中碳合金高强钢中回火马氏体能够提供很好的强度和韧性匹配,而马氏体钢低温回火过程中析出的过渡碳化物在提升钢的强度和韧性上起着很大的作用。关于低温回火的研究很多,但是低温回火过程中碳偏聚阶段(从马氏体中碳的扩散到碳化物的析出阶段)特别是马氏体中碳固溶度的变化仍未研究清楚。本课题重点阐述了一种新的研究方法——热电功(Thermoelectric Power,简称TEP),结合金相(Optical Microscope,简称OM)和透射电镜(Transmission Electron Microscopy,简称TEM)对微观组织的观察、X射线衍射分析(X-Ray Diffraction,简称XRD)对残余奥氏体体积分数的测量、三维原子探针(Three Dimensional Atom Probe,简称3DAP)对回火试样碳原子分布的表征以及维氏硬度力学性能测试的结果,研究了中碳合金钢的低温回火过程,探讨了低温回火过程中马氏体中碳的固溶度变化、碳扩散过程以及性能的变化。除此之外,还利用TEP对中碳高强钢的回火热处理工艺进行了优化预测,结合冲击韧性和组织观察实验,讨论了利用上述表征方法优化中碳高强钢回火工艺的可行性。主要内容和研究成果如下:1.中碳钢低温回火过程分析选取成分为0.462C-1.319Si-1.706Mn-1.097Ni-0.354Mo(wt.%)的中碳合金钢分别在110℃、140℃和170℃进行不同时间的低温回火,实验表明,TEP演变曲线能够区分低温回火的各个阶段,如碳向马氏体中位错处的偏聚、碳的团聚长大和过渡碳化物析出;根据TEP值的变化以及XRD得到的原始淬火马氏体中碳固溶度(0.33wt.%),定量计算了低温回火过程中每一温度和每一时刻对应的马氏体中固溶的碳原子的浓度。研究发现,低温回火后,马氏体中固溶碳含量从0.33wt.%下降到0.18wt.%;回火温度和时间影响马氏体中碳扩散的速率,温度较低时,碳原子能量较低,倾向于在位错附近偏聚;温度升高至170℃时,碳原子获得的能量增高,能够在回火很短的时间内在马氏体界面或晶界处偏聚;低温回火过程得到的TEP曲线与HV曲线之间存在一定的联系,根据TEP曲线计算得到的马氏体中固溶碳的含量可以解释不同回火温度得到的硬度值存在差异的现象。2.优化高强钢的回火工艺选取成分为0.35C-0.28Si-1.39Mn-0.96Ni(wt.%)的中碳合金钢,在100℃到300℃低温回火阶段,预测最优热处理工艺为回火温度210℃,回火时间2小时。与其他回火温度处理的试样相比对比,其低温冲击韧性可达9.33J。说明TEP能够能有效表征高强钢的低温回火过程,为热处理原理和工艺提供实验依据。总之,热电功实验方法能够有效表征中碳合金钢的低温回火过程,其分析结果可对马氏体回火工艺进行有效优化。