共析分解

合金中扩散型固态相变

共析分解是合金中扩散型固态相变之一。二元合金中的高温固相，在一定的温度下，分解为在该温度稳定的两个新合金相，一个贫第二组元，另一则富第二组元。新合金相可以是两个固溶体（或纯组元），也可以是一个固溶体（或纯组元）和一个化合物或两个化合物。

概念简介

共析分解γ→α + β 在多种合金系中显示。在Fe-C 及钢中称为珠光体相变：奥氏体（γ）→铁素体（α） + 渗碳体（θ）或碳化物。共析分解时，在一个母相晶粒内形成几个领域或胞，每领域或胞内两个新相具有合作取向，故又称胞状相变。关于共析分解的研究，以往以钢中的珠光体相变为典型先例。

内容分析

上列以往工作都指明共析分解为扩散型相变，且两个新相合作形成，即A-B 二元系中当母相γ 内形成富A 的α 相后，由于其周围富B，促使富B 的β 相形成。如Fe-C 奥氏体晶界上形成Fe3C 相后，使其周围贫碳（富铁）促使铁素体形成，两相形成具合作特征，成为层状珠光体。

根据钢中珠光体内Fe3C 往往和先共析Fe3C 相连续，且钢内晶界往往呈碳的偏聚，易在晶界上先沉淀出Fe3C，因此认为珠光体相变的领先相为Fe3C。其实，钢内珠光体相变的领先相不一定为渗碳体，领先相似应决定于钢的成分，如亚共析钢珠光体在奥氏体晶内形核时可能由铁素体领先形成，过共析钢则先由渗碳体形成。含Si 钢中，由于Si 阻碍Fe3C 的形成，珠光体相变的领先相也可能为铁素体。γ→α + β 共析分解的领先相似可由一定温度下|ΔGγ→α | 和|ΔGγ→β | 值大者担任。

不论经连续冷却、或在一定过冷度下经等温开始，共析分解时，两相呈合作形核和长大，其中一相为领先相，其领先程度（有时可能极小，以10－n秒计，n > 2，可能很难以实验测定）或两相形成的时间差决定于组元的扩散率。

形核长大

共析分解的形核与长大的研究以往多集中在钢内的珠光体相变。珠光体以渗碳体为领先相在奥氏体晶界（碳易偏聚在晶界）形核、长大（渗碳体与过共析渗碳体相连续），为使应变能减低，及较广阔界面易吸收碳分，呈魏氏组织向一个晶粒内生长。待其周围贫碳至一定程度，形成铁素体，并长大，其周围因富碳使Fe3C 形核并长大，形成一个珠光体领域。然后由这个领域侧向又形成Fe3C 晶核并长大，及长大另一个新的领域。

奥氏体的晶粒大小影响珠光体的孕育期（因增大而延长）和形核率，而不影响珠光体片层的生长速率，强调了珠光体的晶界形核。

在钢中，珠光体也能在奥氏体晶内形核。近年来，为发展细晶铁素体增加钢的强度，在钢中引入夹杂物作为珠光体的有利形核位置，其主要条件为: 夹杂物/新相间的界面能较母相/新相间的低，以及夹杂周围形成局域的较低溶质浓度; 夹杂与母相间的应变能也可能减低新相形核的能垒。

如由于Ti（C，N）周围形成低碳层，V（C，N）形成低能界面，以及MnS（+ TiN）周围形成贫Mn 层使铁素体有利形核。因此，引入夹杂物不但在低中碳钢中奥氏体晶内有利铁素体形核为领先相，如中碳钢中加入V、CuS和Ti2O3，并且在过共析锰钢加入（MnS + VC），由于局域Mn 和C贫化，有利铁素体领先形核。晶内形核后两相合作生长与晶界形核的相似，但两者在晶体学迥异。可见，研究领先形核及合作生长，对界面能的测定和计算至关重要。

台阶机制

承袭蒸气凝聚和液相凝固时以单原子高度的台阶（或螺位错形成的台阶）作为新相长大机制，应用于固态相变，并观察到Fe-C 合金中，奥氏体析出先共析铁素体的宽面上存在台阶，提出固态相变的台阶长大机制。由于新相/母相间的界面往往为共格（coherent）或半共格（semi-coherent）界面，其中含有错配位错（抵消两相间原子错配）以及不全位错等不动位错，不能在垂直宽面方向上作滑移或攀移，只能利用台阶边的扩散长大，使相界面在垂直方向推移。以后在Al-Ag（fcc 中析出hcp 相）、Cu-Al 中沉淀相析出，以及贝氏体相变中台阶机制都得到证实。材料固态相变中，新相/母相间的相界面一般为共格或半共格界面。

研究进展

上世纪末，欧洲兴起应用同步辐射X 射线三维仪进行相变研究。Offerman 等以这种设备测得0.21C-0.51Mn-0.20Si 钢中奥氏体→铁素体在晶界形核时，相界面能比经典理论预测的小二个数量级以上，即相变驱动力小于经典理论值就能形核。Aaronson 等对此文曾提出一些质疑，如: 是否忽略了扩散场的重叠，但Offerman 等答称这些质疑并不影响所得到的结果。

晶界（尤其是三个晶粒隅角）有利形核（晶界上溶质偏聚，形核时出现的界面能低，而晶界形核后消除的能量大时，就会出现这些情况）。因此，对形核所需克服能垒的计算须考虑合金的成分、晶界结构和偏聚以及温度等因素。

总结

共析分解以Fe-C 珠光体相变为典型，经半世纪以上的研究，确认在γ→α + β 分解时α、β 两相系合作形核、长大。其领先相可以是θ（如渗碳体），也可以是α（如铁素体）；可以由晶界形核，也可能在晶内形核，视合金成分、晶界上溶质偏聚、晶内夹杂物、析出相所需的能垒等因素决定。

理论上，共析体（含α + β）的长大应以台阶机制进行，珠光体相变中铁素体/奥氏体、渗碳体/奥氏体以及铁素体/渗碳体间应具位向关系。珠光体常呈层片状，其层间距由相变驱动力或过冷度来决定，细化片间距提高共析体的强化。这些均须由先进实验方面给予证实。

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