基于马氏体诱导石墨化的高强度自润滑耐磨钢设计与性能调控

针对传动部件材料强度与自润滑性能难以兼顾的难题，研究人员通过马氏体相变诱导石墨形核与亚稳相区热处理协同调控，开发出兼具850 MPa级高强度、优异塑性（延伸率提升62%）和低摩擦系数（降低7%）的Fe-0.9C-2.0Si钢。该研究首创"预生马氏体-石墨共稳定化"工艺，为高性能耐磨材料设计提供新范式。

　　

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论文解读

传动部件如同机械系统的"关节"，其性能直接决定设备寿命。当前轴承、齿轮等关键部件普遍采用锻钢制造，虽具有400-600 MPa的高强度，但在边界润滑条件下仍面临粘着磨损、磨粒划伤等问题。有趣的是，球墨铸铁因含有石墨润滑相可缓解磨损，但其强度仅相当于锻钢的1/3。这种"高强度与自润滑不可兼得"的矛盾，成为制约装备性能提升的"阿喀琉斯之踵"。

东北大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究，犹如打开了一扇新的大门。他们巧妙利用马氏体相变产生的超高缺陷密度（>10¹⁵
m^-2
），将Fe-0.9C-2.0Si钢的石墨化时间从传统珠光体钢的16小时缩短至3小时，同时通过亚稳相区（650°C）精准控温实现石墨-马氏体共稳定化。这种"借力打力"的策略，使材料在850°C淬火+500°C回火后，强度提升62%的同时摩擦系数降低7%，相当于让钢铁"既练就钢筋铁骨，又自带润滑油脂"。

关键技术方法
研究采用热锻高碳钢（8×8×5 mm³
）为原料，通过950°C奥氏体化+油淬获得初始马氏体。关键创新在于：① 利用马氏体相变储能驱动石墨形核；② 在亚稳相区（650°C）进行1-3小时等温处理控制渗碳体（Fe₃
C）分解动力学；③ 结合850°C二次淬火+300-500°C分级回火重构基体。通过SEM/EBSD表征石墨分布，UMT-3摩擦磨损试验机评估性能。

研究结果

1. 石墨化钢的微观结构演变
   SEM显示：650°C处理30分钟时渗碳体球化；1小时后出现碳团簇；2小时形成50-200 nm石墨颗粒；3小时完成完全石墨化。EBSD证实马氏体界面处的位错管道（dislocation pipe）是石墨优先生长的"高速公路"。

2. 钢的石墨化机制
   相比珠光体钢，马氏体的加速效应源于：① 相变应力场使碳扩散激活能降低47%；② 板条界面的纳米级碳偏聚区（C-rich zone）作为形核位点；③ 亚稳渗碳体在650°C发生歧化反应：Fe₃
   C → 3Fe + C_graphite
   。

3. 力学与摩擦学性能
   完全石墨化样品（650°C/3h）经500°C回火后：

• 抗拉强度达852 MPa，延伸率18.7%
• 摩擦系数0.21，比未完全石墨化样品低7%
• 磨损率降低34%，归因于石墨的"自修复"效应

结论与意义
该研究突破传统思维定式，创建了"相变诱导-缺陷催化-亚稳调控"的石墨化新路径：

1. 马氏体界面位错将石墨形核能垒降低至56 kJ/mol，使形核率提升3个数量级；
2. 500°C回火通过ε-碳化物（ε-carbide）析出平衡强度-塑性，其层间距（~5 nm）可调控石墨缓释速率；
3. 建立的"缺陷密度-石墨形核率-摩擦系数"定量模型（R²
   =0.93），为设计含第二相的高强材料提供普适方法。

这项研究不仅解决了传动部件"润滑依赖外部油膜"的痛点，更开创了"材料自润滑智能响应"的新方向。其工艺路线已应用于风电轴承的试制，预计可使极端工况下的维护周期延长3倍。这种"师法自然"的材料设计哲学，为发展下一代智能耐磨材料提供了教科书级的范例。