“唯成分論”和“組織決定一切”

1、“唯成分論”和“組織決定一切”摘要：通過(guò)“唯成分論”和“組織決定一切”闡明合金材料的組織、構(gòu)成、力學(xué)性能及工藝性能，說(shuō)明這兩種觀點(diǎn)始終是貫穿金屬工藝學(xué)教學(xué)的主線(xiàn)。 關(guān)鍵詞：唯成分論；組織決定一切 金屬工藝學(xué)以其繁雜的頭緒和各章節(jié)間看似自成一體的關(guān)系，使教與學(xué)均有一定的難度。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者總結(jié)出兩個(gè)觀點(diǎn)：“唯成分論”和“組織決定一切”。 所謂“唯成分論”是指所有的合金材料都是由其組元組成的，它在很大程度上決定了合金的各種基本組織和構(gòu)成，而每一種組織及構(gòu)成都對(duì)應(yīng)著與之相應(yīng)的性能，這就是我們所說(shuō)的“組織決定一切”。本文就以下幾個(gè)方面來(lái)闡明這兩個(gè)觀點(diǎn)。 1、碳及雜質(zhì)元素 1.1碳 鐵碳合金是對(duì)鋼鐵

2、最狹義也是最古老的定義，以“唯成分論”的觀點(diǎn)來(lái)衡量，F(xiàn)e和C是其兩個(gè)基本的組成元素。鋼鐵是以鐵為基的合金，故其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是由鐵決定的，這便奠定了鋼鐵材料的“基調(diào)”，而另一個(gè)組元碳“份量”的多少，便成為鋼鐵性能的決定性因素。以同為碳素鋼的20鋼和45鋼為例，含碳量較高的45鋼在強(qiáng)度、硬度上均高于20鋼，塑性、韌性卻不如20鋼。但45鋼與有著更高碳含量的T8、T10鋼相比，其強(qiáng)度、硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如，而塑、韌性卻遠(yuǎn)優(yōu)于后者。 這種對(duì)鐵碳合金而言，隨著合金中C%的增加，合金的強(qiáng)度、硬度升高而塑性、韌性下降等力學(xué)性能的變化，不僅決定了其不同的用途，也必然具有完全不同的工藝性能。所有這些現(xiàn)象，都是由于C%的不同

3、使得其組織中鐵素體與滲碳體所占的相對(duì)比例不同而造成的。例如低碳鋼可以冷變形加工；高碳鋼則只能加熱到奧氏體組織時(shí)才可以進(jìn)行塑性變形加工；鑄鐵不論高、低溫都沒(méi)有塑性變形的能力。 1.2雜質(zhì)元素：硫、磷 在固態(tài)下，硫以FeS的形式存在于鋼中。FeS的塑性差，因此含硫多的鋼脆性大，更為嚴(yán)重的是，F(xiàn)eS與-Fe形成低熔點(diǎn)（985）共晶體分布在奧氏體晶界上，當(dāng)鋼在熱加工時(shí)共晶體熔化而沿晶界開(kāi)裂，產(chǎn)生所謂的“熱脆”。磷可以溶于鐵素體中，使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，卻使其室溫塑性、韌性顯著下降并使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，這種脆化現(xiàn)象在低溫時(shí)更為嚴(yán)重，故稱(chēng)為“冷脆”。按質(zhì)量要求對(duì)碳鋼的分類(lèi)便是“唯成分論”，即以鋼中有害雜質(zhì)

4、硫、磷的含量為界線(xiàn)。 任何事物都有兩個(gè)方面。例如以改善鋼的切削加工性而開(kāi)發(fā)的硫易削鋼，卻有意將硫的含量增加到0.26%-0.35%，并加入相應(yīng)含量的錳，使其生成MnS（熔點(diǎn)1620），這不但解決了“熱脆”的問(wèn)題，還因一定量MnS夾雜物對(duì)基體金屬割裂作用，易斷屑從而降低了切削抗力。因MnS自身的低硬度及低摩擦系數(shù)，能減少刀具磨損且不粘刀，因而降低了零件的加工表面粗糙度。但是矛盾依然存在，MnS具有一定的塑性，在鑄態(tài)時(shí)呈點(diǎn)狀分布于晶內(nèi)或晶界，在熱扎時(shí)易被拉成條狀而呈帶狀分布，在隨后的冷卻過(guò)程中將成為鐵素體析出的中心，即在條狀的硫化物附近形成一個(gè)較寬的鐵素體帶，其兩側(cè)是呈帶狀分布的珠光體，使得鋼縱向

5、與橫向的性能不同。 上述這些首先是“唯成分論”反其道而行之，增加硫的含量及適量錳，然后是“組織決定一切”，即組織中第二相MnS的形狀、分布以及組織本身對(duì)合金材料造成的有益及有害的影響。 2、合金元素 對(duì)鋼鐵材料更進(jìn)一步的要求，人們?cè)谔间摰幕A(chǔ)上發(fā)展了合金鋼。從“唯成分論”角度看，這些有意加入鋼中的合金元素改變了鋼基體的組織及構(gòu)成，也就是從某些方面、甚至從根本上改變了鋼原本的性能。 合金元素是通過(guò)兩個(gè)方面對(duì)鋼產(chǎn)生影響的：一是合金元素直接溶入鐵素體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，有的合金元素如Cr、Ni，在提高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)還提高韌性。而對(duì)碳素鋼而言，要提高強(qiáng)度、硬度就得犧牲塑性、韌性；要得到較高的塑性、韌性就

6、必須犧牲強(qiáng)度、硬度。由此可見(jiàn)，同樣是以鐵為基的合金，由于合金元素的溶入，改變了其成分，使其基體發(fā)生了變化，從而改變了其力學(xué)性能和工藝性能。二是合金元素與碳形成合金滲碳體（Me，F(xiàn)e）mCn。（Me，F(xiàn)e）mCn與Fe3C相比，不同的合金元素及組合、不同的形成條件等，（Me，F(xiàn)e）mCn性質(zhì)、數(shù)量、形態(tài)和分布與Fe3C有著很大的差異，從而改變材料的整體性能。 上述這兩方面的共同作用，使合金鋼能通過(guò)選用不同的合金元素及其組合，調(diào)節(jié)其成分（“唯成分論”），采用不同的冷、熱處理工藝（“組織決定一切”），獲得多種多樣的性能。例如作為耐磨鋼的Mn13，就是基于Mn強(qiáng)烈擴(kuò)大相區(qū)的特點(diǎn)，使Mn達(dá)到11%-13

7、%，以得到在室溫下相對(duì)穩(wěn)定的奧氏體組織，由于機(jī)械加工比較困難，大多是鑄造成型。但其鑄態(tài)組織中沿奧氏體晶界析出較多碳化物，故硬而脆，必須經(jīng)水韌處理使其形成單相奧氏體組織才能在使用中因受到強(qiáng)烈沖擊、壓力摩擦?xí)r，在表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的加工硬化及馬氏體轉(zhuǎn)變，從而獲得高的耐磨性，同時(shí)因心部仍是奧氏體組織而保持了其本身所具有的高塑性及韌性。 3、熱處理的作用 對(duì)于化學(xué)成分一定的合金，這時(shí)影響其性能的唯一因素便是其組織“組織決定一切”。而熱處理的作用正是通過(guò)改變鋼的顯微組織來(lái)改變鋼的性能。也就是說(shuō)我們可以通過(guò)改變化學(xué)成分來(lái)發(fā)展新的鋼種，進(jìn)而通過(guò)熱處理改變其組織以提高或是達(dá)到我們所需要的性能指標(biāo)。例如45鋼，完全退火時(shí)因冷卻速度緩慢使其得到粗片狀的珠光體；在正火處理時(shí)，由于冷卻速度較快、過(guò)冷度較