“唯成分论”和“组织决定一切”
导读：
摘要：通过“唯成分论”和“组织决定一切”阐明合金材料的组织、构成、力学性能及工艺性能，说明这两种观点始终是贯穿《金属工艺学》教学的主线。
关键词：唯成分论；组织决定一切
《金属工艺学》以其繁杂的头绪和各章节间看似自成一体的关系，使教与学均有一定的难度。通过教学实践，笔者总结出两个观点：“唯成分论”和“组织决定一切”。
所谓“唯成分论”是指所有的合金材料都是由其组元组成的，它在很大程度上决定了合金的各种基本组织和构成，而每一种组织及构成都对应着与之相应的性能，这就是我们所说的“组织决定一切”。本文就以下几个方面来阐明这两个观点。
1、碳及杂质元素
1.1碳
铁碳合金是对钢铁最狭义也是最古老的定义，以“唯成分论”的观点来衡量，Fe和C是其两个基本的组成元素。钢铁是以铁为基的合金，故其点阵结构是由铁决定的，这便奠定了钢铁材料的“基调”，而另一个组元碳“份量”的多少，便成为钢铁性能的决定性因素。以同为碳素钢的20钢和45钢为例，含碳量较高的45钢在强度、硬度上均高于20钢，塑性、韧性却不如20钢。但45钢与有着更高碳含量的T8、T10钢相比，其强度、硬度远远不如，而塑、韧性却远优于后者。
这种对铁碳合金而言，随着合金中C%的增加，合金的强度、硬度升高而塑性、韧性下降等力学性能的变化，不仅决定了其不同的用途，也必然具有完全不同的工艺性能。所有这些现象，都是由于C%的不同使得其组织中铁素体与渗碳体所占的相对比例不同而造成的。例如低碳钢可以冷变形加工；高碳钢则只能加热到奥氏体组织时才可以进行塑性变形加工；铸铁不论高、低温都没有塑性变形的能力。
1.2杂质元素：硫、磷
在固态下，硫以FeS的形式存在于钢中。FeS的塑性差，因此含硫多的钢脆性大，更为严重的是，FeS与α-Fe形成低熔点（985℃）共晶体分布在奥氏体晶界上，当钢在热加工时共晶体熔化而沿晶界开裂，产生所谓的“热脆”。磷可以溶于铁素体中，使钢的强度、硬度增加，却使其室温塑性、韧性显著下降并使脆性转变温度升高，这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。按质量要求对碳钢的分类便是“唯成分论”，即以钢中有害杂质硫、磷的含量为界线。
任何事物都有两个方面。例如以改善钢的切削加工性而开发的硫易削钢，却有意将硫的含量增加到0.26%-0.35%，并加入相应含量的锰，使其生成MnS（熔点1620℃），这不但解决了“热脆”的问题，还因一定量MnS夹杂物对基体金属割裂作用，易断屑从而降低了切削抗力。因MnS自身的低硬度及低摩擦系数，能减少刀具磨损且不粘刀，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，在铸态时呈点状分布于晶内或晶界，在热扎时易被拉成条状而呈带状分布，在随后的冷却过程中将成为铁素体析出的中心，即在条状的硫化物附近形成一个较宽的铁素体带，其两侧是呈带状分布的珠光体，使得钢纵向与横向的性能不同。
上述这些首先是“唯成分论”——反其道而行之，增加硫的含量及适量锰，然后是“组织决定一切”，即组织中第二相MnS的形状、分布以及组织本身对合金材料造成的有益及有害的影响。
2、合金元素
对钢铁材料更进一步的要求，人们在碳钢的基础上发展了合金钢。从“唯成分论”角度看，这些有意加入钢中的合金元素改变了钢基体的组织及构成，也就是从某些方面、甚至从根本上改变了钢原本的性能。
合金元素是通过两个方面对钢产生影响的：一是合金元素直接溶入铁素体中产生固溶强化，有的合金元素如Cr、Ni，在提高强度、硬度的同时还提高韧性。而对碳素钢而言，要提高强度、硬度就得牺牲塑性、韧性；要得到较高的塑性、韧性就必须牺牲强度、硬度。由此可见，同样是以铁为基的合金，由于合金元素的溶入，改变了其成分，使其基体发生了变化，从而改变了其力学性能和工艺性能。二是合金元素与碳形成合金渗碳体——（Me，Fe）mCn。（Me，Fe）mCn与Fe3C相比，不同的合金元素及组合、不同的形成条件等，（Me，Fe）mCn性质、数量、形态和分布与Fe3C有着很大的差异，从而改变材料的整体性能。 [page]
上述这两方面的共同作用，使合金钢能通过选用不同的合金元素及其组合，调节其成分（“唯成分论”），采用不同的冷、热处理工艺（“组织决定一切”），获得多种多样的性能。例如作为耐磨钢的Mn13，就是基于Mn强烈扩大γ相区的特点，使Mn达到11%-13%，以得到在室温下相对稳定的奥氏体组织，由于机械加工比较困难，大多是铸造成型。但其铸态组织中沿奥氏体晶界析出较多碳化物，故硬而脆，必须经水韧处理使其形成单相奥氏体组织才能在使用中因受到强烈冲击、压力摩擦时，在表面产生强烈的加工硬化及马氏体转变，从而获得高的耐磨性，同时因心部仍是奥氏体组织而保持了其本身所具有的高塑性及韧性。
3、热处理的作用
对于化学成分一定的合金，这时影响其性能的唯一因素便是其组织——“组织决定一切”。而热处理的作用正是通过改变钢的显微组织来改变钢的性能。也就是说我们可以通过改变化学成分来发展新的钢种，进而通过热处理改变其组织以提高或是达到我们所需要的性能指标。例如45钢，完全退火时因冷却速度缓慢使其得到粗片状的珠光体；在正火处理时，由于冷却速度较快、过冷度较大而发生所谓的“伪共析转变”，使组织中珠光体数量增多且层片间距减少，通常获得索氏体组织；而调质处理后的组织中，Fe3C是呈颗粒分布在铁素体基体上，故其比由过冷奥氏体直接转变成的索氏体，在硬度相同时具有更高的强度、塑性和韧性。
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