在低合金钢的熔焊过程中，由于焊缝热影响区的快速冷却，使贝氏体和马氏体的组织转变几乎是不可避免的。对于某些合金成分含量较高的热强钢和高强度钢，钢材本身的原始组织就是贝氏体或回火马氏体，因此深入了解贝氏体和马氏体转变机制、特点及其形貌对于分析低合金钢的焊接性是十分必要的。

1.贝氏体转变

贝氏体转变是奥氏体在珠光体转变区以下到马氏体开始转变的温度区间发生的组织转变，也称为“中间级转变”。其转变产物是贝氏体或称“中间级组织”。在不同的形成温度和条件下，贝氏体的形态和性能有很大的差别，通常可将其分为上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。

贝氏体的转变机制较为复杂，可概括描述如下：贝氏体成核是一种扩散过程，其长大则是切变过程。在贝氏体形成过程中，碳通过扩散沿一定晶面富集而造成贫碳奥氏体区。贫碳奥氏体以切变方式转变成一系列铁素体板条，接着在这些经过长大的铁素体板条中沉淀出弥散的碳化物。碳化物析出的部位及其分布状态决定于转变温度的高低。碳化物在铁素体片条之间沉淀所形成的贝氏体为上贝氏体；碳化物在铁素体片条内部沉淀的贝氏体为下贝氏体。在铁素体上分布着马氏体或马氏体＋残余奥氏体的组织为粒状贝氏体。

2.贝氏体的形貌

上贝氏体的形貌特征是，在一束平行排列的铁素体板条之间沉淀着碳化物。碳化物条断续地平行于铁素体板条排列，其典型形貌如图6-17所示。下贝氏体中的铁素体基体呈针状交叉排列，在针状铁素体内分布着高度弥散的碳化物，碳化物条与针轴相交成55°～60°角。在某些情况下，下贝氏体的针状特征不很明显，仅表现在铁素体板条的排列比上贝氏体要细密得多。粒状贝氏体的特征是在铁素体基体上分布着孤立的岛状相，其形状很不规则，有的呈块状，也有的呈板条状或粒状。这些岛状相多半由马氏体＋残余奥氏体组成（即M＋A结构）。粒状贝氏体形成温度通常高于上贝氏体。

图6-17 贝氏体组织的典型形貌

贝氏体转变的临界温度主要取决于钢中的合金成分及其含量。各种合金元素对贝氏体转变温度的影响可按式（6-3）进行估算：

精确的贝氏体转变温度应通过实验测定。一般上贝氏体转变温度在350℃以上，下贝氏体转变温度在350℃以下。

上贝氏体组织由于碳化物在铁素体片条之间沉淀，故冲击韧度较低。而下贝氏体是在铁素体片条内部沉淀碳化物，故具有良好的综合力学性能。因此在拟定钢材的热处理工艺参数和焊接能量参数时，应尽可能将组织转变控制在下贝氏体转变区内进行。

3.马氏体转变

钢从奥氏体温度快速冷却时形成的碳和合金元素在α-Fe中的过饱和固溶体为马氏体组织。马氏体转变由成核和长大两个阶段组成，并以无扩散的切变机制长大，故转变速度相当快。马氏体切变过程如图6-18所示。切变过程的第一步是从一个晶面上产生一个均匀的宏观切变，并确定了马氏体最终形成的切变机构，使晶体具有复杂的三棱结构。第二阶段切变只限于三棱晶格范围内，这种微观不均匀切变以下列两种方式进行：一种是在基体强度较低的情况下，引起滑移的临界切应力τ_s低于形成孪晶所需的临界切应力τ_t，切变以滑移方式进行，形成位错密度较高的位错马氏体，称为板条马氏体或低碳马氏体。另一种是基体强度较高，即τ_t＜τ_s，切变以孪晶方式进行，形成亚结构型组织，并存在大量孪晶的片状马氏体，称为孪晶马氏体或针状马氏体。

图6-18 马氏体形成过程的切变机构(www.daowen.com)

基于马氏体转变的切变机制，这种转变具有下列特点：

1）马氏体转变必须在相当大的过冷度下产生，以获得足够大的新旧相自由能差，成为转变驱动力。

2）马氏体转变速度极高，无孕育期。在低合金钢中，板条马氏体的长大速度一般为10～50cm/s，形成一片板条仅需10^－4s。

3）相变应力较大，马氏体属体心立方晶格，体积比面心立方晶格的奥氏体和体心立方晶格的铁素体大得多，由奥氏体转变成马氏体时伴随着体积膨胀而产生较大的相变应力（或组织应力）。这种相变应力与焊接应力相叠加成为导致冷裂纹形成的力学因素。

低合金钢的马氏体转变温度主要取决于钢的化学成分，通常在400～500℃之间，每种低合金钢的马氏体转变开始点Ms温度可按下式计算：

马氏体转变结束点Mf温度的计算公式如下：

从保证焊接接头致密性观点出发，要求钢具有较高的Ms点，因为在这种情况下，马氏体相变点可能局部消失，使焊缝中的扩散氢从热影响区逸出的时间延长，有利于防止接头中氢致延迟裂纹的形成。

4.马氏体的形貌

马氏体的形貌富有特征、形式多样。从形貌上看，马氏体基本上可分成片状马氏体（孪晶马氏体）和板条马氏体（位错马氏体）两种。从光学显微镜下观察，板条马氏体呈束状定向排列的条状晶体（宽约0.5μm）。在每束晶体中，相同取向的相邻板条以小角度晶界相间，而不同取向的板条之间存在大角度晶界。在一个奥氏体晶粒内，会形成几个晶区，一个晶区内存在一组板条束。板条马氏体的典型形貌如图6-19所示。

片状马氏体实际上呈双凸透镜状，在金相磨片上，按其截面与马氏体交角的不同，所见到的马氏体形貌分别为片状、针状或竹叶状，故通常称为针状马氏体。针状的取向是多方位的。这种马氏体的形成温度较低，不可能经受自回火作用。在金相照片上看到的多半是白色的针状组织，如图6-20所示。

图6-19 板条马氏体的典型形貌

在低碳低合金钢焊缝及热影响区中形成的马氏体大都是板条马氏体。在某些情况下，下贝氏体与板条马氏体很难区分，这时需借助电子显微镜加以鉴别。