錳鋁鋼中鋁含量對於共存的M3C及M23C6波來體組織的影響研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

錳鋁鋼中鋁含量對於共存的 M3C 及 M23C6 波來體組織的影 響研究

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-011-055-

執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系

計 畫 主 持 人 ： 鄭偉鈞

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：楊雅琇 碩士班研究生-兼任助理人員：劉柏言 碩士班研究生-兼任助理人員：胡廷箐

公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 101 年 11 月 06 日

中 文 摘 要 ： 本計畫研究包含重量百分比成分為鐵-13.5 錳-6.3 鋁-0.78 碳合金鋼的相變化。此四元錳鋁合金鋼經固溶處理後在 923 K 以下的溫度進行恆溫處理，其內發生高溫沃斯田體相分解 為肥粒體、k 型碳化物與 M23C6 碳化物等三種低溫相之共析 反應。此三種生成相以層狀晶粒的堆疊方式共同組成 k-波來 體。由於錳鋁鋼的鋁含量是些許偏離共析反應的鋁成分，故 初析肥粒體與初析 k 型碳化物會於共析反應前於沃斯田體基 地內析出，以降低剩餘沃斯田體的含鋁量，以利於後續發生 的共析反應。此共析反應於四元合金的相變化是歸類於第一 型相變化，其反應型式為：沃斯田體 --> 肥粒體 + k 型碳 化物 + M23C6 碳化物。

中文關鍵詞： 第一型相變化、共析反應、k 型碳化物、k-波來體、錳鋁合 金鋼

英 文 摘 要 ： Lamellae of ferrite, kappa carbide, and M23C6 carbide are involved in a eutectoid reaction of an Fe-C-Mn-Al alloy after isothermal holding at temperatures below 923 K. These phases in the lamellae are product phases from the decomposition of the austenite after the eutectoid reaction. Since the steel composition deviates from the eutectoid composition, proeutectoid ferrite and kappa carbide appear in the austenite prior to the eutectoid reaction to reduce the Al content of the retained austenite. The retained austenite decomposes into ferrite, kappa carbide and M23C6 carbide following the eutectoid reaction of Class I phase transformation of the quaternary

alloy； i.e. austenite --> ferrite + kappa carbide + M23C6 carbide.

英文關鍵詞： class I phase transformation, eutectoid reaction, kappa carbide, k-pearlite, Fe-C-Mn-Al alloy

中華民國行政院國家科學委員會計畫編號：

NSC-100-2221-E-011-055。

結 案 報告

鄭 偉 鈞

國立台灣科技大學機械工程系

中華民國台北市基隆路四段 43 號

四元鐵-碳-錳-鋁合金第一類型相變化的共析反應：

沃斯田體  肥粒體 + 型碳化物 + M

C

碳化物

Phase transformations of a quaternary Fe-C-Mn-Al alloy: a Class I eutectoid reaction: austenite  ferrite + kappa carbide + M

C

carbide

鄭偉鈞

國立台灣科技大學機械工程系 中華民國台北市基隆路四段 43 號

E-mail address: [email protected] Tel: 886-2-27376241.

摘 要

本計畫研究包含重量百分比成分為鐵-13.5 錳-6.3 鋁-0.78 碳合金鋼的相變化。此 四元錳鋁合金鋼經固溶處理後在 923 K 以下的溫度進行恆溫處理，其內發生高 溫沃斯田體相分解為肥粒體、型碳化物與 M23C6 碳化物等三種低溫相之共析 反應。此三種生成相以層狀晶粒的堆疊方式共同組成-波來體。由於錳鋁鋼的 鋁含量是些許偏離共析反應的鋁成分，故初析肥粒體與初析型碳化物會於共

析反應前於沃斯田體基地內析出，以降低剩餘沃斯田體的含鋁量，以利於後續 發生的共析反應。此共析反應於四元合金的相變化是歸類於第一型相變化，其 反應型式為：沃斯田體  肥粒體 + 型碳化物 + M23C6碳化物。

關鍵字：第一型相變化、共析反應、型碳化物、-波來體、錳鋁合金鋼。

Abstract

Lamellae of ferrite, kappa carbide, and M23C6 carbide are involved in a eutectoid reaction of an Fe-C-Mn-Al alloy after isothermal holding at temperatures below 923 K. These phases in the lamellae are product phases from the decomposition of the austenite after the eutectoid reaction. Since the steel composition deviates from the eutectoid composition, proeutectoid ferrite and kappa carbide appear in the austenite prior to the eutectoid reaction to reduce the Al content of the retained austenite. The retained austenite decomposes into ferrite, kappa carbide and M23C6 carbide following the eutectoid reaction of Class I phase transformation of the quaternary alloy; i.e. austenite  ferrite + kappa carbide + M23C6 carbide.

Key words: class I phase transformation, eutectoid reaction, kappa carbide,

-pearlite, Fe-C-Mn-Al alloy.

簡 介

當共析鋼由高溫冷卻至共析溫度以下時，高溫穩定的沃斯田體(austenite) 會呈現不穩定狀態而分解為低溫穩定的肥粒體(ferrite)與雪明碳體(cementite)，

此種分解反應的相變化稱為共析反應(eutectoid reaction)，其反應式如下：沃斯 田體  肥粒體 + 雪明碳體。沃斯田體具有面心立方(face-centered cubic, FCC) 的結晶結構，而肥粒體則為體心立方(body-centered cubic, BCC)的晶體結構。於 二元合金系統內，三相共存的相變化是屬於不變反應(invariant reaction)，所以 共析反應是屬於不變反應。經共析反應生成的肥粒體與雪明碳體會以層狀晶粒 的堆疊方式成長，而形成波來體組織(pearlite)。波來體組織通常是於沃斯田體 的晶界處成核，而往沃斯田體晶粒內成長[1]。於本文稱碳鋼的波來體組織為

M₃C 波來體。

若碳鋼的含碳量高於共析鋼的碳含量時，此種鋼稱為過共析鋼。當過共 析鋼自高溫冷卻，雪明碳體會於沃斯田體的晶界處先行析出，此雪明碳體稱為 初析雪明碳體。因為雪明碳體為高碳含量的碳化物，藉由初析雪明碳體於沃斯 田體內的析出，可以降低沃斯田體內的碳量；所以當溫度降至共析反應溫度時，

剩餘具有共析成分的沃斯田體便分解為肥粒體與雪明碳體。若碳鋼的碳成分低 於共析反應的碳成分時，此類鋼種稱為亞共析鋼。將亞共析鋼自高溫冷卻至低 溫，於冷卻的過程中，初析肥粒體會先於沃斯田體晶界處成核成長。由於肥粒

體對碳的溶解度是相當低，所以當沃斯田體於相轉變為肥粒體時，須將原基地 內多餘的碳原子排放至其他的沃斯田體內，方可完成相轉變而成為低碳的肥粒 體；故於冷卻過的程中，初析肥粒體的持續生成是可以增加剩餘沃斯田體內的 碳濃度；當溫度進一步的冷卻至共析反應溫度時，沃斯田體便具有共析成分，

因而可分解為肥粒體與雪明碳體而形成 M₃C 波來體[1]。

Rhines 於 1950 年代整理三元合金系統內部分重要的相變化[2]。在三元 合金系統，四相共存的相變化是屬於不變反應，其可以分類為第一、二與三等 三種型式。第一型相變化是三元合金系統的共晶反應，其反應如下：當高溫的 液體合金經冷卻後，於共晶溫度時，液體相會分解而成為三種不同晶體結構的 固態相。第二型的相變化則介於共晶反應與包晶反應之間，其反應過程如下：

於高溫共存的液相與固相，經冷卻至相變化溫度時，高溫穩定的液體及固體二 相會轉變為另二種不同結晶結構的固體相。而四相共存的第三型相變化則為三 元合金的包晶反應：由高溫冷卻至低溫的過程中，高溫共存的液相與二種不同 的固態相於包晶反應溫度時，高溫的共存的三相會同時相變化為另一種的固態 相。第三型的相變化與第一型相變化恰好具有相反的反應式。以上三種相變化 的型式，亦適用於高溫的液體相為固體相所取代時。當合金為四元系統時，第 一、二與三型的相變化亦同樣適用，只是此合金系統的不變反應是五相共存的 相變化。

於合金鋼中經由共析反應所產生的波來體組織，除了傳統的 M₃C 波來體

外，由層狀肥粒體與層狀 M₂₃C₆碳化物晶粒共同組成的 M₂₃C₆波來體，亦曾於 不同的合金鋼內被觀察到，例如於鐵-碳-鉻合金鋼系統[3,4]與鐵-碳-錳-鋁合金 鋼系統 [5,6]。M₂₃C₆波來體與 M₃C 波來體具有相似的層狀組織形態，皆以肥 粒體為基地相，而板層狀的碳化物晶粒則分佈於基地相的晶粒內。在 M₂₃C₆波 來體組織內，不同相間有相當明顯的溶質分配現象(partitioning of solutes)：經由 成分分析發現 M₂₃C₆碳化物為富錳、富碳但是為低鋁相；而肥粒體的成分是為 低錳、低碳以及高鋁[6]。於高錳鋼的 M₃C 波來體組織也有相似的溶質分配現 象：雪明碳體是為富錳與富碳相，而肥粒體則為低錳與低碳相[7,8]。

近年來於三元鐵-碳-鋁合金內，富鐵區的相組成是被多國的研發團隊作 深入的探討[9-11]。低碳含量的三元鋁合金鋼以肥粒體為主要的基地相；若鋁合 金鋼具有高碳時，沃斯田體為主要的組成相，此時於沃斯田體基地內可能存有

型碳化物(kappa carbide, Fe3AlC) [9]。四元鐵-碳-錳-鋁合金於近數十年來亦是

被積極地研究著[12-28]；此四元合金的基地相可能為沃斯田體或是肥粒體，其 是由錳、碳與鋁的三種溶質元素的相對含量所決定。於鐵基合金內，錳與碳是 沃斯田體相的穩定元素，而鋁則為肥粒體相的形成元素；所以錳與碳含量較高 之合金鋼是以沃斯田體為基地相，而鋁含量較高之錳鋁鋼則以肥粒體為主要 相。於高碳的錳鋁合金鋼內，沃斯田體為基地相，其內除了發現型碳化物外，

也觀察到均勻析出的’相。因為’相為沃斯田體的導出相(derivative phase)，其

具有 L12的結晶結構，所以此二相的晶格常數差異量是相當的微小。雖然型碳

化物之晶體結構與’相相似，但是其晶格常數卻較基地相的沃斯田體晶格常數 約大 2.5%，所以型碳化物是無法以整合型式析出於沃斯田體內，只能以晶界

析出物的方式出現。於 1990 年代 Ishida 等人建立了一些四元鐵-碳-錳-鋁合金的 等溫相圖[22]；於這些相圖中，沃斯田體、肥粒體與型碳化物皆可能為高溫相，

且此三相存在的相區間是非常寬廣；例如，圖一為固定 20 wt% 錳量合金鋼的 部分等溫相圖，於這些相圖中可以觀察到肥粒體與型碳化物可存在於相當大

的溫度與成分範圍。

本研究群具有多年有系統的研究四元鐵-碳-錳-鋁合金鋼相變化的成果

[5,6,23-28]；除了發現由肥粒體與 M₂₃C₆碳化物層狀晶粒組成的 M₂₃C₆波來體外 [5,6]，亦發現層狀肥粒體與型碳化物晶粒組成的-波來體。於錳鋁鋼內依照共

析反應所產生的 M₂₃C₆ 波來體，也曾經於鐵-碳-鉻合金內被發現[3,4]；而錳鋁 鋼內的-波來體，亦曾出現於三元的鐵-碳-鋁合金[9-11]與不同成分的四元鐵- 碳-錳-鋁合金[21,22]；這些研究者皆指出於合金鋼內出現的-波來體組織的相變 化類型是共析反應。在研究-波來體的層狀晶粒組成時，在某些不同成分的錳 鋁合金鋼中，發現於-波來體的肥粒體基地內分佈著層狀 M23C6碳化物晶粒；

經仔細地分析這些層狀肥粒體、型碳化物、M23C6 碳化物的生成與分布情形

後，判定這些二次相是藉由沃斯田體的分解而產生，其總體的相變化反應是四 元合金第一型相變化的共析反應。以下依溫度由高至低的方式依序說明本合金 鋼的相變化。

實 驗 步 驟

錳鋁合金鋼的重量百分比成分為鐵-13.5 錳-6.3 鋁-0.78 碳。合金之原料為

1020 碳鋼棒、增碳劑、電解錳與高純度鋁。合金原料是經由高週波爐的熔煉，

再澆鑄至精密鑄造用殼模後取得鑄錠。將合金鑄錠切割至適當尺寸後，置入氬 氣保護的熱處理爐內作均質化熱處理，均質化的條件為：於 1473 K 的高溫持溫

4 小時。而後將鑄錠取出作多次熱鍛作業，熱鍛至厚度約 10 mm 的鋼板。分析 熱鍛鋼板的成分確認其內的合金成分是均勻的。去除熱鍛鋼板表面之銹皮與缺 陷後，冷軋至 2 mm 厚度的薄鋼板；此薄鋼板再經裁切成面積為 15 mm x 10 mm 的試片。合金鋼的前處理為加熱至 1373 K 而持溫一小時後淬入室溫水的固溶 處理。經固溶處理後之試片則封入真空狀態的石英管內，進行溫度範圍為 1123

K 至 773 K 而持溫時間為 100 小時的恆溫真空熱處理。

經熱處理的合金以機械方式研磨與拋光，經蝕刻液腐蝕後，置於金相顯 微 鏡 (optical microscope, OM) 或 是 高 解 析 場 發 射 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (high

resolution field-emission scanning electron microscope, SEM)作金相組織的觀察。

金相蝕刻液則是選用 5% nital 溶液。SEM 的型號為 Jeol JEM 6500F。部分合金 亦經 X 光繞射儀(x-ray diffractometer, XRD)的分析以了解合金內之主要相的晶 體結構。XRD 的型號為 Rigaku DMAX-B。本研究的主要分析儀器為穿透式電 子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)，其型號為 Jeol JEM 2010。此

TEM 亦配備有型號為 Link ISIS 300 的能量分散 X 光分析儀(energy dispersive

x-ray analyzer, EDS)，可即時分析組成相的化學成分。TEM 試片的製作方式是 先研磨至約 80 m 的厚度後，以衝壓機製作直徑為 3 mm 的試片，再經電解拋

光機以電解方式製成 TEM 試片。電解拋光液的組成為 90% 醋酸與 10% 過氯 酸溶液。經由電解拋光方式製成的 TEM 試片，會再於離子銑薄機內施以離子 銑薄，以確保 TEM 試片薄區的可觀察性。TEM 儀器內試片座的 x 與 y 軸方向 的最大旋轉角度各為±45 度與±34 度。

結 果 與 討 論

圖2(a)是鐵-碳-錳-鋁合金於高溫1373 K作固溶處理後於光學顯微鏡所拍 攝的金相照片。於金相照片內可發現此合金鋼具有相似的晶粒群，且這些晶粒 群皆含有退火雙晶，所以此種晶粒形態顯示了合金於1373 K的高溫與經固溶處 理後的狀態皆為單一相。以X光繞射儀分析經固溶處理合金的結果則顯示於圖

2(b)，於XRD的分析顯示只有偵測到FCC沃斯田體的繞射峰。因此，由OM與XRD 的分析，確認錳鋁鋼在1373 K的高溫時，其組成相只有沃斯田體，而沃斯田體 相也保留至經淬水後的合金內。以OM及TEM觀察經1123 K與1098 K恆溫處理 100小時的合金鋼，於沃斯田體基地內並未發現其他的二次相。所以錳鋁鋼於 1373 K至1098 K的溫度區間的相組成是單一沃斯田體。

合金鋼經1023 K恆溫處理後於OM與TEM的分析顯示於圖3。圖3(a)的金 相照片顯示於大部分沃斯田體晶界處皆有析出物的出現。由於金相觀察只能判 定是否有二次相的出現，至於二次相的晶體結構為何？由於其析出數量太少而 無法由X光分析儀作分析判定，故需要藉由穿透式電子顯微鏡的分析確認。圖

3(b)為TEM的明視野影像(bright-field image, BF)，於BF中發現於沃斯田體的晶 界處析出二個大小不同的二次相晶粒。於右邊析出的大顆晶粒以標示，中間 的小析出物則以標記，而上下兩側的沃斯田體基地則以標示。以數個不同晶 帶軸方向的擇區繞射圖(selected area diffraction pattern, SADP)分析大晶粒的晶 體結構，確定此晶粒是BCC肥粒體；所以，於圖3(c)的擇區繞射圖是由肥粒體

所產生的，其晶帶軸方向是肥粒體[111]。再以擇區繞射圖分析另一種析出物 的結晶結構，發現它具有簡單立方的晶體，並證實為型碳化物(kappa carbide)；

圖3(d)是型碳化物的對應SADP，其晶帶軸是沿著[011]方向。所以，於圖3(b) 的明視野內各種標示符號所代表的意義為：代表肥粒體，而為型碳化物。

以TEM配備的EDS分析這些組成相的化學成分(wt%)。由於TEM試片的表面有 碳污染現象，所以不顯示於EDS測量所得的碳成分訊號。於1023 K的溫度時，

合金鋼內組成相的化學成分如下：肥粒體是鐵-7.0錳-6.4鋁，型碳化物為鐵-23.0 錳-8.9鋁，而沃斯田體基地則是鐵-15.0錳-4.6鋁。值得留意的是於這三種組成相 中，型碳化物的錳與鋁含量是最高的。另外，於EDS的資料分析顯示型碳化 物具有最高的碳量；因此，於合金鋼的型碳化物是具有高的錳、鋁與碳含量。

發現錳鋁鋼於1023 K以下溫度有二次相的生成後，即再分析於更低溫時 的相組成。圖4是經過923 K恆溫處理後合金鋼的OM與TEM的分析。圖4(a)的金 相照片顯示低溫析出物不是只侷限於沃斯田體晶界處，當其成長後亦會朝向沃 斯田體基地內發展而形成顆粒狀的小晶粒。由於這些析出物的析出總量依舊不 多，還是無法使用XRD分析這些晶界析出物的晶體結構，依然須藉由TEM的分 析；圖4(b)的TEM明視野影像是由數張BF所組合的，其顯示於晶界處分佈的析 出物是由肥粒體與型碳化物的層狀晶粒所組成，這些層狀組織是具有波來體 的形式，所以於本文內稱此種層狀組織為-波來體；圖4(c)與4(d)分別為-波來

體組織內[001]肥粒體與[011]型碳化物的SADP。值得一提的是於圖4(b)明視野 中的-波來體組織是於沃斯田體晶界處開始發展的。相似於上述的-波來體組

織亦 曾 經出 現於 三元的 鐵-碳-鋁合金[9]與四元 的鐵-碳-錳-鋁合金 系統中

[21,22]。合金鋼於923 K時，組成相的化學成分經EDS測量結果如下：肥粒體是 鐵-6.4錳-5.2鋁，型碳化物為鐵-24.7錳-9.1鋁，而沃斯田體則含有鐵-14.4錳-4.3 鋁。由成分分析顯示於-波來體的層狀晶粒內，肥粒體含有高量的鋁與低量的 錳，而型碳化物具有高的錳、鋁與碳含量；因此，於-波來體內，不同組成相

的錳、鋁及碳含量是有溶質分配現象，此相似於其他四元的錳鋁合金鋼內M₂₃C₆ 波來體的肥粒體與M₂₃C₆碳化物的溶質分配現象[5,6]。

當熱處理溫度低於923 K以下時，以TEM檢視-波來體內層狀晶粒的組成

相，發現肥粒體晶粒內存有第三種的二次相晶粒。圖5是合金鋼經873 K的恆溫

處理的分析結果。於圖5(a)的金相照片可發現在沃斯田體內分佈的-波來體組織 已經發展成更大尺寸的晶粒。圖5(b)至5(d)是-波來體內的層狀組織於TEM的分 析結果。圖5(b)與5(c)的明視野顯示於不同-波來體組織的內部層狀晶粒。圖5(c) 的明視野影像是由二張BF所組合而成。總體而言，此-波來體組織由三個不同 的組成相所構成：其一是肥粒體基地，未有標記；另一相是較長且較寬厚的

型碳化物板層晶粒，以註記；以及第三相為分佈於肥粒體基地內較細的層狀

晶粒，則以C標註。經由SADP分析這些C晶粒的晶體結構，證實這些C晶粒為 第三相的M₂₃C₆碳化物；圖5(d)是圈選於圖5(c)明視野影像中M₂₃C₆碳化物(C)及 其鄰近肥粒體基地的擇區繞射圖，其晶帶軸方向分別為[011]C與[111]。於圖5(d) 的SADP內，不同晶體產生的繞射點標示方式為：肥粒體的平面指標以底線畫 記，以 區別 M₂₃C₆碳化物的 平面 指 標 。觀察 圖 5(d)的擇區繞射圖 後，發現 FCCM₂₃C₆碳 化 物 與 BCC 肥 粒 體 的 二 種 晶 體 間 存 在 著 以 下 的 方 位 關 係

(orientation relationship, OR)：[011]C // [111] 與 (111)C // (101)，這是FCC晶體 與BCC晶體間著名的Kurdjumov-Sachs (K-S)方位關係。此種方位關係也存在於

M₂₃C₆波來體內M₂₃C₆碳化物與肥粒體之間[5,6]。經仔細觀察圖5(d)的SADP後，

發現屬於M₂₃C₆碳化物晶體的額外繞射點，判定這些繞射點是由M₂₃C₆碳化物晶 粒內的微雙晶所產生。在此強調於錳鋁合金鋼內的-波來體中是首次發現層狀

晶粒的M₂₃C₆碳化物。

使用TEM-EDS分析-波來體於873 K時組成相的成分：M23C6碳化物含有

鐵-48.2錳-1.0鋁，型碳化物是鐵-28.6錳-8.5鋁，以及肥粒體為鐵-3.7錳-5.0鋁。

值得注意的是M₂₃C₆碳化物內金屬組成部分，錳幾乎占了一半；且於EDS的訊號 顯示M23C6碳化物亦是具有高碳量，其含碳量是較型碳化物為高；所以M23C6

碳化物具有高錳、高碳及低鋁的化學組成。比較合金內組成相內的溶質高低後，

得知各相間的錳與碳溶質含量由高到低依序為：M23C6碳化物、型碳化物、沃 斯田體及肥粒體；而各組成相的鋁含量由高到低則為：型碳化物、肥粒體、

沃斯田體及M23C6碳化物。所以於-波來體內的肥粒體、型碳化物與M23C6碳 化物間亦是有非常明顯的溶質分配現象。M₂₃C₆碳化物具有低鋁的溶解度，此 特性亦曾於三元的鐵-碳-鋁合金中，由Frommeyer等人所發現[9]，且本研究團隊 也曾於四元的錳鋁合金鋼內觀察到M₂₃C₆碳化物具有低鋁量的現象[6]。於不同 合金鋼內沃斯田體基地析出二種不同碳化物的現象，曾經於鐵-碳-釩合金內被 觀察到：MC碳化物以層狀晶粒型式析出於M₃C波來體中肥粒體基地內[29]。

因為已經有多位的研究者於三元的鐵-碳-鋁合金與四元的鐵-碳-錳-鋁合 金內發現類似的-波來體組織，且這些學者皆認定此種-波來體應是由沃斯田 體依照共析反應的分解方式所產生的。所以當錳鋁鋼的-波來體於較 高的溫度區間首次被發現時，直覺地認為這些肥粒體與型碳化物層狀晶粒應

是由原來的沃斯田體分解後的生成物。然而經EDS分析此合金鋼內組成相之化 學成分，發現了不符合共析反應所應遵守的反應相與生成相間溶質原子的守恆 現象，以下就組成相間溶質原子的分佈情形分別討論。假設部分高溫穩定的沃

斯田體分解成低溫穩定的肥粒體與型碳化物，此二低溫相的錳與碳組成可能

是由原沃斯田體的錳與碳溶質依照共析反應重新分配而得，因為原沃斯田體的 此二種溶質含量是介於肥粒體與型碳化物的溶質含量之間，所以若只分析錳

與碳於反應前後的重新分配情形，可合理解釋以上的相變化可能是共析反應。

然而，以共析反應的解釋並無法合理的說明這兩個產物相的鋁含量皆高於反應 前沃斯田體的鋁含量。假設這是共析反應：當相變化發生時，不穩定的沃斯田 體會分解成穩定的肥粒體與型碳化物，此時沃斯田體的溶質含量應該為兩產

物相的平均溶質含量。所以以上相變化的組成相間的錳與碳含量是合理的，但 是肥粒體與型碳化物的鋁含量卻是都高於初始沃斯田體的鋁含量，故-波來體 內的肥粒體與型碳化物不是藉由    +  的共析反應所產生的；所以，形 成-波來體的相變化可以確定不是共析反應。當進一步地研究合金鋼內低溫的 組成相，於-波來體的層狀晶粒內發現M23C6碳化物時，方才確認肥粒體、型

碳化物與M₂₃C₆碳化物等三種低溫二次相為鐵-碳-錳-鋁合金第一型共析反應的 產物，這些相是由沃斯田體分解所產生的。於合金鋼內出現共析反應的上限溫 度是介於923 K與898 K之間。所以，當溫度高於共析反應時，於沃斯田體內生 成肥粒體與型碳化物的相變化則為共析反應發生前的初析反應。

於共析反應以下溫度，以TEM與SEM觀察-波來體於沃斯田體內分佈的 情形：大部分的晶界-波來體是由肥粒體與型碳化物的層狀晶粒所組成；而於 沃斯田體晶粒內分佈的-波來體大多數是由肥粒體、型碳化物與M23C6碳化物

所組成。由上述的觀察推論，合金鋼的鋁成分應是略高於共析反應的鋁成分，

所以初析肥粒體與型碳化物是於共析反應之前先出現於沃斯田體的晶界處，

如此得以降低其他沃斯田體的鋁含量。因此，當溫度略高於共析反應時，於沃 斯田體晶界處出現的肥粒體與型碳化物是屬於初析反應的生成相。當以低於 共析溫度的條件作恆溫處理，初析肥粒體與型碳化物於生成的初期，即以-

波來體的形式分佈於沃斯田體的晶界處，如此得以降低剩餘沃斯田體的含鋁 量；此類-波來體稱為初析-波來體。當初析-波來體成長到某程度的體積分

率後，剩餘的沃斯田體的溶質含量即符合共析成分，沃斯田體會依據共析反應 而分解成肥粒體、型碳化物與M23C6碳化物。所以，本合金鋼於溫度低於923 K 的恆溫處理後，其主要的相變化型式為第一型的共析反應：沃斯田體  肥粒 體 + 型碳化物+ M23C6碳化物。

當初析-波來體於沃斯田體內成長時，其內的肥粒體與型碳化物是以層

狀晶粒形式共同成長。由於肥粒體晶粒的成長會消耗其他沃斯田體的鋁原子，

以及將原沃斯田體區域過多的錳與碳溶質原子排出至鄰近的沃斯田體；所以於 鄰近肥粒體晶粒的沃斯田體基地是會含有較高的錳與碳溶質濃度，所以此區域 適合型碳化物的生成。當型碳化物板層晶粒成長時，鄰近沃斯田體區域的

鋁、錳與碳原子會被消耗，因而使周邊沃斯田體內的錳與碳溶質濃度降低，所 以此區域適合肥粒體的生成。然而，肥粒體與型碳化物的鋁溶解度皆高於原 沃斯田體的鋁溶解度，依據溶質原子不滅的原理，當初析-波來體於沃斯田體

基地成長時，其內二組成相不足的鋁溶質必須由剩餘的沃斯田體提供；因此，

於沃斯田體內有鋁原子淨通量的產生，鋁原子須從較遠的沃斯田體基地擴散至 成長中的-波來體組織內，這將使沃斯田體的鋁含量降低。所以當剩餘沃斯田

體的鋁量降低至共析反應的鋁成分時，沃斯田體即以共析反應的方式分解成肥 粒體、型碳化物與M23C6碳化物。此時共析反應產物相的平均溶質成分是與剩

餘沃斯田體的溶質成分相同。

當溫度於 873 K 以下時，觀察錳鋁合金鋼內-波來體的生成情形。圖 6(a)

與(b)分別為合金鋼經 848 K 與 823 K 的恆溫處理後於 TEM 的分析結果。圖 6(a) 的明視野顯示於 848 K 時沃斯田體基地內分佈-波來體內部的微觀組織。此- 波來體的層狀晶粒分佈的型式是：較寬與長的層狀型碳化物晶粒與細小的

M₂₃C₆碳化物晶粒分佈於肥粒體基地。值得留意的是 M₂₃C₆碳化物晶粒是被較 長型碳化物的層狀晶粒所包圍；細小 M23C6板層晶粒有時會以近乎平行於層 狀型碳化物晶粒的方式分佈於肥粒體基地內。當錳鋁鋼經 823 K 的恆溫處理 後，於 TEM 的明視野的觀察結果則顯示於圖 6(b)中，此 BF 亦是選擇-波來

體內部組織作微觀結構的觀察。經不同的 SADP 的分析得知：-波來體的基地 是肥粒體，較寬的長條狀晶粒是型碳化物，而於型碳化物之間的肥粒體基

地內分佈的較小晶粒則為 M23C6碳化物。與其他高溫的-波來體組織內的層狀 晶粒相比較，於 823 K 時的-波來體內層狀晶粒是相對細小許多，且 M23C6

碳化物有時會以小顆粒狀的晶粒型式存在。繼續觀察經 773 K 恆溫處理 100

小時後合金內-波來體的組成相，發現於層狀晶粒內只有肥粒體與型碳化物

等二種析出相，並未發現 M₂₃C₆碳化物晶粒的存在。研判 M₂₃C₆碳化物應該於 剩餘之沃斯田體晶粒內且需經較長的熱處理時間後方才可能出現；所以合金於

773 K 的溫度時，100 小時的恆溫時間是不足的，故無法發生共析反應。

圖 7 是合金經 873 K 恆溫處理後於 SEM 所拍攝沃斯田體基地內-波來體

組織的二次電子影像集(secondary electron images, SEIs)。圖 7(a)至(d)的 SEIs 是 以放大倍率由低至高的方式作排列。圖 7(a)的二次電子影像放大倍率是最低的

，其可觀察的區域包含了圖 7(b)至(d)內二次電子影像所拍攝的部分；於圖 7(d)

SEI 的放大倍率為這些二次電子影像集中最高者，亦可以說其為圖 7(a)至(c)的 三張 SEI 局部-波來體組織的放大圖；同樣地，於圖 7(c)的二次電子影像則為 圖 7(a)與(b)的 SEI 局部放大圖。由於-波來體內的三種組成相的晶粒形貌已經 於的分析得知，且其成分亦已經由 TEM-EDS 分析確認。故於 SEM 的 SEI

觀察與經 EDS 分析各組成相的成分後，可知各相於二次電子影像中的分佈情形

。由於 SEM 試片表面亦有碳污染的現象，所以於 SEM-EDS 測量所得的碳成分 並不是精確的，不過卻可以提供於鄰近區域不同相間碳含量的相對高低訊息。

所以根據組成相的錳與鋁含量，或是碳的相對含量，加上可觀察到析出相的形 態與所處的相對位置，可以判定於二次電子影像中各個區域的組成相種類。當 判別出各相所在的位置後，發現這些不同相的晶粒具有其特定的高度：肥粒體 座落於最低的凹陷區域，沃斯田體基地的位置是較肥粒體晶粒高一些；M₂₃C₆

碳化物晶粒是位於最高的位置，而層狀型碳化物晶粒的高度則較 M23C6 晶粒

低一些。因此，於這些二次電子影像中各相的位置高度由高到低依序為：M₂₃C₆ 碳化物、型碳化物、沃斯田體與肥粒體。舉例來說，於圖 7(c)與 7(d)的 SEIs

中，較細且較不規則狀的層狀 M₂₃C₆ 碳化物晶粒是位在最高的位置，故其於二 次電子影像中是最明亮的，觀察這些 M₂₃C₆ 碳化物條狀晶粒皆是位於較長且較 粗厚的板層狀型碳化物晶粒之間；而型碳化物是位在第二高的位置，所以其

於 SEI 中是為次亮的層狀晶粒。肥粒體晶粒則座落於最低的凹陷位置，其於二 次電子影像中是為最暗的晶粒。由以上的觀察得知，於製備 SEM 試片的蝕刻 期間，從金屬表面移除組成相的材料量由小至大依序為：M23C6 碳化物、型 碳化物、沃斯田體與肥粒體。而此種順序與組成相內的錳與碳含量有相同的排 列方式，即組成相內所含錳與碳量較高者較不易受 nital 腐蝕液的侵蝕，其蝕刻 速率會較低，因而被移除的材料較少。

研究於共析溫度以下形成的-波來體組織以了解於-波來體內分佈的不

同形態 M₂₃C₆碳化物。整體而言，M₂₃C₆碳化物是以板層晶粒或是小顆粒晶粒 的形式分佈於肥粒體基地內。相較於大部分的平直粗大的型碳化物板層晶粒

而言， M23C6 的板層晶粒是較不平直且寬度亦較窄。當初析肥粒體與型碳化 物層狀晶粒所組成的初析-波來體由晶界處往沃斯田體晶粒內部成長時，於此

肥粒體基地內不容易發現 M₂₃C₆碳化物晶粒的存在。一般而言，於沃斯田體晶 界處分佈的-波來體內是不會有 M23C6碳化物的存在。若 M23C6碳化物晶粒與

肥粒體基地同時出現在-波來體組織內，此時的 M23C6碳化物晶粒群的兩旁必 然伴隨有型碳化物板層晶粒，此為第一型相變化的共析反應的必然結果。於-

波來體內的某些薄板層 M23C6 晶粒，可能會以近乎平行於兩側的型碳化物板 層晶粒的方式存在；有些條狀 M23C6 碳化物可能以連接兩側的板層型碳化物

晶粒的方式存在；然而部份 M23C6 板層晶粒的一端是接觸到鄰近型碳化物的 一側而另一端則分佈於肥粒體基地內；大多數分布於層狀型碳化物間的小條

狀晶粒與小顆粒晶粒是為 M23C6碳化物。某些小 M23C6晶粒則是分佈於兩個

形碳化物板層晶粒間的肥粒體基地中，若是只觀察此種局部的 M₂₃C₆碳化物晶 粒群分佈於肥粒體晶粒的區域，而忽略掉兩旁的板層狀型碳化物晶粒，則是

與其他錳鋁鋼內形成的 M23C6波來體是非常相似[5,6]。當於明視野觀察此 種局部區域組織，有時是不容易分辨其是否真為 M₂₃C₆波來體？利用 SEM 的 觀察則可解除以上的困擾，於部分的二次電子影像亦可以觀察到肥粒體基地內 存有 M₂₃C₆碳化物晶粒群，這種局部區域組織極類似於 M₂₃C₆波來體；然而，

經仔細觀察後發現於 M23C6 晶粒群的兩側，一定分佈著長且寬的型碳化物板

層晶粒；因此，這些局部的層狀組織並不是 M23C6波來體，而是屬於整體的- 波來體組織。總而言之，於共析反應後，-波來體內的層狀組織是由三種不同 相所組成：基地相為肥粒體，粗厚的板層晶粒為型碳化物，而在型碳化物板

層晶粒間的小條狀晶粒為 M₂₃C₆碳化物。

結 論

本研究是首次於四元鐵-碳-錳-鋁合金中發現第一型相變化的共析反應

；並發現M₂₃C₆碳化物以層狀晶粒存在於合金鋼內。此相變化為高溫穩定的沃 斯田體相在低於共析溫度時分解為低溫穩定的肥粒體、型碳化物與M23C6碳化 物，所以相變化的型式為：沃斯田體  肥粒體 + 型碳化物+ M23C6碳化物。

共析反應的上限溫度是介於923 K與898 K之間。由於合金鋼的鋁成分是略高於 共析合金的鋁成分，所以含鋁量皆高於沃斯田體的肥粒體與型碳化物會在共 析反應前析出在沃斯田體的晶界處；因此，先出現的肥粒體與型碳化物皆為

初析相，其扮演著減少剩餘沃斯田體鋁含量的角色，使沃斯田體的鋁量降低至 共析成分；剩餘沃斯田體於共析反應時會分解成肥粒體、型碳化物與M23C6碳 化物。初析肥粒體與型碳化物出現的上限溫度是略低於1073 K。當溫度介於 1073 K和973 K之間時，初析肥粒體與型碳化物是以顆粒狀晶粒形式存在於沃 斯田體晶界處。於低於973 K時，初析肥粒體與型碳化物會以層狀晶粒方式堆 疊成初析-波來體。當溫度低於共析溫度時，首先於沃斯田體晶界處會出現初 析-波來體，而後於-波來體的肥粒體晶粒內會出現較細小與不規則的層狀

M23C6晶粒。因此，由M23C6碳化物、型碳化物與肥粒體層狀晶粒所組成的- 波來體是為第一型相變化共析反應的生成組織。

謝 誌

作者們非常感謝中華民國行政院國家科學委員會補助以上學術研究所需 之經費，使本研究得以順利完成；計畫編號為 NSC-100-2221-E-011-055。

參考文獻

[1] R.W.K. Honeycombe, Steels-Microstructure and Properties, Edward Arnold, London, 1980.

[2] F.N. Rhines: Phase Diagrams in Metallurgy, McGraw Hill, 1956, pp. 159-272.

[3] P.R. Howell, J.V. Bee, R.W.K. Honeycombe: Metall. Trans. A, 1979, vol. 10A, pp. 1213-22.

[4] K. Campbell and R.W.K. Honeycombe: Met. Sci., 1974, vol. 8, pp. 197-203.

[5] W.C. Cheng, S.M. Hwang: Metall. Mater. Trans. A, 2011, vol. 42A, pp. 1760-66.

[6] W.C. Cheng, Y.C. Li: Metall. Mater. Trans. A, 2012, vol. 43A, pp. 1817-25.

[7] C.R. Hutchinson, G.J. Shiflet: Scripta Mater., 2004, vol. 50, pp. 1-5.

[8] C.R. Hutchinson, R.E. Hackenberg, G.J. Shiflet: Acta Mater., 2004, vol. 52, pp.

3565-85.

[9] J.A. Jimenez, G. Frommeyer: J. Alloys Comp., 2011, vol. 509, pp. 2729-33.

[10] A. Schneider, L. Falat, G. Sauthoff, G. Frommeyer: Intermetall., 2005, vol. 13, pp. 1322-31.

[11] K.G. Chin, K.J. Lee, J.H. Kwak, J.Y. Kang, B.J Lee: J. Alloys Comp., 2010, vol.

505, pp. 217-23.

[12] K.H. Han, J.C. Yoon, W.K. Choo: Scripta Metall., 1986, vol. 20, pp. 33-6.

[13] K.H. Han: Mater. Sci. Eng. A, 1995, vol. 197, pp. 223-9.

[14] K. Sato, K. Tagawa, Y. Inoue: Scripta Metall., 1988, vol. 22, pp. 899-902.

[15] K. Sato, K. Tagawa, Y. Inoue: Mater. Sci. Eng. A, 1987, vol. 111, pp. 45-50.

[16] K. Sato, K. Tagawa, Y. Inoue: Metall. Trans. A, 1990, vol. 21A, pp. 5-11.

[17] W.K. Choo, J.H. Kim, J.C. Yoon: Acta Mater., 1997, vol. 45(12), pp. 4877-85.

[18] M.C. Li, H. Chand, P.W. Kao, D. Gan: Mater. Chem. Phys., 1999, vol.59, pp.

96-9.

[19] C.S. Wang, C.N. Hwang, C.G. Chao, T.F. Liu: Scripta Mater., 2007, vol. 57 pp.

809-12.

[20] V. Rigaud, D. Daloz, J. Drillet, A. Perlade, P. Maugis, G. Lesoult: ISIJ Int., 2007, vol. 47(6), pp. 898-906.

[21] H. Ishii, K. Ohkubo, S. Miura, T. Mohri: Mater. Trans., 2003, vol. 44(9), pp.

1679-81.

[22] K. Ishida, H. Ohtani, N. Satoh, R. Kainuma, T. Nishizawa: ISIJ Int., 1990, vol.

30(8), pp. 680-6.

[23] W.C. Cheng: Metall. Trans. A, 2005, vol. 36A, pp. 1737-43.

[24] W.C. Cheng, H.Y. Lin: Mat. Sci. Eng. A, 2002, A323, pp. 462-6.

[25] W.C. Cheng, H.Y. Lin and C.F. Liu: Mat. Sci. Eng. A, 2002, A335, pp. 82-8.

[26] W.C. Cheng, C.F. Liu and Y.F. Lai: Mat. Sci. Eng. A, 2002, A337, pp. 281-6.

[27] W.C. Cheng, C.F. Liu and Y.F. Lai: Scripta Mater., 2003, 48, pp. 295-300.

[28] W.C. Cheng, C.K. Lai: Scripta Mater., 2006, 55, pp. 783-6.

[29] R.A. Ricks, S.A. Parsons, P.R. Howell: Proc. Int. Conf. Solid-to Solid Phase Transformations, H.I. Aaronson et al-editor, TMS-AIME, 1982, pp. 831-5.

圖說明

圖 1. (a)至(d)為固定 20 wt%錳的四元鐵-碳-錳-鋁合金於數個不同溫度的等溫相圖

，其溫度如下：(a) 1473 K、(b) 1373 K、(c) 1273 K 與(d) 1173 K [22]。(：肥粒 體，：型碳化物，：沃斯田體)

圖 2. 錳鋁合金鋼經過 1373 K 固溶處理後的(a) OM 與(b) XRD 分析。

圖 3. 經 1373 K 固溶處理再經 973 K 恆溫處理 100 小時，合金鋼於 OM 與 TEM 的分析。(a)金相照片；(b)TEM 明視野，圖中顯示沃斯田體晶界析出物(：肥粒 體，：型碳化物，：沃斯田體)；(c)於(b)明視野的[111]肥粒體擇區繞射圖(T

：穿透電子束)；(d)於 BF 內[011] 型碳化物的 SADP。

圖 4. 以 OM 與 TEM 分析經 923 K 恆溫處理的合金。(a)金相照片，顯示晶界析 出物出現於沃斯田體晶界處；(b)TEM 明視野，顯示於晶界處存有層狀晶粒組織

；(c)與(d)分別為 TEM 明視野內[001]肥粒體與[011] 型碳化物的擇區繞射圖。

圖 5. (a)金相照片顯示出沃斯田體內分佈的大-波來體晶粒群。(b)與(c)為於不同 區域內局部-波來體組織的明視野(C: M23C6 碳化物)。(d)為(c)中[011] M23C6 碳 化物與[111]肥粒體的擇區繞射圖。熱處理條件為：於 873 K 持溫 100 小時。

Fig. 6. (a)及(b)為-波來體內局部層狀晶粒的 TEM 明視野，恆溫處理的溫度分別

為：(a) 848 K 與(b) 823 K。

圖 7. 經 873 K 恆溫處理的錳鋁鋼於 SEM 的觀察：(a)至(d)為二次電子影像集，

其放大倍率是由小至大排列。於(a)的 SEI 範圍包含(b)至(d)的影像範圍，而(d)的 SEI 為(a)至(c)影像的局部放大圖。於(c)與(d)中，最亮且較細的層狀晶粒為 M23C6

碳化物；而次亮且較粗的層狀晶粒為型碳化物。

圖 1. (a)至(d)為固定 20 wt%錳的四元鐵-碳-錳-鋁合金於數個不同溫度的等溫相圖

，其溫度如下：(a) 1473 K、(b) 1373 K、(c) 1273 K 與(d) 1173 K [22]。(：肥粒 體，：型碳化物，：沃斯田體)

(a) (b)

圖 2. 錳鋁合金鋼經過 1373 K 固溶處理後的(a) OM 與(b) XRD 分析。

(a) (b)

(b) (c)

圖 3. 經 1373 K 固溶處理再經 973 K 恆溫處理 100 小時，合金鋼於 OM 與 TEM 的分析。(a)金相照片；(b)TEM 明視野，圖中顯示沃斯田體晶界析出物(：肥粒 體，：型碳化物，：沃斯田體)；(c)於(b)明視野的[111]肥粒體擇區繞射圖(T

：穿透電子束)；(d)於 BF 內[011] 型碳化物的 SADP。

(a) (b)

(c) (d)

圖 4. 以 OM 與 TEM 分析經 923 K 恆溫處理的合金。(a)金相照片，顯示晶界析 出物出現於沃斯田體晶界處；(b)TEM 明視野，顯示於晶界處存有層狀晶粒組織

；(c)與(d)分別為 TEM 明視野內[001]肥粒體與[011] 型碳化物的擇區繞射圖。

(a) (b)

(c) (d)

圖 5. (a)金相照片顯示出沃斯田體內分佈的大-波來體晶粒群。(b)與(c)為於不同 區域內局部-波來體組織的明視野(C: M23C6 碳化物)。(d)為(c)中[011] M23C6 碳 化物與[111]肥粒體的擇區繞射圖。熱處理條件為：於 873 K 持溫 100 小時。

(a) (b)

Fig. 6. (a)及(b)為-波來體內局部層狀晶粒的 TEM 明視野，恆溫處理的溫度分別 為：(a) 848 K 與(b) 823 K。

(a) (b)

(c) (d)

圖 7. 經 873 K 恆溫處理的錳鋁鋼於 SEM 的觀察：(a)至(d)為二次電子影像集，

其放大倍率是由小至大排列。於(a)的 SEI 範圍包含(b)至(d)的影像範圍，而(d)的 SEI 為(a)至(c)影像的局部放大圖。於(c)與(d)中，最亮且較細的層狀晶粒為 M23C6

碳化物；而次亮且較粗的層狀晶粒為型碳化物。

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/11/06

國科會補助計畫

計畫名稱: 錳鋁鋼中鋁含量對於共存的M3C及M23C6波來體組織的影響研究 計畫主持人: 鄭偉鈞

計畫編號: 100-2221-E-011-055- 學門領域: 金屬

無研發成果推廣資料

100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：鄭偉鈞 計畫編號：100-2221-E-011-055- 計畫名稱：錳鋁鋼中鋁含量對於共存的 M3C 及 M23C6 波來體組織的影響研究

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受 或已發表）

預期總達成 數(含實際已

達成數)

本計畫實 際貢獻百

分比

單位

備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...

等）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 3 3 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 2 2 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作 篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利 已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

其他成果

(

無

成果項目 量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科 教 處 計 畫 加 填 項

目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性） 、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因 說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本計畫研究包含重量百分比成分為鐵-13.5 錳-6.3 鋁-0.78 碳合金鋼的相變化，此結果非 常適合發表學術期刊論文。本四元錳鋁合金鋼經固溶處理後在 923 K 以下的溫度進行恆溫 處理，其內發生高溫沃斯田體相分解為肥粒體、k 型碳化物與 M23C6 碳化物等三種低溫相 之共析反應。此三種生成相以層狀晶粒的堆疊方式共同組成 k-波來體。由於錳鋁鋼的鋁含 量是些許偏離共析反應的鋁成分，故初析肥粒體與初析 k 型碳化物會於共析反應前於沃斯 田體基地內析出，以降低剩餘沃斯田體的含鋁量，以利於後續發生的共析反應。此共析反 應於四元合金的相變化是歸類於第一型相變化，其反應型式為：沃斯田體 --> 肥粒體 + k 型碳化物 + M23C6 碳化物。