利用透射电子显微镜在纳米尺度上深入研究了碳钢Fe-C(0.05-2.0 wt.%)二元合金中淬火态马氏体组织的精细结构,发现淬火态孪晶马氏体组织实际是由非常细小的α-Fe晶粒构成。利用选区电子衍射和电镜原位回火观察深入研究了马氏体组织内部的孪晶结构特征以及回火过程中退孪晶行为特征,结果表明:1.孪晶马氏体组织中的孪晶属于典型的体心立方{112}<111>型孪晶,无论是孪晶结构的基体部分还是孪晶部分都是由1～2 nm大小的α-Fe细小晶粒构成。由于固态-固态相变的原因,这些细小的α-Fe晶粒都是从同一母相(奥氏体)晶粒中通过相变而成,因而相对于母相而言,它们具有几乎一样的晶体学取向分布,因而在电子衍射谱中呈现出单晶衍射特征。孪晶界面处存在同样细小颗粒的亚稳ω-Fe(C)相颗粒,该相具有六角结构,其点阵常数为aω-Fe=(?)aα-Fe;cω=(?)/2faα-Fe。该相与其密不可分的α-Fe之间存在特殊的取向关系,其晶体结构特征与其它体心立方金属和合金中的ω相极其相似。这种马氏体组织特征普遍存在于淬火态碳钢孪晶马氏体组织中,与碳含量多少无关。2.在低碳Fe-0.05C淬火态样品中,同样存在大量的体心立方{112}<111>型孪晶马氏体组织,其亚结构特征与高碳钢无甚差别。由于低碳合金中所对应的马氏体相变开始温度(Ms)点高,首先形成的孪晶马氏体组织,在其随后冷却至室温的过程中不可避免地经历了自回火而引起部分退孪晶过程。在超高碳合金中,Ms点低,退孪晶行为不明显,最初的马氏体组织特征得以完整保留,即孪晶马氏体组织。因此碳钢马氏体相变初生产物应该是体心立方{112}<111>型孪晶加上孪晶界面处的ω-Fe(C)相颗粒。3.各种碳钢组态的形成与孪晶马氏体组织的退孪晶行为密不可分,直接的电镜原位回火观察表明,从室温至200℃,孪晶马氏体组织未发生明显的变化;但在200～250℃之间,孪晶界面上的ω-Fe(C)相颗粒瞬间转变成渗碳体,并且颗粒度明显增大。同时,孪晶结构的基体和孪晶中的细小α-Fe晶粒发生瞬间粗化,类似于再结晶行为。这一过程伴随着孪晶结构的消失,即退孪晶过程。各种碳钢组态与退孪晶过程发生的温度和时间密不可分。上述研究结果,特别是孪晶马氏体组织是由细小α-Fe颗粒构成,将使我们对钢铁马氏体相变过程钢铁材料中一个重要基础理论,即马氏体相变过程,有一个更加深刻的认识。从而对钢铁组织的演变过程有一个更全面的了解和掌控,可以有效改变生产工艺和控制微观组织达到最佳性能的目的。由于ω相在体心立方金属体系中的普遍存在性,因而这些研究结果可以推广到其它金属及合金中,而不仅限于碳钢。