的角度对这些变化进行了分析讨论。
马氏体钢的回火转变是一个复杂的过程，包括碳偏聚、碳化物沉淀、残余奥氏体分解及马氏体结构的回复和再结晶。因为这几个过程相互叠加并发生在十分微小的温度范围内，所以对回火转变过程的研究变得很困难，直到1956 年透射电子显微镜（TEM）出现以后，对回火马氏体结构的认识才相对完整。但是，回火的每一个过程都受合金元素的影响，所以合金钢，如含有C r、M o、Si和V 合金元素的马氏体型热作模具钢，由于合金元素的影响，回火转变过程变得更加复杂。回火转变过程中一个最显著的特征是C 原子的微扩散行为，包括C 原子向点阵缺陷偏聚，与C r、Mo和V 等合金元素结合成碳化物沉淀等。借助TEM 可以清楚地观察到不同回火处理后的马氏体结构特征的变化以及合金碳化物的形态变化，但是我们并不能直接地研究这个动态过程，尤其是回火过程中碳和合金元素的行为。
本文采用内耗谱法研究了一种新型马氏体热作模具钢(SDH3)的回火过程。在探究材料各种结构改变的过程中，内耗谱测量是一种非常有用而独特的实验方法，它不但可以研究单个原子在金属与合金中的扩散或晶体点阵结构中的运动，而且还能探究晶体结构的特点和缺陷的情形。钢中马氏体在低温回火转变过程中会引起内耗变化，根据内耗（IF）随温度的变化谱线（TDIF）分析了回火过程中C 原子的扩散行为，并对内耗峰进行了定性分析。这对于高温回火中引起材料内部结构和原子状态的变化是有现实意义的。
1 实验材料和方法
1.1 内耗谱数据处理方法
弛豫型内耗谱符合Debye模型，随着温度的变化，TD IF可具体表示为
式中，kB为Boltzmann常量，J·K-1;Q- 1max为内耗峰值，量纲为1;Tm为内耗峰所对应的温度，K;β为弛豫时间Gaussian分布的参数，量纲为1;r2 ( β) 为TD IF内耗峰相对宽度，量纲为1;H 为扩散激活能，eV。
扩散激活能H 值的计算可以用Marx-Wert方程：
式中，R 为摩尔气体常量，8。314472 J·K-1·mol-1；h为Planck常量，6。626×10- 34 J·s;fm为内耗峰值对应的频率，Hz；弛豫熵ΔS = 1。1×10-4eV·K-1。
内耗峰的位置取决于产生内耗峰过程的弛豫时间，当内耗峰达到它的峰值时，有
式中，f 为振动频率，由式( 3)可以求出在峰值温度时的弛豫时间，弛豫时间τ与峰值温度T 的关系式为
式中，τ0为包含激活熵在内的函数。
１.２ 实验材料及实验设备
实验用热作模具钢（SDH3钢）采用电渣重熔冶炼，材料的化学成分如表1所示。取其退火锭用电火花线切割机加工后，经磨床精磨获得试样，样尺寸为 1mm×10mm×50mm，而后经WZC- 45 真空淬火炉在1060℃保温15min后油淬，部分淬火态试样还要经过回火热处理。回火工艺为：分别在250℃、500℃和650℃保温2 h后空冷至室温；在500℃分别保温2 h、4 h和6 h后空冷至室温。 将经过不同热处理工艺的内耗试样分别编号(表2)。采用自由衰减法测量各试样的TDIF谱线。
2 实验结果与分析
SDH3钢试样内耗谱(TD IF)测试结果如图1所示。对TD IF谱线进行分峰处理及相关物理参数计算，分峰结果如图2所示，对应的物理参数如表3所示。从图2的分峰结果可以看出，实验所测的TDIF谱线分解为背景内耗、S1峰、S2峰和SKK峰。其中，S1峰和S2峰是Snoek弛豫机制的内耗峰，与葛庭燧和马应良发现的结果基本吻合。从激活能(H )的角度考虑，纯α- Fe中Snoek峰的激活能为0。83~ 0。87 eV，这与本实验所测的S1 峰的激活能基本相符( 0。76~ 0。89 eV，表3) 。因此，S1峰是间隙C原子和空位在α- Fe晶体点阵中的Snoek弛豫峰。
SDH3钢中Si、Mn等原子部分替代α- Fe晶体点阵中的Fe原子，使得C 原子和空位与Fe原子的交互作用，部分地变成C 原子和空位与S i、Mn 等原子的作用，从而在内耗测量中出现S2峰，因此S2峰也是Snoek 性质的内耗峰。 C 原子在α- Fe- Si(Mn)中的扩散和相应的内耗计算应用Monte Carlo模型，采用Khachaturyan处理方法。由本实验所测算的S1峰和S2峰对应的H S1和H S2值(表3)可以近似计算出1~ 5号内耗试样对应的碳原子及空位在两种点阵中扩散能差值| ΔE |分别为0.18 eV、0.13 eV、0.18 eV、0.18 eV和0.25 eV。
300~350产生的SKK 峰是SDH3钢中间隙C原子和空位与位错的交互作用产生的内耗峰。这个内耗峰与纯α- Fe中的SKK峰不完全相同，主要是由于合金元素固溶于α- Fe基体中，使α- Fe点阵结构改变，从而导致所测的SKK 峰向高温移动。SKK峰随回火温度的升高，弛豫强度逐渐降低，即内耗峰值减小。偏聚在位错处的间隙C 原子与合金元素结合，以碳化物的形式析出长大，使Cottrell气团的钉扎作用减弱或脱钉。另外，偏聚在位错处的空位随温度的升高而逐渐消失也会导致内耗峰的减小。间隙C 原子、空位和位错在回火过程中的变化，必然会引起SKK 峰弛豫强度的降低和弛豫时间的增加。
3 讨论
３.１ 回火温度对内耗峰的影响
由图3 可以看出，S1 峰，即C 在α- Fe 中的Snoek峰，随着回火温度的升高而逐渐降低，从淬火态的最大值到650℃回火后内耗峰完全消失，但峰位基本不变。随着回火温度的升高，内应力不断被松弛，而且C 原子逐渐沉淀析出，以及空位的消失，使内耗峰降低，直至完全消失。S2峰，即C 在α- Fe- S i中的Snoek内耗峰，也是随着回火温度的升高而逐渐降低，650℃回火后内耗峰完全消失。与S1峰不同的是，S2 峰的峰位随着回火温度的改变而改变，500℃回火后，S2 峰比淬火态和250℃回火后内耗峰位约高50℃。前期研究表明，SDH3钢的二次硬化峰温度为500℃，SDH3 钢淬火后在250℃回火时只发生内应力的松弛，C 原子没有沉淀析出，因此250℃回火后，S2 峰高度降低，而其对应的温度基本不变。在500℃回火时，大量的C 原子从α- Fe中沉淀析出，与C r、Mo 和V 等强碳化物形成元素结合生成碳化物，并逐渐长大，使得S2峰高度降低；在碳化物析出长大过程中，伴随着S i原子从碳化物中析出并固溶于碳化物周围的α- Fe 中，Si原子进一步取代α- Fe 晶格点阵中的Fe原子，使α- Fe晶格点阵常数继续减小，这样C 原子在固溶有S i原子的α- Fe中的扩散就更困难，使C 原子扩散激活能H 增加( 增加约0。08 eV，见表3)，相应的S2 峰向高温移动( 约50℃，见表3)。
对于SKK 峰，从图3可以看出: 相对于SDH 3钢淬火态，250℃回火后，SKK 峰几乎不变；而500℃回火后，SKK峰高度显著降低和变宽，并且向高温移动。 当500℃回火时，C原子大量以碳化物形式析出，以及空位浓度降低，都会使C 原子和空位对位错的拖拽作用减弱，因此SKK峰高度降低。500℃回火试样的SKK 峰变宽，并向高温移动，可能与位错线变长及位错移动过程中的变形与交割作用有关。
为了进一步验证上述实验结果，在透射电子显微镜下观察了相应热处理的显微组织，如图4所示。图4( a)是SDH3钢淬火态，可以看到马氏体板条内大量的位错。 随着回火温度的升高，位错密度不断降低，并且发生马氏体的回复与再结晶，在650℃回火时，位错和马氏体板条特征基本消失，出现等轴晶，如图4( d)所示。 显微组织观察结果与前面的内耗结果是一致的。
３.２ 回火保温时间对内耗峰的影响
图5 是SDH 3钢淬火后在500℃分别保温2 h、4 h和6 h回火处理后所测得的内耗曲线对应的各内耗峰。 对于S1峰和S2峰，随着保温时间增加,内耗峰先升高后降低，峰位也是先向高温移动，后向低温移动。 Snoek 峰值的变化可能与溶质原子(包括置换溶质原子和间隙溶质原子)在晶界的偏聚有关，随着保温时间的延长，一方面置换溶质原子在晶界偏聚，使Snoek峰升高，另一方面间隙溶质原子(对于SDH 3钢来说主要是C 原子)也大量在晶界偏聚，而使Snoek峰降低，其总的结果就是内耗峰先升高后降低。 Snoek峰位的变化可能与置换溶质原子在晶界的偏聚和弛豫有关。SKK峰随着保温时间的延长而降低，并向低温移动。 随着保温时间的延长，越来越多的C 原子以碳化物的形式从α- Fe中脱溶析出，与位错交互作用的C原子越来越少，位错更容易移动或者脱离C原子的钉扎作用，因此SKK 峰向低温移动，并且峰值降低。
4 结论
（1）SDH3 钢淬火态和淬回火态TD IF 谱线主要是Snoek峰和SKK 峰这两种机制的内耗峰
（2）弱碳化物形成元素Si、Mn的加入，替代了α- Fe晶格点阵中的部分Fe原子，使Snoek机制内耗峰分解为S1、S2两个峰，其中S1峰是间隙C原子和空位在纯α- Fe中的Snoek峰，而S2峰是间隙C原子和空位在部分Fe原子被Si、Mn替代的α- Fe晶格点阵中的Snoek峰。
（3）Si、Mn的加入使得C原子和空位扩散激活能增加，并使内耗峰向高温移动，也即增加了钢的回火稳定性和高温性能。 650℃时回火内耗峰完全消失，而只剩下背景内耗，因此表面SDH3钢的使用温度不宜超过650 ℃。
（4）随着回火温度的升高，S1峰、S2峰和SKK峰均逐渐降低，并且峰位也发生改变，这与SDH3钢的回火转变有关。随着回火保温时间的延长，S1峰、 S2峰都是先升高后降低，峰位也是先向高温移动、后向低温移动；而SKK 峰随着保温时间的延长而降低，并向低温移动。