铁素体氮碳共渗(低于592℃)是一种向工件表面渗入氮、碳原子来强化材料表面的化学热处理工艺,该工艺能显著地提高工件表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性等等,因此在工业上有非常广泛的应用。钢的氮碳共渗层微观组织一般由化合物层和扩散层组成,有时也会在化合物层和扩散层形成一层过渡层。在常规的钢的氮碳共渗工艺中,由ε-Fe2-3(C,N)、γ’-Fe4(C,N)组成的化合物层优先在钢的表面形成,并赋予表面高硬度和耐磨性。但是化合物层的厚度有限且本身硬而脆,甚至可能含有大量的空洞等,这往往会降低钢的疲劳性能,因此在许多情况下要避免化合物层的形成。迄今为止,人们对化合物层的形成机制还存在一些争议,并且对化合物层后续强化热处理尚缺乏深入研究。本论文采用可控离子氮碳共渗工艺(温度为560-580℃)在08F钢的表面形成一层介于化合物层、扩散层之间的过渡层来探讨氮碳共渗化合物层的相变机理,并对含有化合物层的离子氮碳共渗08F钢试样进行后续强化研究。本文利用金相显微镜、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子探针、透射电子显微镜等先进表征手段,并结合第一性原理计算,系统研究了 08F钢氮碳共渗层及其后续强化层的微观组织,揭示了 08F钢在氮碳共渗及后续热处理等各个阶段的相变机理。同时,采用显微硬度计和纳米力学测试仪研究了不同制备工艺下的各个强化层的力学性能,得到如下结论:(1)通过控制氮碳共渗气氛的成分成功实现了在化合物层与扩散层之间形成一个可控的过渡层,该过渡层不仅能显著地提高材料的表面硬度和韧性,而且还能提供氮碳共渗化合物层相变过程不同阶段的微观组织,为揭示其相变机制探讨提供了实验依据。(2)过渡层中微观组织特征提供了如下相变信息:(ⅰ)在过渡层中观察到珠光体团,说明在氮碳共渗过程中经历了奥氏体(γ-N/C)阶段;(ⅱ)在珠光体团周围观察到了等轴块状的γ’晶粒,且γ’晶粒中存在大量的孪晶,说明γ’晶粒是在氮碳共渗过程中从γ-N/C相中析出的先共析γ’相;(ⅲ)在γ’层中存在三重孪晶,由于γ’相与ε相存在固有的晶体学位向关系,即:{111}γ’//{0001}ε,因此γ’层中的三重孪晶说明γ’不可能来自ε相的分解;(ⅳ)在γ’相孪晶界面上观察到片条状的ε相,说明在氮碳共渗温度下,ε相能在γ’晶粒内部形核和生长。(3)第一原理计算得出,相同C:N原子比的ε-Fe3CxN1-x氮化物形成焓总是低于γ’-Fe4CxN1-x氮化物形成焓,因此在氮碳共渗过程中能自发进行γ’+N/C→ε相变。(4)揭示了氮碳共渗化合物层相变序列应该为:α-Fe + N/C → γ-N/C + N/C→γ’+N/C → ε,该相变序列不仅能很好地解释化合物层和过渡层的形成,而且还能解释扩散层中晶界析出相的形成,因此本文纠正了以往认同的氮碳共渗化合物层的相变序列(即:α-Fe + N/C →ε→γ’)。(5)将含有化合物层的离子氮碳共渗08F钢在700℃C盐浴炉中进行不同时间等温奥氏体化处理,成功制备了一定厚度的低碳富氮的Fe-C-N奥氏体层,该奥氏体层具有很好的热稳定性,在水冷过程中能保留下来。(6)氮碳共渗化合物层在700℃奥氏体化过程中分解过程可描述为:ε + γ’→γ’ + γ-N/C→γ-N/C,分解过程中释放出的活性N、C原子使毗邻的α-Fe相转变成γ-N(C)相,从而使表层的奥氏体层厚度增加。氮碳共渗化合物层的奥氏体化过程为扩散型相变,因此需要足够长的时间完成奥氏体化转变,本文所研究的氮碳共渗化合物层的完全奥氏体时间是5h。(7)Fe-C-N奥氏体在225℃等温14h时效过程中分解为超细贝氏体组织,其分解方程为:γ-N/C →γ’+ α-Fe。这种超细贝氏体层硬度高达1200HV0.245N且具有优良的韧性。超细贝氏体的微观组织和性能受奥氏体化保温时间的影响:在未完全奥氏体化阶段,贝氏体层厚度和试样表面硬度随奥氏体化保温时间的延长而增加;当奥氏体保温时间达到5h时,原化合物层完全转变称均匀的Fe-C-N奥氏体组织,其回火试样的贝氏体强化层厚度和表面硬度均达到峰值;当奥氏体保温时间超过5h后,其时效样品表面硬度随奥氏体化时间的延长而降低,而强化层厚度几乎保持不变。(8)氮碳共渗试样在后续的贝氏体相变强化过程中,其扩散层的晶界区域也发生超细贝氏体相变,且贝氏体区域连接起来形成强化网。(9)Fe-C-N奥氏体在225℃C等温过程中的贝氏体相变机制为:首先,Fe-C-N奥氏体通过调幅分解,形成贫N、C区和富N、C区;其次,富N、C奥氏体中N、C原子达到一定浓度时,将通过N、C原子的有序化转变成pre-γ’相,随后转变成γ’相;最后,贫N、C奥氏体以切变机制转变成含N、C原子过饱和α-Fe相,并在随后的时效过程中发生N、C原子脱溶,析出高密度的α"相。由于氮、碳原子在晶界等缺陷处的扩散速度与晶粒内部不同,这导致同一贝氏体区域出现无定型的下贝氏体和具有羽毛特征的上贝氏体。无论是上贝氏体组织,还是下贝氏体组织,γ’相总是贝氏体相变领先相,且γ’相和原γ相保持立方-立方型位向关系。