2.3.3　先共析转变和伪共析转变

在生产中大量使用的非共析钢（亚共析钢和过共析钢）的珠光体转变基本上与共析钢相似，只不过在珠光体转变之前会发生先共析相的析出，冷却速度大时还会发生伪共析转变。因此，在了解共析钢珠光体转变后，有必要进一步弄清先共析转变和伪共析转变等问题。

图2-60是Fe-Fe₃C相图的一部分，图中SG'为GS的延长线，SE'为ES的延长线。GSG'和ESE'两线将相图左下角划分为四个区域，GSE为熟知的奥氏体单相区，G'SE'为伪共析转变区，GSE'为先共析铁素体析出区，ESG'为先共析渗碳体析出区。

2.3.3.1　先共析转变

非共析钢完全奥氏体化后冷至GSE'或ESG'区域，将析出先共析相，待奥氏体进入ESG'区时将发生珠光体转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体。非共析成分的奥氏体在珠光体转变之前析出先共析相的转变称为先共析转变。

（1）亚共析钢先共析铁素体的析出。亚共析钢完全奥氏体化后如被冷却到GSE'区，将有先共析铁素体析出，如图2-60中的合金Ⅰ。随温度降低，铁素体的析出量逐渐增多，当温度降至T₂时，先共析相停止析出。

析出的先共析铁素体的量取决于奥氏体的碳含量和冷却速度。碳含量越高，冷速越大，析出的先共析铁素体量越少。

先共析铁素体的析出也是一个形核、长大的过程，并受碳在奥氏体中的扩散所控制。先共析铁素体的核大都在奥氏体晶界上形成。晶核与一侧的奥氏体晶粒［图2-61（a）中的γ₁］存在K-S关系，二者之间为共格界面，但与另一侧的奥氏体晶粒［图2-61（a）中的γ₂］无位向关系，二者之间是非共格界面。当然，在同一个奥氏体晶界上形成的另一个铁素体晶核，可能与奥氏体晶粒γ₁无位向关系，而与奥氏体晶粒γ₂存在K-S关系。核形成后，与其接壤的奥氏体的碳浓度将增加，在奥氏体内形成浓度梯度，从而引起碳的扩散，结果导致界面上碳平衡被破坏。为了恢复平衡，必须从奥氏体中继续析出低碳铁素体，从而使铁素体不断长大。

先共析铁素体的形态有三种，即块状（又称等轴状，图2-62）、网状（图2-63）和片状（图2-64）。一般认为，块状铁素体和网状铁素体都是由铁素体晶核的非共格界面推移而长成的。片状铁素体则是由铁素体晶核的共格界面推移而长成的。钢的化学成分、奥氏体晶粒的大小以及冷却速度的不同，使先共析铁素体的长大方式也各不相同，因而表现出各种不同的形态。

块状铁素体的形貌趋于等轴形。它可以在奥氏体晶界，也可以在奥氏体晶内形成。当亚共析钢奥氏体含碳量较低时，在一般的情况下，先共析铁素体大都呈等轴块状。这种形态的铁素体往往是在温度较高、冷却速度较慢的情况下形成的。此时，非共格界面迁移比较容易，故铁素体将向奥氏体晶粒γ₂（此晶粒与铁素体无位向关系）一侧长大成球冠状［图2-61（b）、（c）］，最后长成等轴状。

网状铁素体是由铁素体沿奥氏体晶界择优长大而成的。这种铁素体可以是连续的网状，也可以是不连续的网状。如果亚共析钢的奥氏体含碳量较高，当奥氏体晶界上的铁素体长大并连成网时，剩余奥氏体的碳浓度可能已经增加到接近共析成分，进入E'SG'区（图2-60），奥氏体将转变为珠光体，于是就形成了铁素体呈网状分布的形态。

片状铁素体一般为平行分布的针状或锯齿状。这种铁素体常被称为魏氏组织铁素体，是通过共格界面的推移而形成的。

（2）过共析钢先共析渗碳体的析出。过共析钢热到A_cm以上完全奥氏体化后，过冷到E'SG'区域时将析出先共析渗碳体。先共析渗碳体的组织形态可以是网状（图2-63）、粒状（图2-64）或针状（图2-65）。但在奥氏体晶粒粗大、成分均匀的情况下，先共析渗碳体的形态呈粒状的可能性很小，一般均呈针状（立体形状实际为片状，下同）或网状，称为魏氏组织渗碳体。

先共析针状渗碳体与奥氏体之间具有Pitsch关系，即，，。

2.3.3.2　魏氏组织

（1）魏氏组织的形态和分布。魏氏组织是一种沿母相特定晶面析出的针状组织，由奥地利矿物学家A.J.Widmanstatten于1808年在铁-镍陨石中发现。

钢中的魏氏组织是由针状先共析铁素体或先共析渗碳体及其间的珠光体组成的复相组织。魏氏组织中的先共析渗碳体，被称为魏氏组织渗碳体（图2-65），魏氏组织中的先共析铁素体，被称为魏氏组织铁素体（图2-66）。从奥氏体中直接析出的针状先共析铁素体被称为“一次魏氏组织铁素体”，如图2-61（d）所示；从网状铁素体长出的先共析针状铁素体被称为“二次魏氏组织铁素体”，如图2-61（e）所示。

魏氏组织薄片在母相中所占据的平面被称为惯习面。

魏氏组织铁素体的惯习面为（111）_γ，与母相奥氏体的位向关系为K-S关系，即

魏氏组织渗碳体的惯习面为{227}_γ，与母相奥氏体的位向关系为：

因为魏氏组织铁素体的惯习面是（111）_γ，因同一奥氏体晶粒内的{111}晶面或是相互平行，或是相交成一定角度，因此针状铁素体常常呈现为彼此平行，或互成60°或90°。有时可能是由于析出开始时温度较高，最先析出的铁素体沿奥氏体晶界成网状，随后温度降低，再由网状铁素体的一侧以针状向晶粒内长大，呈现为二次魏氏组织铁素体形态。

亚共析钢中的魏氏组织铁素体，单个的形貌是针状的，而从分布状态来看，则有羽毛状的、三角形的，也有的是几种形态的混合型。在对20CrMo等亚共析钢进行组织观察时，应注意不要把魏氏组织与上贝氏体混淆起来。虽然这两种组织的形貌很相似，但分布状况则不同。上贝氏体成束分布，魏氏组织铁素体则彼此分离，而且片之间常常有较大的夹角。

魏氏组织形成时，在抛光的试样表面也会出现表面浮凸。

（2）魏氏组织的形成条件。魏氏组织的形成条件与钢的化学成分、过冷度及奥氏体晶粒度有关。对碳钢而言，形成魏氏组织的条件如图2-67所示。由图可看出，只有当钢的碳含量w_C为0.2%～0.4%时，并在适当的过冷度下，才能形成魏氏组织铁素体W。魏氏组织的形成有一个上限温度W_S点。在这个温度以上，魏氏组织不能形成。钢的碳含量对W_S点的影响规律与对GS线及ES线的影响相似。奥氏体晶粒越细，W_S点越低。当碳含量w_C大于0.4%时主要形成网状铁素体G，w_C低于0.2%时，主要形成块状铁素体M。

钢中加入锰，会促进魏氏组织铁素体的形成，而加入钼、铬、硅等则会阻碍魏氏组织的形成。

魏氏组织铁素体的形成还与原奥氏体晶粒的大小有关，奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织。这是因为晶粒越大晶界越少，使晶界铁素体的数量减少，剩余的奥氏体所富集的碳也较少，有利于魏氏组织铁素体的形成，如图2-67（a）所示。另外，奥氏体晶粒越粗大，网状铁素体析出后剩余的空间也越大，给魏氏组织铁素体的形成创造了条件。因此魏氏组织常常出现在过热的钢中。当奥氏体晶粒较细小（如7～8级）时，则形成魏氏组织的可能性减小，如图2-67（b）所示。

连续冷却时，只有当钢的含碳量和过冷度都在适当的范围内才会形成魏氏组织。当奥氏体晶粒大小适中时，只有在含碳量w_C为0.15%～0.32%的较窄范围内，且冷却速度大140℃/s时才会形成魏氏组织。当奥氏体化温度较高，晶粒较粗大时，在w_C为0.15%～0.5%（特别是w_C为0.3%～0.5%）之间的亚共析钢，在较慢的冷速下就会形成魏氏组织。含碳量在共析成分附近的钢，一般不容易形成魏氏组织，如含碳量w_C大于0.6%的亚共析钢就难于形成魏氏组织铁素体。含碳量较高的过共析钢，只有当奥氏体晶粒较粗大，在适当的冷却速度下才会形成魏氏组织。

在实际生产中，如果工件在铸造、锻造或热轧后砂冷或空冷，焊接件的焊后空冷，热处理过热后以一定速度冷却等都可能出现魏氏组织。通过降低终锻、终轧温度，控制冷却速度，即可防止魏氏组织的产生。

魏氏组织铁素体也是通过成核、长大形成的。与网状或块状先共析铁素体的形成不同，在形成时有浮凸现象，因此柯俊院士认为魏氏组织铁素体是通过类似马氏体相变的切变机制形成的。铁素体核在奥氏体晶界上形成后，如温度较低，由于铁原子扩散变得困难，故使非共格界面不易迁移，而共格界面仍能迁移。因此，铁素体晶核不会向与其没有位向关系的奥氏体晶粒内长大，而只能向与其有位向关系的奥氏体晶粒内通过共格切变机制长大成针状。据此，很多人认为魏氏组织铁素体即无碳化物贝氏体。

魏氏组织铁素体的长大过程受碳原子在奥氏体中的扩散所控制。随着铁素体的不断长大和增多，未转变的奥氏体的碳含量不断增高，当整体碳浓度达到该转变温度下与铁素体接界处的平衡浓度值时，长大停止。未转变的高碳奥氏体，在继续等温保持或随后连续冷却时，将转变为珠光体，最终形成针状铁素体加珠光体的组织。

奥氏体晶粒越细小，先共析铁素体越易在晶界形核并长大，C原子扩散距离越短，奥氏体富碳越快，使W_S点下降到处理温度以下，故细晶粒奥氏体不易形成魏氏组织。

当钢的w_C超过0.6%时，魏氏组织难于形成，因为钢的碳含量高时不易形成铁素体核，即使形成，也很容易从高碳奥氏体中析出碳化物形成上贝氏体，而不易形成魏氏组织。

魏氏组织铁素体只在一定的冷却速度范围内才会形成。过慢的冷却有利于Fe原子扩散而形成网状铁素体。过快的冷却使C原子来不及扩散，从而抑制了魏氏组织铁素体的形成。

（3）魏氏组织的力学性能。由表2-3可见，魏氏组织以及经常与之伴生的粗晶组织，会使钢的强度，尤其是塑性和冲击韧性显著降低，还会使钢的韧脆转变温度升高。如w_C 0.2%、w_Mn 0.6%的造船钢板，当终轧温度为950℃时，韧脆转变温度为-50℃；而当终轧温度为1050℃时，由于形成魏氏组织和粗晶组织，结果使韧脆转变温度升高到-35℃。此时，应采用退火、正火或锻造等方法细化晶粒，消除魏氏组织以恢复性能。

当奥氏体晶粒较小，只有少量魏氏组织铁素体时，并不明显降低钢的力学性能，在某些情况下仍可使用。

2.3.3.3　伪共析转变

非共析成分的奥氏体经快冷而进入E'SG'区后将发生共析转变，即分解为铁素体与渗碳体的混合组织。这种共析转变被称为伪共析转变，转变产物被称为伪共析组织。伪共析组织仍属于珠光体类型的组织。例如图2-60中的合金Ⅰ和Ⅱ，当奥氏体被过冷到T₂温度时，合金Ⅰ不再析出先共析铁素体，合金Ⅱ不再析出先共析渗碳体，而是全部转变为珠光体类型的组织。其分解机制和分解产物的组织特征与珠光体转变完全相同，但其中的铁素体和渗碳体的量则与共析成分珠光体中的量不同，与奥氏体的碳含量有关，碳含量越高，渗碳体量越多。

产生伪共析转变的条件与奥氏体的含碳量及过冷度有关。含碳量越接近于共析成分，过冷度越大，越易发生伪共析转变。总之，只有当非共析成分的奥氏体被过冷到E'SG'区后，才可能发生伪共析转变。