0# 铁碳合金的非平衡凝固现象

在铁碳合金的凝固过程中，实际生产往往处于非平衡状态，此时存在一定的过冷度。随着过冷度的不同，钢中的奥氏体会发生不同的转变。当过冷度较小时，奥氏体会进行接近平衡状态的珠光体转变；而随着转变温度的进一步降低，则会引发贝氏体转变和马氏体转变这两种非平衡转变。

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珠光体转变，即在过冷度不大的情况下发生的共析转变。当共析钢冷却至A1温度以下时，奥氏体中的铁素体和渗碳体达到过饱和状态，从而触发共析转变，即γS⇄αP+Fe3C。这一过程将形成铁素体与渗碳体交替排列的片层状共析组织，这种组织是一种机械混合物。

另一方面，马氏体转变则发生在钢中过冷奥氏体降至Ms点（约230℃）以下时，并持续至马氏体形成终了温度Mf。值得注意的是，马氏体转变不仅存在于钢中，还广泛见于许多其他材料中，这种转变机制被称为马氏体型相变。在钢中，形成的马氏体是一种过饱和碳溶于铁素体的间隙固溶体，具有单相组织特征。其形成过程独特，显微结构亦与众不同，与珠光体转变和贝氏体转变的产物有着显著差异。


贝氏体转变：当过冷奥氏体处于550℃至Ms（马氏体转变开始温度）之间时，会发生贝氏体转变，这是一种中温转变。其转变温度介于珠光体转变与马氏体转变之间，且转变速率相对较慢。

贝氏体：贝氏体以B表示，同样是由铁素体与渗碳体构成的机械混合物。然而，其形貌和渗碳体分布与珠光体型有所不同，硬度则更高。

马氏体组织：马氏体组织根据其常见形貌，可分为两大类，主要与碳含量相关。板条状马氏体是低碳钢中的典型组织，其中原奥氏体晶粒内包含多个板条块，每个板条块又由数个平行的板条束组成。板条束内则分布着众多平行的马氏体板条，每个板条均为单晶体，具有高密度的位错，因此又被称为位错型马氏体。


片状马氏体（针状马氏体）：在高碳钢中，凸透镜片状的马氏体在光学显微镜下展现出针状或竹叶状形态，其马氏体片并非平行排列，而是被残余奥氏体所环绕。这些马氏体的亚结构以孪晶为主，边缘区域富含高密度位错。特别地，孪晶结合处形成的带状薄筋被称为中脊，该中脊区域富含高密度的微细孪晶，因而又被称为孪晶型马氏体。

中碳钢的组织特点

中碳钢的组织由板条状马氏体和片状马氏体共同构成，此外还可见到蝶状和薄片状的马氏体。

马氏体转变的特性

马氏体转变具有一系列独特的特性，包括无扩散性、共格切变性、存在惯习面及新相母相间的位向关系、表面浮凸效应、转变速度极快等。同时，马氏体转变还不完全，存在残余奥氏体，并且具有可逆性。

马氏体的形状记忆效应

某些金属材料在变形后，加热至特定温度以上时，能够恢复至变形前的形状，这种现象被称为形状记忆效应。这种材料被称为形状记忆合金。其背后的科学原理在于马氏体转变的无扩散性、共格切变性和可逆转变性。

马氏体的性能

板条状马氏体由于碳含量较低，具有较高的塑韧性，而片状马氏体则由于碳含量较高，显示出较大的脆性。此外，马氏体还具有高强度和高硬度的特性，这主要归功于固溶强化、碳原子偏聚到位错线处的强化作用以及马氏体相变的切变性所产生的大量内部缺陷。
此外，原奥氏体晶粒的细小程度对板条马氏体的尺寸及强度有着显著影响。当原奥氏体晶粒更为细小时，所形成的板条马氏体也相应减小，进而导致材料具有更高的强度。

表2 马氏体知识点汇总

05 贝氏体组织

贝氏体组织，根据其常见形貌，可分为两大类，分别对应不同的温度区间。

上贝氏体（B上），其形成温度范围在550℃至350℃之间，形态似羽毛。虽然其硬度略低于相同成分的下贝氏体，但韧性更差，因此机械性能相对较差，脆性大，强度低，实用价值有限。

下贝氏体（B下），则是在350℃至Ms点之间的温度范围内形成，形态为针状或片状。它具有较高的强度和硬度，同时保持良好的塑性和韧性，综合机械性能优异，是实际生产中常用的组织类型，也是强化钢材的重要途径之一。

此外，还存在其他类型的贝氏体，如粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、准上/下贝氏体、特殊下贝氏体、柱状贝氏体以及反常贝氏体等。这些贝氏体在钢中的归类可以以上贝氏体和下贝氏体为代表进行划分。

贝氏体转变的机制涉及半扩散型相变，其中碳原子进行短程扩散，而铁原子则发生共格切变。值得注意的是，关于贝氏体转变的具体机制，目前学术界仍存在一定争议。接下来，我们探讨贝氏体的性能。在强度方面，下贝氏体由于具有细小、数量多且分布均匀的碳化物颗粒，因此其强度高于上贝氏体。而在韧性方面，上贝氏体中粗大的碳化物导致裂纹迅速扩展，使得其韧性明显低于下贝氏体。
图5展示了贝氏体转变的机制，其中涉及到的半扩散型相变和共格切变等关键过程。同时，该图也为我们提供了理解贝氏体性能差异的重要线索。