loading金属固态相变理论研究进展
摘要：目前已经有一套相对完整的金属固态相变理论，但随着科学技术的进步和研究进一步深入，人们对相变组织的形貌和微观组织更加了解时，发现以前的金属相变理论知识陈旧，甚至存在错误，因此，开拓创新具有理论意义和应用价值。本人通过查阅最新文献，找到了最近刚更新的一些重要的概念，和珠光体转变、贝氏体相变和马氏体相变的相关理论。本文主要介绍珠光体转变、贝氏体相变和马氏体相变的最新进展情况。
关键词：固态相变；珠光体；贝氏体；马氏体。
金属固态相变过程和相变机理极为复杂，而钢中的相变是金属相变中最为复杂的，各种相变机制也存在争议，在争论中金属固态相变理论不断更新和发展发展。21世纪以来，奥氏体的形成、马氏体相变和回火转变研究欠活跃，进展缓慢，本文主要介绍珠光体转变、贝氏体相变和马氏体相变的最新进展情况。 珠光体是钢中发现比较早的组织，20世纪上半叶对珠光体转变理论进行了大量的研究工作，但60~80年代在马氏体和贝氏体研究的热潮中，珠光体相变的研究被冷落。80年代以后，索氏体组织及在线强化；非调质钢取代调质钢；高强度冷拔钢丝的研究开发等，使珠光体转变的研究有了一定的新进展。但是，共析分解的许多问题实际上并没有真正搞清楚。本文就珠光体的定义和共析分解机理等阐述其新理论、新认识。
20世纪50年代柯俊第一次对贝氏体相变的本质进行了研究。60年代末，美国冶金学家H.I.Aaronson等学者从能量上否定贝氏体转变的切变可能性。贝氏体相变机制方面形成了切变机制、扩散-台阶机制，切变-扩散复合机制等，并且经历了长达30多年的论争。进入21世纪以来，刘宗昌等人提出了切变-扩散整合机制。继承各类学术观点之所长，开拓创新，实现各类学术观点的整合，促进了贝氏体相变理论的发展。
1895年法国学者Osmond为纪念德国金相先驱者Adolph Martens，将钢经淬火后的组织命名为马氏体（martensite）。此后将母相（钢中奥氏体）→马氏体的相变统称为马氏体转变。1924年美国学者Edgar Bain在“马氏体的本质”论文中提出浮凸概念及fcc-bcc之间的晶体学对应关系，1936年Fink和Campbell由X射线衍射首次揭示钢中马氏体的体心正方（四角结构（此前猜测为α-Fe和Fe3C的混合物），开创了马氏体相变研究的先河。21世纪以来，刘宗昌等人对其进
一步研究，得出了一些新的理论。
1. 珠光体转变新理论
1.1 珠光体的新概念
以往，许多文献书刊中称“珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物”。此概念产生于20世纪前叶，延续应用至今，陈旧而不正确，理由有三：其一，由铁素体＋渗碳体构成的组织不完全称为珠光体，如碳素钢中的上贝氏体组织也可以由铁素体和渗碳体两相组成；其二，珠光体组织不是混合物，不是混合系统，而是一个整合系统；其三，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）。是铁素体和碳化物以相界面的有机结合，有序配合，平衡状态下铁素体及碳化物两相是成一定比例的，有一定的相对量。而且两相以界面相结合，存在金属键，各相之间还具有一定位向关系[1]。
钢中的珠光体的定义应当是过冷奥氏体共析分解得到的共析铁素体和共析渗碳体（或碳化物）的整合组织，而不是机械混合物。 1.2 共析分解新机制
珠光体(P)由共析铁素体和共析渗碳体两相(F+FeC)构成，是一个整体。作为共析反应，A→F+Fe3C，铁素体和渗碳体是同时同步生成的，不存在领先相，是“一分为二”的过程，即共析分解反应。领先相观点在理论上是错误的，也是不符合实际的。
根据试验观察，珠光体在晶界形核。理论计算得出：700℃珠光体的临界晶核半径r*=152nm；650℃时的临界晶核半径r* =70nm。奥氏体在650～700 ℃共析分解时，临界形 核功为△G=155～292J／mol，此值与相变驱动力比较，是合理的[3]。
珠光体中的铁素体和渗碳体片依靠共享台阶进行共析共生而竞争协同长大，铁素体和渗碳体享有共同的台面和阶面，在共析共生过程中，共析台阶是个整体，一起向奥氏体中推移而长大。所谓共享台阶机制是指共析转变产物中的铁素体和渗碳体 (或特殊碳化物 )，在相变前沿界面上存在可移动的生长台阶，该台阶属于两相共有，要求共析两相具有相同的生长速度。共析转变产物通过台阶的侧向迁移而长大。珠光体的形核-长大不单是体扩散，而是以界面扩散为主进行的扩散性相变，加上共享台阶，协同竞争，故珠光体的长大速度也较快。
2. 贝氏体相变新理论
2.1 贝氏体的新概念
贝氏体是金属固态相变理论中常用的重要概念。贝氏体的定义是两派争论的一个焦点问题。
（1）20世纪70年代，持切变观点的学者们认为：贝氏体是指中温转变时形成的针状分解产物。有3点特征：(1)针状组织形貌；(2)表面浮凸效应；(3)有自己的TTT图和Bs点，并将贝氏体定义为“铁素体和碳化物的非层片状混合组织”。
此定义已经过时且不准确。理由有以下三点：(1)不是混合，而是整合。自然系统是整合系统，不是混合系统，混合系统没有自组织功能；(2)铁素体和碳化物的非层片状组织不仅仅是贝氏体，像粒状珠光体、回火索氏体等也是铁索体和碳化物的非层片状组织；(3)表面浮凸效应不是贝氏体相变的特征，因此定义中不宜于涉及表面浮凸问题。
（2）持扩散观点的学者们则认为：Bs点和TTT图是合金元素对共析分解动力学的一种影响形式，贝氏体是“扩散的、非协作的、两种沉淀相竞争的台阶生长的共析分解产物”。认为贝氏体是共析分解的延续，贝氏体组织是共析分解的产物。
这一观点把贝氏体看成是共析分解的产物，很不正确。不能把贝氏体转变看成共析分解，二者存在本质上的区别，不能混为一谈。此外，该定义中“扩散的、非协作的、两种沉淀相竞争的台阶生长的共析分解 ”，此话说的是共析分解过程的属性，而非产物的属性。作为贝氏体的定义应当是贝氏体自身的物理本质的科学抽象，即指出贝氏体自身的属性，而不是贝 氏体相变过程的属性，不宜用过程的属性代替产物的属性。
21世纪以来，运用科学技术哲学的方法论，从系统整合观点出发，对于贝氏体相变及其产物，贝氏体的组织形貌和亚结构等进行了深入的观察和分析研究，从本质上定义了贝氏体[4]：钢中的贝氏体是过冷奥氏的中温转变产物，它以贝氏体和铁素体为基体，铁素体内部有亚单元及较高密度的位错等亚结构，同时有渗碳体、残留奥氏体等相构成的整合组织。 2.2 贝氏体相变新机制
中温转变的贝氏体相变，其相变机制、组织结构更为复杂，具有过渡性质，相变过程和产物在质上和量上均具有过渡性。贝氏体和贝氏体相变更为复杂，其最主要的特征是其相变的过渡性。
2.2.1中温转变是过冷奥氏体转变的中间过渡环节
过冷奥氏体作为一个整合系统，从整体上看，从高温区的扩散性的共析分解到低温区的马氏体无扩散相变是一个逐级演化的过程。全过程可以分为三个不同性质的阶段：即高温区的珠光体转变→中温区的贝氏体相变→低温区的马氏体相变。三个阶段既有联系又有区别，应当把握整合系统的整体性，中温转变是这个系统的中间过渡环节。
碳及合金元素原子的扩散速度随着温度的降低而减慢，是导致分阶段转变的诱因。在高温区，原子扩散能力强，奥氏体进行扩散型的共析分解转变为珠光体组织；而在低温区，Fe原子和替换原子难以扩散，则发生无扩散的马氏体相变；在中温区，碳原子尚有足够的扩散能力，能够长程扩散。但铁原子和替换原子的位移方式是复杂的，界面热激活跃迁是重要方式之一，发生贝氏体相变。 贝氏体转变与共析分解、马氏体相变既有区别，又有联系。表现出从扩散型相变到无扩散型相变的过渡性、交叉性。同时又具有自己的特殊性。它既打上了共析分解的“烙印”，又打上了马氏体相变的“烙印”。
过冷奥氏体作为一个整合系统，从高温区到低温区，从扩散型转变过渡到无扩散型转变，系统自组织功能安排一个过渡区，即中温转变区，是符合自然事物的演化规律的。在相变机制和转变产物的组织结构方面表现为过渡性特征。 2.2.2 贝氏体转变具有变温转变和等温转变特征
在高温区，过冷奥氏体等温分解为珠光体，其转变量随着时间的延长不断增加，直到转变为100％的珠光体为止。
在低温区，钢中的马氏体转变量具有降温转变特征，具有Ms、Mf点。即随着温度的降低，马氏体转变量不断增加，而且转变不彻底，往往存在不同程度的残留奥氏体。
在中温区，贝氏体相变中，具有Bs，Bf点，也具有随着温度的降低，贝氏体转变量不断增加的现象。如图1的动力学曲线所示，随着温度的降低，贝氏体转变量逐渐增加到10％、25％、50％、75％……这一点与马氏体的降温转变相似；但是从图中又可见，如果在Ms点稍上等温，例如在320℃等温时，则随着等温时间的延长，贝氏体转变量是不断增加的，这一点与珠光体等温转变相似。由此可见，贝氏体相变具有变温转变和等温转变的双重特征，呈现过渡性。