课堂 | 珠光体的组织形态与晶体结构

一、珠光体形态

▲图1 共析钢在700℃形成的片状珠光体

▲图3 a）普通片状珠光体  b）索氏体  c）屈氏体

当珠光体在更低温度形成时，在高倍率光学显微镜下，形成的组织外形呈黑色针状，叫做“针状珠光体”。如放大倍率较低，其形态是由许多针组成的冰花状，如图4 所示。对亚共析钢或过共析钢，将从过冷奥氏体中析出先共析铁素体或先共析渗碳体，一般也放在珠光体转变这部分讨论。

▲图4 8Cr3钢在580℃等温兴澄的针状珠光体 600X

在工业用钢中，也可见到铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，如图5。这种组织称为“粒状珠光体”或“球状珠光体”，也有人建议叫“球化体”。

▲图5 高碳钢中的粒状珠光体

应该指出，经普通球化退火之后，钢中的渗碳体，并不能都成为尺寸相等的球状，随着钢中的原始组织和退火工艺不同，粒状珠光体的形态也不一样。粒状珠光体中的碳化物大小、形态和分布，常常对最终热处理（淬火、回火）后的组织和性能产生影响。对于高碳工具钢中的粒状珠光体，常按渗碳体的颗粒大小，分为粗粒状珠光体、粒状珠光体、细粒状珠光体和点状珠光体。

虽然，珠光体有多种形态，但是本质上都是铁素体与渗碳体的固定比例混合物。透射电子显微镜观察表明，在退火状态下，珠光体的铁素体中位错密度较小，渗碳体中的位错密度更小。片状珠光体中铁素体与渗碳体片两相交界处常具有较高的位错密度，如图6所示。从图中还可以看出，在同一片状珠光体领域中，存在亚晶界，构成许多亚晶粒。

▲图6 片状珠光体的薄膜透射电镜照片

在片状珠光体中，特别是在索氏体或屈氏体中，铁素体或渗碳体片彼此并不绝对平行，渗碳碳体片的厚度也并非绝对均匀。

珠光体形成时，新相（渗碳体和铁素体）与母相（奥氏体）有着一定的晶体学位向关系，使新相和母相原子在界面上能够较好地匹配。珠光体形成时，其中的铁素体与奥氏体的位向关系为：（110)γ ‖ (112) α， [112]γ‖［110]α，而在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系则为:（111) γ‖ (110)α， [110]γ‖[111]α这两种位向关系的不同，说明珠光体中的铁素体与先共析铁素体具有不同的转变特性。珠光体中的渗碳体与奥氏体的位向关系，比较复杂。

运用薄膜透射电镜分析，配合选区电子衍射分析，可以测定珠光体中铁素体与渗碳体片之间的位向关系，通过对许多试样进行测定而表明，在一个珠光体团中，铁素体与渗碳体的晶体 位向基本是固定的，两相间存在着一定的位向关系。这种位向关系通常有两类:

第一类（001)cem ‖（211)α，[100]cem ‖ [011]α，[010]cem‖[111]α ;

第二类（001)cem ‖（521)α，[100]cem ‖ [131]α，(相差2°36')；[010]cem‖［113]α（相差2°36')。

第一类位向关系，常常是珠光体晶核在奥氏体晶界上有先共析渗碳体产生时测出的；第二类位向关系，常常是珠光体晶核在纯奥氏体晶界上产生时测出的。

采用金相法测定片状珠光体的层间距离时，由于试样磨制时对每个珠光体团切割角度不同，在显微镜观察到的层间距离往往差异很大，只有当试样切割的平面与珠光体片层垂直时，所得到的层间距离，才接近真实的层间距离。有些研究得出，对一定成分的钢在一定温度下形成的珠光体而言，每个珠光体团内的真实层间距离不是单值，而是一个在中值附近的统计分布，即使在单个珠光体团中的层间距离，也具有这种在某中值附近统计分布的特性。因此，珠光体的层间距离更确切地应该叫作平均层间距离。平均层间距离和从磨面上所观察到的最小表面层间距离不同，前者一般约大50%左右。

珠光体层间距离的大小，主要决定于珠光体形成温度。冷却速度越大，形成温度越低（过冷度越大），层间距离越小，如图7所示。

▲图7 T12钢过冷奥氏体分解产物的层间距离与过冷度的关系

产生这种结果的原因，是由于形成温度降低，C的扩散速度减慢，C原子迁移较大的距离困难，需要形成层间距离较小的珠光体。但层间距离减小，则铁素体与渗碳体的相界面增大，使形成这两个相所需的表面能增高。这部分表面能由增大过冷度得到的化学自由能来提供。因之，一定的过冷度下，有一定的层间距离。随过冷度的增大层间距离减小。

碳素钢中珠光体的层间距离与过冷度的关系，可用下列经验公式表达：

   （1）

式中 S-珠光体的层间距离；

▲图9 珠光体中渗碳体片的厚度与层间距离的关系

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