2.3.1　珠光體的組織形態及晶體學

2.3.1.1　珠光體的組織形態

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的雙相組織。珠光體在光學顯微鏡下，呈現珍珠般的光澤，故稱珠光體。按滲碳體的形態，珠光體分可為片狀珠光體和粒狀珠光體兩種。

（1）片狀珠光體。滲碳體為片狀的珠光體，稱為片狀珠光體。片狀珠光體由相間的鐵素體和滲碳體片組成，如圖2-47所示。若干大致平行的鐵素體與滲碳體片組成一個珠光體領域（pearlite colony），或稱珠光體團（pearlite group）。在一個奧氏體晶粒內，可以形成幾個珠光體團（圖2-48）。

珠光體中滲碳體θ與鐵素體α片厚之和稱為珠光體的片間距，用S₀表示（圖2-48）。片間距是用來衡量片狀珠光體組織粗細程度的一個主要指標。片間距的大小主要取決于轉變時的過冷度，過冷度越大，即轉變溫度越低，珠光體的片間距越小。這是因為轉變溫度越低，碳的擴散速度越慢，碳原子難以做較大距離的遷移，故只能形成片間距較小的珠光體。另外，珠光體形成時，由于新的鐵素體與滲碳體界面的形成，將使界面能增加，這部分界面能是由奧氏體與珠光體的自由能差提供的，過冷度越大，所能提供的自由能越大，能夠增加的界面能也越多，片間距有可能越小。

共析碳鋼珠光體片間距S₀（nm）與過冷度ΔT（K）之間的關系可用下面的經驗公式表達：

　　（2-40）

進一步研究結果表明，只有當過冷度ΔT較小時，S₀才與ΔT的倒數存在線性關系。當過冷度較大時，數據較為分散。

按照片間距的大小，生產實踐中將片狀珠光體分為珠光體、索氏體和托氏體。在光學顯微鏡下能明顯分辨出片層組織的珠光體稱為片狀珠光體。若珠光體的形成溫度較高，如在A₁～650℃，則片間距較大，約為150～450nm。若形成溫度較低，如在600～650℃，則珠光體的片間距小到80～150nm，光學顯微鏡已難以分辨出片層形態，這種細片狀珠光體被稱為索氏體。若形成溫度更低，如在550～600℃范圍內，則片間距為30～80nm，被稱為托氏體。只有在電子顯微鏡下，才能分辨出托氏體組織中滲碳體與鐵素體的片層形態。

（2）粒狀珠光體。在鐵素體基體中分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱為粒狀珠光體（圖2-49）或球狀珠光體。粒狀珠光體一般是通過球化退火等一些特定的熱處理獲得的。對于高碳鋼中的粒狀珠光體，常按滲碳體顆粒的大小，分為粗粒狀珠光體、粒狀珠光體、細粒狀珠光體和點狀珠光體。滲碳體顆粒大小、形狀及分布均與所用的熱處理工藝有關，滲碳體的多少則決定于鋼中的碳含量。

（3）特殊形態的珠光體。當鋼材加入合金元素時，碳化物形成的原子M可能取代滲碳體中部分鐵原子，形成（Fe，M）₃C合金滲碳體，也可能形成MC、M₂C、M₆C、M₇C₃、M₂₃C₆等合金碳化物，即特殊碳化物。當鋼中存在合金滲碳體或合金碳化物時，珠光體的組織形態仍然主要是片狀珠光體和粒狀珠光體兩種。此外，還有一些特殊形態的珠光體，如碳化物呈針狀或纖維狀的珠光體。

碳化物呈纖維狀的珠光體其實是纖維狀碳化物與鐵素體的聚合體。這種聚合體的形態變化較多，有的像珠光體那樣有球團組織；有的直接從奧氏體長出具有大體平行的邊界；有的像樅樹葉，纖維以一個中軸對稱排列，如圖2-50所示。纖維的直徑約為20～50nm，其間距至少比普通珠光體組織小一個數量級，而且在碳的質量分數為0.2%時，就可以使鋼具有“全共析”組織。因此，這種組織具有很好的力學性能。例如，w_C為0.2%和w_Mo為4%的鋼，在600～650℃轉變后其屈服強度可達770MPa，已經在許多鋼中，主要在直接等溫處理或有時在控制冷卻中發現這種纖維狀組織。就目前所知，以這種形態存在的特殊碳化物可以是Mo₂C、W₂C、VC、Cr₇C₃和TiC。

2.3.1.2　片狀珠光體的晶體學

片狀珠光體一般在兩個奧氏體γ₁與γ₂的晶界上形核，然后向與其沒有特定取向關系的奧氏體γ₂晶粒內長大形成珠光體團。如圖2-51所示，珠光體團中的鐵素體及滲碳體與被長入的奧氏體晶粒之間不存在位向關系，形成可動的非共格界面。但與另一側的不易長入的奧氏體γ₁晶粒之間則形成不易移動的共格界面，并保持一定的位向關系。鐵素體α與不易長入的奧氏體γ₁之間保持K-S關系：{110}_α∥{111}_γ，［111］_α∥［110］_γ。

滲碳體θ則與不易長入的奧氏體γ之間保持Pitsch關系，該關系接近于：，［010］_θ∥［110］_γ，。

一個珠光體團內的鐵素體與滲碳體之間也存在著一定的位向關系，即Pitsch-Petch關系：，，。

如果有先共析鐵素體存在，珠光體是在先共析鐵素體上形核長成的，則珠光體團中的鐵素體與滲碳體之間存在Isaichv位向關系，即（101）_θ∥（112）_α。