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1.1引言
超高碳钢（UltraHighCarbonSteel,英文简称UHCS）是含碳量为1.0～2.1%(wt.下同)的铁基合金材料。超高碳钢经组织控制技术处理后，具有的优异室温力学性能和中温超塑性，以及极高的硬度和良好的压缩塑性，使得超高碳钢在工模具、耐磨件等众多领域具有潜在的应用前景。研究表明，通过成分设计、工艺控制可获得强度与韧性俱佳的马贝复相组织。
1.2超高碳钢简介
早在1891年，美国冶金学家HMHowe研究认为：随着碳含量的增加，钢的塑性会下降，碳含量在(w)1.0%~1.7%的钢在拉伸试验时的伸长率只有2%~3%，其主要是过共析钢中随着碳含量的增加脆性的先共析网状增多增厚的缘故[1]。这一观点被许多许多学者所接受，超高碳钢被认为是碳钢中的无人区[3,4]。过去一般称此类钢作过共析钢，碳含量一般大于0.77%，而是否生成过共析组织并不能完全取决于碳含量，故后将碳含量为1.0~2.1%的钢铁材料称为超高碳钢[2]。传统的观点认为，高碳钢可以获得高的硬度，适于用作对韧性要求不高的工具钢，同时因其脆性大而不能用于结构材料。直到ODSherby等人首先采用形变热处理的手段，改变了碳化物的分布形态，使超高碳钢的组织得到充分细化，从而使超高碳钢呈现出独特的力学性能特征。O.D.sherby教授等所制备的超细晶超高碳钢，不仅在中、高温下具有高变形速率的超塑性特性，还在室温下具有优良的强度和塑性等力学性能，并且在采用适当的热处理工艺后，还可使其硬度提高至HRC65~68以上，这为超高碳钢在工业上的应用提供了可行性。
1.3合金元素的作用
目前，研究最广泛的是含Al或含Si(同时含有1.5%的Cr)的超高碳钢的超塑性。首先,Al、Si元素可提高A1的转变温度。一般来说,超高碳钢具有超塑性的最高温度为A1转变温度(对于普通碳钢为727℃),高于该温度,将生成奥氏体组织,大部分碳化物溶解,使奥氏体晶粒长大,从而抑制了超塑的进行。Al和Si元素的加入可稳定铁素体组织,提高相变转变温度。例如,加入4%的Si可使A1温度提高到850℃,加入10%的Al可使A1温度提高到950℃[2],从而扩大了超塑变形的温度范围,减小变形抗力,有利于实现工业化。其次,Al、Si元素阻止了Fe3C粗化,提高了铁素体中碳的活度。再次,这些合金元素的加入,有利于生成复杂的碳化物,增加了先共析碳化物的数量,有效阻止晶粒长大，有利于超塑性变形。
Al、Si可极大的提高拉伸应变速率，提高拉伸温度，防止变形由晶界滑移(超塑行为)向滑移蠕变(非超塑行为)转变[5]。最初是在超高碳钢中加入元素镍和钒，用来细化奥氏体晶粒[6]。但是，却发现这两种元素降低了碳化物的稳定性，因而又加入元素铬来改善这一情况[7]。现在超高碳钢成分设计的原则是[8]：①抑制网状碳化物的形成；②提高共析转变温度，改善超塑性的应用温度范围；③抑制石墨化倾向，稳定碳化物；④保持低合金超高碳钢原料价格低廉的特点。应用比较多的是在超高碳钢中主要添加的合金元素：硅、铝、铬、钼、钛等。合金元素对超高碳钢的超塑性具有重要的影响[9,10]，首先表现在对铁-碳相图的影响。如硅的加入，共晶点和共析点都左移，而共晶和共析温度升高，使转变温度成为一个温度区间,扩大并稳定了两相区的温度范围，这对于超塑性变形是有利的。
图1超高碳钢成分以及变形速率为1.6410-4s-1时具有超塑性的铁-碳合金范围Fig.1Fe-Cphasediagramshowingtheregionwheresuperplasticitycanbeobservedatarateof1.6410-4s-1
由图1[11]可见，所有成分的超高碳钢在A1温度附近均具有超塑性。原因在于随着碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大，通过适当工艺处理进一步细化晶粒，这种细小弥散分布的第二相质点可以有效阻碍超塑变形过程中基体组织的长大，故超高碳钢的超塑性属于细晶结构超塑性。
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