钢中存在的相、组织之间的关系解析

刘玉高+李爱芝+黄素真+吕宝君

摘要：本文以普通碳钢为例，解析了钢中存在的相、组织之间的关系，有助于材料工作者加深对相、组织等概念的理解。

关键词：相；组织；铁素体；奥氏体；渗碳体

作者在“机械工程材料”教学过程中认识到，许多学生对于钢中存在的相、组织等概念理解不清，很容易产生模糊认识，更谈不上对于不同的相、不同的组织组成之间的关系有正确的理解。基于此，本文拟对钢中可能存在的相、组织之间的关系进行研究，以澄清二者之间的关系。

众所周知，“机械工程材料”教材中对于“相”的定义为：相是系统中成分、结构、性能均一、并与其它相截然分开的部分。笔者认为，这样的定义虽然准确，但概念的定义中包含欲被定义的概念本身，使得初学者或者非材料专业的学生理解起来比较困难。

相包含三个属性：成分、结构、性能。其中成分、结构是第一位的，性能是第二位的。同一个相，具有相同的成分、结构与性能；不同的相，其成分、结构至少有一个是不同的，而性能对于不同的相来说，必然是不同的。相具有成分、结构、性能的单一性。而组织是在显微镜下观察到的金属内部各组成相的数量、大小、分布、形态等方面的微观形貌，换言之，组织反映的是金属由什么相组成及其数量的多少、相的大小及分布情况、相的形态等方面的内容。相与组织相比较而言，相一定具有成分、结构、性能的单一性，组织则未必；只有由单一的相组成的组织才具有成分、结构、性能的单一性，多相组织不具有成分、结构、性能的单一性。单相性能取决于其自身的性能，多相组织的性能取决于各组成相的性能及其比例。

就钢而言，从外观上采用肉眼是无法看出其中的差别的，其实，从微观的角度看，钢的内部是不均匀的，钢内部的不均匀表现为成分的不均匀、结构的不均匀、性能的不均匀，其中，成分、结构的不均匀是原因，性能不均匀是成分、结构的不均匀所导致的必然结果。因此，成分、结构的不均匀是第一位的，具有决定意义，性能的不均匀是从属的，是第二位的。在钢中，依据不同的成分、温度条件，可能存在铁素体、奥氏体、渗碳体等不同的相，三者具有不同的成分、结构、性能。其中铁素体的结构为体心立方晶格；奥氏体的结构为面心立方晶格；渗碳体的结构为复杂正交点阵。对于铁素体、奥氏体、渗碳体而言，仅仅从结构差异的角度看，已经分属于三个不同的相。有些同学曾提出这样的问题：“铁素体、奥氏体、渗碳体结构不同，当然分别属于不同的相，但成分有什么差异？”。对这个问题的回答要结合铁碳相图来理解。其中，渗碳体的成分必然为唯一的C：6.69%，余为Fe。而铁素体和奥氏体的成分是可变的，其各有一定的成分变化区间，同时也有一定的温度变化区间。当然，铁素体和奥氏体在一定的条件（碳钢成分<亦可理解为碳量>与温度的配合）下，可以同时存在，也可能只存在其中之一。比如，当C>0.77%时，温度低于727℃才会有铁素体的存在，而高于727℃才会有奥氏体的存在；当C<0.77%时，由GS线所对应的温度便是铁素体的最高存在温度，高于GS线则不会存在铁素体，而代之以奥氏体。钢在特定的条件下，会以单一的相存在，例如，奥氏体相、铁素体相、渗碳体相均可能在特定的条件下单一地存在，这可以从铁碳相图看出来。而在不同温度条件下，不同成分的钢中则可能存在多个相。如奥氏体+渗碳体；铁素体+奥氏体；铁素体+渗碳体；这些为二相共存。这些不同的相共同存在，共同构成了钢的内部构成，这些相不可能孤立地存在，否则钢就不能成为一体，那么它们之间是如何联系起来、形成一体的呢？很显然，通过相界面联系起来，把不同的相联系（粘结）成为一体。通过界面把不同的相联系、组合起来的两相的混合称为两相混合物，为了便于区分和称谓，把奥氏体+渗碳体的混合物称为莱氏体，把铁素体+渗碳体的混合物称为珠光体。在观察钢的内部结构时（低倍），莱氏体和珠光体分别构成了显微观察的独立部分，因此在钢的内部结构的解析时，只要能够作为一个整体存在、可以在低倍条件下进行独立观察的内部结构，不论其为单一相结构，或者为两个相的混合物，都可以称为组织组成物（简称组织），以此推论，作为整体存在的奥氏体相、铁素体相、渗碳体相、莱氏体（混合物）、珠光体（混合物）都可以称为组织。也就是说当铁素体相独立存在时，我们也经常称其为铁素体组织，奥氏体和渗碳体同样如此。但莱氏体（混合物）、珠光体（混合物）由于是两个相的混合物，作为整体而言，称为组织是恰当的，但不能称为莱氏体相、珠光体相，因为它们是混合物，是由两个相构成的。

结论：对于碳钢中存在的相、组织之间关系的认识，有助于加深对相、组织等概念的理解，有助于对相图更准确的理解和掌握。