鋼中存在的相、組織之間的關系解析

劉玉高+李愛芝+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、組織之間的關系，有助于材料工作者加深對相、組織等概念的理解。

關鍵詞：相；組織；鐵素體；奧氏體；滲碳體

作者在“機械工程材料”教學過程中認識到，許多學生對于鋼中存在的相、組織等概念理解不清，很容易產生模糊認識，更談不上對于不同的相、不同的組織組成之間的關系有正確的理解?；诖?，本文擬對鋼中可能存在的相、組織之間的關系進行研究，以澄清二者之間的關系。

眾所周知，“機械工程材料”教材中對于“相”的定義為：相是系統中成分、結構、性能均一、并與其它相截然分開的部分。筆者認為，這樣的定義雖然準確，但概念的定義中包含欲被定義的概念本身，使得初學者或者非材料專業的學生理解起來比較困難。

相包含三個屬性：成分、結構、性能。其中成分、結構是第一位的，性能是第二位的。同一個相，具有相同的成分、結構與性能；不同的相，其成分、結構至少有一個是不同的，而性能對于不同的相來說，必然是不同的。相具有成分、結構、性能的單一性。而組織是在顯微鏡下觀察到的金屬內部各組成相的數量、大小、分布、形態等方面的微觀形貌，換言之，組織反映的是金屬由什么相組成及其數量的多少、相的大小及分布情況、相的形態等方面的內容。相與組織相比較而言，相一定具有成分、結構、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、結構、性能的單一性，多相組織不具有成分、結構、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法看出其中的差別的，其實，從微觀的角度看，鋼的內部是不均勻的，鋼內部的不均勻表現為成分的不均勻、結構的不均勻、性能的不均勻，其中，成分、結構的不均勻是原因，性能不均勻是成分、結構的不均勻所導致的必然結果。因此，成分、結構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、結構、性能。其中鐵素體的結構為體心立方晶格；奧氏體的結構為面心立方晶格；滲碳體的結構為復雜正交點陣。對于鐵素體、奧氏體、滲碳體而言，僅僅從結構差異的角度看，已經分屬于三個不同的相。有些同學曾提出這樣的問題：“鐵素體、奧氏體、滲碳體結構不同，當然分別屬于不同的相，但成分有什么差異？”。對這個問題的回答要結合鐵碳相圖來理解。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間，同時也有一定的溫度變化區間。當然，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，可以同時存在，也可能只存在其中之一。比如，當C>0.77%時，溫度低于727℃才會有鐵素體的存在，而高于727℃才會有奧氏體的存在；當C<0.77%時，由GS線所對應的溫度便是鐵素體的最高存在溫度，高于GS線則不會存在鐵素體，而代之以奧氏體。鋼在特定的條件下，會以單一的相存在，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。而在不同溫度條件下，不同成分的鋼中則可能存在多個相。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，共同構成了鋼的內部構成，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系起來、形成一體的呢？很顯然，通過相界面聯系起來，把不同的相聯系（粘結）成為一體。通過界面把不同的相聯系、組合起來的兩相的混合稱為兩相混合物，為了便于區分和稱謂，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。在觀察鋼的內部結構時（低倍），萊氏體和珠光體分別構成了顯微觀察的獨立部分，因此在鋼的內部結構的解析時，只要能夠作為一個整體存在、可以在低倍條件下進行獨立觀察的內部結構，不論其為單一相結構，或者為兩個相的混合物，都可以稱為組織組成物（簡稱組織），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。也就是說當鐵素體相獨立存在時，我們也經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）由于是兩個相的混合物，作為整體而言，稱為組織是恰當的，但不能稱為萊氏體相、珠光體相，因為它們是混合物，是由兩個相構成的。

結論：對于碳鋼中存在的相、組織之間關系的認識，有助于加深對相、組織等概念的理解，有助于對相圖更準確的理解和掌握。