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 ·