鋼中存在的相、組織之間的關(guān)系解析

劉玉高+李愛(ài)芝+黃素真+呂寶君

摘要：本文以普通碳鋼為例，解析了鋼中存在的相、組織之間的關(guān)系，有助于材料工作者加深對(duì)相、組織等概念的理解。

關(guān)鍵詞：相；組織；鐵素體；奧氏體；滲碳體

作者在“機(jī)械工程材料”教學(xué)過(guò)程中認(rèn)識(shí)到，許多學(xué)生對(duì)于鋼中存在的相、組織等概念理解不清，很容易產(chǎn)生模糊認(rèn)識(shí)，更談不上對(duì)于不同的相、不同的組織組成之間的關(guān)系有正確的理解。基于此，本文擬對(duì)鋼中可能存在的相、組織之間的關(guān)系進(jìn)行研究，以澄清二者之間的關(guān)系。

眾所周知，“機(jī)械工程材料”教材中對(duì)于“相”的定義為：相是系統(tǒng)中成分、結(jié)構(gòu)、性能均一、并與其它相截然分開(kāi)的部分。筆者認(rèn)為，這樣的定義雖然準(zhǔn)確，但概念的定義中包含欲被定義的概念本身，使得初學(xué)者或者非材料專業(yè)的學(xué)生理解起來(lái)比較困難。

相包含三個(gè)屬性：成分、結(jié)構(gòu)、性能。其中成分、結(jié)構(gòu)是第一位的，性能是第二位的。同一個(gè)相，具有相同的成分、結(jié)構(gòu)與性能；不同的相，其成分、結(jié)構(gòu)至少有一個(gè)是不同的，而性能對(duì)于不同的相來(lái)說(shuō)，必然是不同的。相具有成分、結(jié)構(gòu)、性能的單一性。而組織是在顯微鏡下觀察到的金屬內(nèi)部各組成相的數(shù)量、大小、分布、形態(tài)等方面的微觀形貌，換言之，組織反映的是金屬由什么相組成及其數(shù)量的多少、相的大小及分布情況、相的形態(tài)等方面的內(nèi)容。相與組織相比較而言，相一定具有成分、結(jié)構(gòu)、性能的單一性，組織則未必；只有由單一的相組成的組織才具有成分、結(jié)構(gòu)、性能的單一性，多相組織不具有成分、結(jié)構(gòu)、性能的單一性。單相性能取決于其自身的性能，多相組織的性能取決于各組成相的性能及其比例。

就鋼而言，從外觀上采用肉眼是無(wú)法看出其中的差別的，其實(shí)，從微觀的角度看，鋼的內(nèi)部是不均勻的，鋼內(nèi)部的不均勻表現(xiàn)為成分的不均勻、結(jié)構(gòu)的不均勻、性能的不均勻，其中，成分、結(jié)構(gòu)的不均勻是原因，性能不均勻是成分、結(jié)構(gòu)的不均勻所導(dǎo)致的必然結(jié)果。因此，成分、結(jié)構(gòu)的不均勻是第一位的，具有決定意義，性能的不均勻是從屬的，是第二位的。在鋼中，依據(jù)不同的成分、溫度條件，可能存在鐵素體、奧氏體、滲碳體等不同的相，三者具有不同的成分、結(jié)構(gòu)、性能。其中鐵素體的結(jié)構(gòu)為體心立方晶格；奧氏體的結(jié)構(gòu)為面心立方晶格；滲碳體的結(jié)構(gòu)為復(fù)雜正交點(diǎn)陣。對(duì)于鐵素體、奧氏體、滲碳體而言，僅僅從結(jié)構(gòu)差異的角度看，已經(jīng)分屬于三個(gè)不同的相。有些同學(xué)曾提出這樣的問(wèn)題：“鐵素體、奧氏體、滲碳體結(jié)構(gòu)不同，當(dāng)然分別屬于不同的相，但成分有什么差異？”。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答要結(jié)合鐵碳相圖來(lái)理解。其中，滲碳體的成分必然為唯一的C：6.69%，余為Fe。而鐵素體和奧氏體的成分是可變的，其各有一定的成分變化區(qū)間，同時(shí)也有一定的溫度變化區(qū)間。當(dāng)然，鐵素體和奧氏體在一定的條件（碳鋼成分<亦可理解為碳量>與溫度的配合）下，可以同時(shí)存在，也可能只存在其中之一。比如，當(dāng)C>0.77%時(shí)，溫度低于727℃才會(huì)有鐵素體的存在，而高于727℃才會(huì)有奧氏體的存在；當(dāng)C<0.77%時(shí)，由GS線所對(duì)應(yīng)的溫度便是鐵素體的最高存在溫度，高于GS線則不會(huì)存在鐵素體，而代之以?shī)W氏體。鋼在特定的條件下，會(huì)以單一的相存在，例如，奧氏體相、鐵素體相、滲碳體相均可能在特定的條件下單一地存在，這可以從鐵碳相圖看出來(lái)。而在不同溫度條件下，不同成分的鋼中則可能存在多個(gè)相。如奧氏體+滲碳體；鐵素體+奧氏體；鐵素體+滲碳體；這些為二相共存。這些不同的相共同存在，共同構(gòu)成了鋼的內(nèi)部構(gòu)成，這些相不可能孤立地存在，否則鋼就不能成為一體，那么它們之間是如何聯(lián)系起來(lái)、形成一體的呢？很顯然，通過(guò)相界面聯(lián)系起來(lái)，把不同的相聯(lián)系（粘結(jié)）成為一體。通過(guò)界面把不同的相聯(lián)系、組合起來(lái)的兩相的混合稱為兩相混合物，為了便于區(qū)分和稱謂，把奧氏體+滲碳體的混合物稱為萊氏體，把鐵素體+滲碳體的混合物稱為珠光體。在觀察鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)（低倍），萊氏體和珠光體分別構(gòu)成了顯微觀察的獨(dú)立部分，因此在鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解析時(shí)，只要能夠作為一個(gè)整體存在、可以在低倍條件下進(jìn)行獨(dú)立觀察的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不論其為單一相結(jié)構(gòu)，或者為兩個(gè)相的混合物，都可以稱為組織組成物（簡(jiǎn)稱組織），以此推論，作為整體存在的奧氏體相、鐵素體相、滲碳體相、萊氏體（混合物）、珠光體（混合物）都可以稱為組織。也就是說(shuō)當(dāng)鐵素體相獨(dú)立存在時(shí)，我們也經(jīng)常稱其為鐵素體組織，奧氏體和滲碳體同樣如此。但萊氏體（混合物）、珠光體（混合物）由于是兩個(gè)相的混合物，作為整體而言，稱為組織是恰當(dāng)?shù)?，但不能稱為萊氏體相、珠光體相，因?yàn)樗鼈兪腔旌衔?，是由兩個(gè)相構(gòu)成的。

結(jié)論：對(duì)于碳鋼中存在的相、組織之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)，有助于加深對(duì)相、組織等概念的理解，有助于對(duì)相圖更準(zhǔn)確的理解和掌握。