4.1 珠光体的组织形貌和表面浮凸
4.1.1 珠光体的定义
在20世纪的书刊中称珠光体为“铁素体与渗碳体的机械混合物”，此概念陈旧、不正确。首先，由铁素体加渗碳体构成的组织不全是珠光体，如碳素钢中的上贝氏体也是由铁素体与渗碳体两相组成的；第二，钢中的珠光体是过冷奥氏体的共析分解产物，其相组成物是共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物），是铁素体与碳化物以相界面有机结合、有序配合的。在平衡状态下，铁素体及碳化物两相是成一定比例的，并有一定相对量。此外，两相以界面相结合，各相之间存在一定的位向关系，是一个整合系统，而非混合系统[1]。这说明珠光体中的两相是有机结合，而非机械混合。
钢中珠光体的新定义为：共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）有机结合的整合组织。
钢中珠光体转变的定义为：过冷奥氏体在Ar1温度同时析出铁素体和渗碳体（或合金碳化物）两相，由此构成珠光体组织的扩散型一级相变，称为珠光体转变[2]，即钢中的共析分解。
4.1.2 珠光体的组织形貌
在钢中，组成珠光体的相有铁素体、渗碳体、合金渗碳体以及各类合金碳化物，各相的形态与分布形形色色。珠光体的组织形貌有片状、细片状、极细片状，点状、粒状、球状，以及渗碳体呈不规则形态的类珠光体；“相间沉淀”本质上也是一种珠光体组织形态。
按照片间距不同，片状珠光体可以分成珠光体、索氏体、托氏体三种类型。在光学显微镜下能够明显分辨出片层，片间距大于150nm的珠光体组织称为珠光体；在光学显微镜下难以分辨片层，片间距为80～150nm的珠光体组织称为索氏体；在更低温度下形成的片间距为30～80nm的珠光体称为托氏体，只有在电子显微镜下才能观察到其片层结构。图4-1所示为片状珠光体的扫描电镜照片。
图4-1 片状珠光体的组织形貌
a）珠光体的立体形貌（SEM）[3] b）T8钢的索氏体（SEM）
在共析碳素钢中，渗碳体的体积分数超过12％。从某种意义上说，珠光体是一种天然的超微细复合材料。如果能使其渗碳体片细化后再迅速球化，并控制其长大倾向，那么利用渗碳体颗粒对铁素体晶粒长大的抑制作用来获得超细晶粒组织是完全可能的，这对于实现钢铁组织的超微细化是很有意义的。此外，研究表明，珠光体钢经过室温大应变拉拔变形后，其强度可达5700 MPa，是现今世界强度最高的结构材料之一。因此，研究人员极为重视对片状珠光体钢丝在拉拔变形过程中的微观组织结构的研究。
图4-2 Fe-1.4％C合金的粒状珠光体组织（OM）
当共析渗碳体（或碳化物）以颗粒状存在于铁素体基体时，称为粒状珠光体。粒状珠光体可以通过不均匀的奥氏体缓慢冷却时分解而获得，也可通过其他热处理方法获得。碳化物颗粒的大小不等，一般为数百纳米到数千纳米。粒状珠光体较片状珠光体韧性好、硬度低，且淬火加热时不容易过热，是淬火前良好的预备组织。图4-2所示为wC＝1.4％的超高含碳量钢的粒状珠光体的组织，其中渗碳体含量较多，颗粒较为粗大。
当转变温度较低，或奥氏体成分不够均匀时，碳化物不能以整齐的片层状长大，而是杂乱曲折地分布于铁素体的基体上，即为类珠光体。类珠光体也是共析铁素体和碳化物的整合组织。
4.1.3 珠光体的片间距
在片状珠光体中，相邻两片渗碳体（或铁素体）中心之间的距离称为珠光体的片间距。具体转变温度是影响珠光体片间距大小的主要因素之一。随着冷却速度增加，奥氏体转变温度降低，也即过冷度不断增大，转变形成的珠光体片间距不断减小。其原因如下：①转变温度越低，碳原子扩散速度越小；②过冷度越大，形核率越高。这两个因素与温度的关系都是非线性的，所以珠光体的片间距与温度的关系也应当是非线性的。自然界大量存在的相互作用是非线性的，线性作用只不过是非线性作用在一定条件下的近似[4]。
20世纪将珠光体片间距与温度的关系处理为线性关系[5，6]。图4-3所示为测得的碳素钢珠光体片间距与过冷度的关系，图中曲线1是原图的直线，为线性关系，是不确切的；曲线2是本书作者重新描绘的，为非线性关系，较符合实际。只有当过冷度很小时，才有近似的线性关系，总体来看是非线性的。
图4-3 珠光体片间距与形成温度之间的关系
4.1.4 珠光体的表面浮凸
以往认为珠光体转变不存在表面浮凸现象。刘宗昌等人应用扫描电镜和扫描隧道显微镜研究共析钢过冷奥氏体在试样表面转变的情况时，发现了表面珠光体、铁素体等产物存在表面浮凸现象[6，7]。珠光体表面浮凸的发现具有实际意义和重要的理论价值。
1.珠光体表面浮凸的形貌
为了观察珠光体的表面浮凸，对光亮的真空退火后的试样不进行任何处理，即不经硝酸酒精浸蚀，随即用扫描电镜直接进行观察，发现其具有珠光体组织形貌的表面浮凸，如图4-4所示。可见，试样表面有较为明显的凸起，其中白亮的片条是渗碳体的凸起，灰暗色片条为铁素体片，晶界处的灰暗色为先共析铁素体；同时，对各珠光体领域进行测量，得平均片间距约为300nm。
对真空退火后的T8钢试样采用隧道扫描显微镜（STM）直接进行观测。对试样表面选取不同点进行大量扫描，发现试样表面的浮凸形貌与片状珠光体一致。图4-5所示为观测结果，其中图a是一个片状珠光体领域的表面浮凸形貌，图b为对应图a中的箭头所指的浮凸高度剖面线。
2.珠光体表面浮凸的成因
20世纪20年代首先在马氏体中发现了表面浮凸现象，并且认为马氏体浮凸呈“N”形，是马氏体相变时切变造出的。后来在贝氏体相变和魏氏组织中均发现了浮凸现象，但认识不一，切变学派认为是切变的结果；扩散学派认为浮凸呈帐篷形，非“N”形，不具备切变特征[8]，但没有提出令人信服的浮凸形成机制。珠光体转变表面浮凸现象用切变机制解释显然行不通，因为珠光体转变是扩散型相变。
图4-4 未经浸蚀的真空退火后的珠光体表面浮凸（SEM）
图4-5 STM珠光体表面浮凸
a）浮雕图像 b）图a中箭头所指的高度剖面线
珠光体表面浮凸总体上是由珠光体中的铁素体凸起和渗碳体凸起组成的，铁素体片和渗碳体片凸起后依旧是平行的片状排列。对于珠光体铁素体和渗碳体的凸起，每一片的表面浮凸高度剖面线均呈现“∧”形。比体积不同和不均匀膨胀是形成珠光体浮凸的原因。
由表4-1可知，奥氏体、铁素体、渗碳体各相的比体积不同，奥氏体在向珠光体转变时，比体积增大，体积膨胀，而且奥氏体向渗碳体转变比奥氏体向铁素体转变的比体积变化大。就铁素体和渗碳体分别相对奥氏体的比体积差计算可知：渗碳体与奥氏体的比体积差是铁素体与奥氏体比体积差的二倍。图4-4中的白亮片条是渗碳体，灰暗色的为铁素体片条。晶界处的先共析铁素体也是灰暗色的。
表4-1 碳钢中各相的比体积[9，10]
过冷奥氏体转变为马氏体、下贝氏体和珠光体时均发生体积的增大，其体积变化
V
和长度变化
之值列于表4-2中。
为长度变化率，体积变化与长度变化的关系为：
。当T8钢奥氏体转变为珠光体组织时，
＝0.0099。
表4-2 碳素钢过冷奥氏体相变时的尺寸变化[9，10]
应当指出，当试样表面层的奥氏体晶粒转变为珠光体时，若各向（x、y、z）均匀地膨胀，则在试样表面不会观测到浮凸，因此浮凸是各相在表面层不均匀膨胀造成起伏的结果。当奥氏体转变为铁素体和渗碳体时，膨胀量不等，渗碳体相膨胀量较大、铁素体相膨胀量较小（表4-1），在试样表面形成高低不平的起伏，即浮凸。
试样表面层的奥氏体相变膨胀时，与试样内部的相变环境不同。内部转变为珠光体时，相变膨胀受到三向压应力作用；而试样表面层的奥氏体转变为珠光体时，试样表面x、y向受到的压力或阻力与z方向不同，在垂直于表面的＋z方向上，可向空中自由膨胀，如图4-6a所示。从而在表面层的奥氏体向珠光体转变时，必然会产生不均匀的体积膨胀。如果应变εx＝0，εy＝0，则体积膨胀造成的应变将集中在z向，即εz＞0。由于珠光体领域形成的先后次序不同，时间不等，渗碳体和铁素体的膨胀量也不等，这必使得试样产生表面起伏。如图4-6b所示，在一个珠光体团中的渗碳体片凸起最高，铁素体片也有膨胀。
应当指出，渗碳体片的膨胀凸起不能孤立地进行，它与两侧的铁素体片相连接，由于比体积不同，膨胀不协调，必然相互拉压而产生应变。晶格之间的拉应力阻碍表面的凸起，使得产生凸起部分和未凸起或凸起小的部分之间存在过渡区，由未凸起或凸起小的部分向凸起的峰值渐变，在高度剖面线上出现“山坡”，从谷值到峰值之间，存在有斜率的曲线。这样，渗碳体片应变变成“∧”形，而铁素体则变成“∨”形，这就是图4-5b中高度剖面线上的曲线峰的形状的来源[11]。
图4-6 珠光体转变时的表面浮凸及应力状态示意图
a）表面晶粒和内部应力状态 b）渗碳体片和铁素体片向z方向膨胀凸起的分析图