2.3.1　珠光体的组织形态及晶体学

2.3.1.1　珠光体的组织形态

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的双相组织。珠光体在光学显微镜下，呈现珍珠般的光泽，故称珠光体。按渗碳体的形态，珠光体分可为片状珠光体和粒状珠光体两种。

（1）片状珠光体。渗碳体为片状的珠光体，称为片状珠光体。片状珠光体由相间的铁素体和渗碳体片组成，如图2-47所示。若干大致平行的铁素体与渗碳体片组成一个珠光体领域（pearlite colony），或称珠光体团（pearlite group）。在一个奥氏体晶粒内，可以形成几个珠光体团（图2-48）。

珠光体中渗碳体θ与铁素体α片厚之和称为珠光体的片间距，用S₀表示（图2-48）。片间距是用来衡量片状珠光体组织粗细程度的一个主要指标。片间距的大小主要取决于转变时的过冷度，过冷度越大，即转变温度越低，珠光体的片间距越小。这是因为转变温度越低，碳的扩散速度越慢，碳原子难以做较大距离的迁移，故只能形成片间距较小的珠光体。另外，珠光体形成时，由于新的铁素体与渗碳体界面的形成，将使界面能增加，这部分界面能是由奥氏体与珠光体的自由能差提供的，过冷度越大，所能提供的自由能越大，能够增加的界面能也越多，片间距有可能越小。

共析碳钢珠光体片间距S₀（nm）与过冷度ΔT（K）之间的关系可用下面的经验公式表达：

　　（2-40）

进一步研究结果表明，只有当过冷度ΔT较小时，S₀才与ΔT的倒数存在线性关系。当过冷度较大时，数据较为分散。

按照片间距的大小，生产实践中将片状珠光体分为珠光体、索氏体和托氏体。在光学显微镜下能明显分辨出片层组织的珠光体称为片状珠光体。若珠光体的形成温度较高，如在A₁～650℃，则片间距较大，约为150～450nm。若形成温度较低，如在600～650℃，则珠光体的片间距小到80～150nm，光学显微镜已难以分辨出片层形态，这种细片状珠光体被称为索氏体。若形成温度更低，如在550～600℃范围内，则片间距为30～80nm，被称为托氏体。只有在电子显微镜下，才能分辨出托氏体组织中渗碳体与铁素体的片层形态。

（2）粒状珠光体。在铁素体基体中分布着颗粒状渗碳体的组织，称为粒状珠光体（图2-49）或球状珠光体。粒状珠光体一般是通过球化退火等一些特定的热处理获得的。对于高碳钢中的粒状珠光体，常按渗碳体颗粒的大小，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。渗碳体颗粒大小、形状及分布均与所用的热处理工艺有关，渗碳体的多少则决定于钢中的碳含量。

（3）特殊形态的珠光体。当钢材加入合金元素时，碳化物形成的原子M可能取代渗碳体中部分铁原子，形成（Fe，M）₃C合金渗碳体，也可能形成MC、M₂C、M₆C、M₇C₃、M₂₃C₆等合金碳化物，即特殊碳化物。当钢中存在合金渗碳体或合金碳化物时，珠光体的组织形态仍然主要是片状珠光体和粒状珠光体两种。此外，还有一些特殊形态的珠光体，如碳化物呈针状或纤维状的珠光体。

碳化物呈纤维状的珠光体其实是纤维状碳化物与铁素体的聚合体。这种聚合体的形态变化较多，有的像珠光体那样有球团组织；有的直接从奥氏体长出具有大体平行的边界；有的像枞树叶，纤维以一个中轴对称排列，如图2-50所示。纤维的直径约为20～50nm，其间距至少比普通珠光体组织小一个数量级，而且在碳的质量分数为0.2%时，就可以使钢具有“全共析”组织。因此，这种组织具有很好的力学性能。例如，w_C为0.2%和w_Mo为4%的钢，在600～650℃转变后其屈服强度可达770MPa，已经在许多钢中，主要在直接等温处理或有时在控制冷却中发现这种纤维状组织。就目前所知，以这种形态存在的特殊碳化物可以是Mo₂C、W₂C、VC、Cr₇C₃和TiC。

2.3.1.2　片状珠光体的晶体学

片状珠光体一般在两个奥氏体γ₁与γ₂的晶界上形核，然后向与其没有特定取向关系的奥氏体γ₂晶粒内长大形成珠光体团。如图2-51所示，珠光体团中的铁素体及渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间不存在位向关系，形成可动的非共格界面。但与另一侧的不易长入的奥氏体γ₁晶粒之间则形成不易移动的共格界面，并保持一定的位向关系。铁素体α与不易长入的奥氏体γ₁之间保持K-S关系：{110}_α∥{111}_γ，［111］_α∥［110］_γ。

渗碳体θ则与不易长入的奥氏体γ之间保持Pitsch关系，该关系接近于：，［010］_θ∥［110］_γ，。

一个珠光体团内的铁素体与渗碳体之间也存在着一定的位向关系，即Pitsch-Petch关系：，，。

如果有先共析铁素体存在，珠光体是在先共析铁素体上形核长成的，则珠光体团中的铁素体与渗碳体之间存在Isaichv位向关系，即（101）_θ∥（112）_α。