铁及热处理——原创金属结构理论缩写版

jsenchun

    按铁金属原本面目讲：铁在液态下，晶粒的晶核是呈十字形，固化后的晶粒在三维空间呈柱型枝晶状（或称树状晶），
晶粒内部的原子以金属键有规则地连接，形成晶粒内部的晶格式结构。晶粒之间以枝晶相互交叉联接（晶须理论支持），
形成了晶粒之间连接的组织机构。铁是同素异构晶体，其晶粒内部原子晶格式的结构排列不是理想化的，有点、线、面的
缺陷；碳原子的半径大于铁的晶格空隙半径，晶格排列理想情况下它进入不了铁的晶粒内部，但由于铁的晶粒内部的局部
有晶格排列缺陷，少量碳原子就趁机进入了铁的晶格排列的缺陷处，形成晶粒的局部含碳原子，也就成为了“相”结构；
面心与体心立方晶体的晶格排列结构不同，间隙就不同；同样的缺陷数量，含碳量就会不同，面心立方结构下的饱和含碳
量是0.77%，体心立方结构下的饱和含量是0.0218%。两个结构的饱和含碳量是35倍的差距，这几十倍的差距就凸显了碳原
子降低晶体同素异构转变温度、转变速度、结构变化析出碳原子的重大作用，例如：所有的碳钢、合金钢的淬火都必须加
热到晶粒的面心立方结构状态，就是利用此状态的晶格缺陷空间大、含碳量就大而导致的同素异构转变温度低与转变速度
慢的特点，得到硬度高的结构。
     渗碳体与晶粒缺陷处的碳原子在铁中的含量是少数，但它们极像一个染色剂，碳原子遍布于晶粒内部的缺陷处，渗碳
体飘浮在晶粒的晶界上。渗碳体Fe3C熔点1227℃度，含碳量是6.69%，具有复杂的晶体结构，高温时会变得很软，会被温度
变化时，柱状晶粒生长产生的体积变化挤的变形，不同温度下有不同的变形；碳钢在含碳量相同时，相同的参数温度下有形
状大致相同的碳化物形状。
     柱型枝晶状晶粒之间的枝晶联接形成（晶须理论支持）的组织机构在机械轧制时，可出现方向纤维性，典型表面可见
的是晶界上的碳化物被拉长变形。
     铁的性能是由结构决定的，例如，奥氏体不锈钢是不导磁的，铁素体不锈钢是导磁的，马氏体不锈钢是导磁不太好的，
但奥氏体不锈钢是面心立方结构，铁素体不锈钢是体心立方结构，马氏体不锈钢是不稳定的体心正方结构，结构才能决定是
否导磁，与碳无关，与合金无关；就硬度而言：碳钢面心立方结构下的硬度低于体心立方结构下的硬度，体心立方结构下的
硬度低于体心正方结构下的硬度，也是结构决定的；就体积而言：面心立方结构下的晶胞体积大于体心立方结构下的晶胞体
积，所以，体心立方结构下的硬度就大于面心正方结构下的硬度，晶粒的体积大小也改变硬度，但与碳无关；就含碳量而言，
奥氏体的硬度低于铁素体，但奥氏体的含碳量远远大于铁素体，说明含碳量的多与少决定不了钢的硬度，硬度与钢的碳含量
的多与少无关。就碳化物Fe3C的硬而脆而言，马氏体中渗碳体Fe3C的含量是很少的，但马氏体它很硬。退火状态的碳钢，渗
碳体Fe3C含量高，但它的硬度并不高。各方面的事实证明：铁的性能必须是由结构决定的。
     铁碳平衡图已清楚地表明，727℃度PSK线是碳钢与铸铁的共析转变温度线，实际就是同素异构转变温度线，它是纯铁的
912℃度同素异构转变G点，在α-Fe晶体内碳原子增多到0.0218%的饱和含量后，由G点下降到P点。
     γ-Fe结构下晶体晶格缺陷处的饱和含碳量是0.77%。在γ-Fe结构下，当碳含量大于0.77%时，就在727℃度同素异构转
变前，随着温度的下降，碳原子先从过饱和、后从次过饱和的晶粒内部缺陷处先后溢出，成为二次渗碳体，直至全部成为饱
和的γ-Fe结构下的晶粒，到727℃度进行同素异构转变；当碳含量少于0.77%时，就在727℃度同素异构转变前，随着温度的
下降，稍欠饱和含碳量的γ-Fe晶粒先转变为铁素体，转变后的铁素体缺陷处马上挤出碳原子再补充到原晶粒较缺乏碳原子的
γ-Fe晶粒缺陷处，使之成为饱和含碳量的γ-Fe晶粒再进行铁素体转变，这个循环转变过程直至到727℃度的同素异构转变。
碳原子的作用就是将纯铁的912℃的同素异构转变温度恒定降低到极限的727℃度。碳与钢的硬度无关，只是将同素异构转变
温度下降，转变温度下降的后果就是晶粒体积的缩小温区扩大，从912℃度下降到727℃度，以及淬火时晶体转变温度与速度
降低可轻易得到马氏体。
     无论过冷度的大与小，碳钢只要发生γ-Fe向α-Fe的同素异构转变，就必定有珠光体产生（0.0218C%以上），这是结构
转变时，大量碳原子被挤出结构内部，挤到晶粒的晶界处，聚集化合成荧光闪亮的金属碳化物Fe3C小球，继而与多个铁素体
晶粒机械混合的原因。晶胞的参数已表明：α-Fe晶胞的晶格常数为2.86埃，晶胞体积（2.86）3=23.39,  晶格间隙半径为
0.36埃，铁原子半径为1.23埃；γ-Fe晶胞的晶格常数为3.56埃，晶胞体积（3.56）3=45.11,  晶格间隙半径为0.52埃，铁原
子半径为1.26埃。α-Fe晶胞的参数远远小于γ-Fe晶胞的参数，光体积就基本小了一半，连铁原子半径都变小。所以，转变
后的α-Fe晶粒，已在结构的缺陷处上容不了过多的碳原子，只能被挤出去，被挤出到晶界上的碳原子立即吸收铁原子化合成
金属碳化物Fe3C。
     当外部环境的过冷度达到一定程度后（共析钢为例），过冷度的强大动力就刺激地将铁的同素异构转变温度改变，这时
碳钢的同素异构特性成为结构改变的约束作用。强大的过冷动力使最大约束作用温度（或共析转变）降低190℃，到530℃左右
（C曲线鼻头温度）。此时铁本质的同素异构转变的约束作用就作用影响上下各190℃左右；530℃左右为最强，上温度727℃为
最弱，下温度340℃左右为最弱。同素异构转变的约束影响是以530℃为最大，727℃与340℃为最小并呈正态曲线分布。
     理论分析上，过冷奥氏体等温转变时（以共析钢为例），低于340℃温度以后就需要马上进行同素异构转变，但由于碳原
子的降低转变温度作用，出现过冷奥氏体，碳原子的作用就是在晶粒内部推迟同素异构转变（可视为晶粒局部杂质影响），推
迟温度的多少由含碳量决定，这时是过冷奥氏体在降低晶格的转变温度与速度。过冷奥氏体在C曲线图340℃上也表现出一个拐
点，340℃温度以下是过冷奥氏体在推迟晶格的同素异构转变。
     淬火的同素异构转变就是目前教科书上讲的马氏体相变，由于碳原子与过冷度的作用，这个转变过程变得很长，为Ms到Mf
一段温区。
     证据表明：“马氏体相变仅仅是点阵的改组而没有化学成份的变化”，这是告诉我们，强大的过冷动力强制γ-Fe晶粒缺
陷处的碳原子来不及从缺陷处挤出，晶格转变后被迫留在了原γ-Fe晶粒的缺陷处。因为，1、碳原子本身对晶体生长就具有降
温降速作用，它降低晶体的转变温度与速度；2、马氏体体心正方结构的晶胞体积大于体心立方结构的晶胞体积并与面心立方结
构的晶胞体积相同，造成晶粒缺陷处的三维空间在淬火前后基本不变，碳原子就不会被挤出来。
     碳钢在淬火后，渗碳体Fe3C很少，这是因为碳原子没有从晶粒内部析出，就没有产生新的渗碳体Fe3C，只存在淬火前的
二次渗碳体，这也是淬火钢硬度高的重要原因之一。
     马氏体是过冷动力强制脱离晶格向体心立方结构的正常转变，非正常转变为体心正方晶格的结构，外部的强大过冷动力也
使在缓慢转变中的（Ms→Mf区间）晶格扭曲变形。由于同素异构转变的约束影响作用，马氏体在室温下依然会向体心立方结构
逐渐回变，逐渐回变是铁金属本身所固有的性能，是脱离外力影响回归自然的正常表现。
     碳原子是在晶粒内部缺陷处影响铁的晶格的转变温度与速度，阻挠晶粒变化；过冷度是在晶粒外部影响铁的晶格的转变温
度与速度，使晶粒的晶胞变形与结构不能完成向体心立方结构的转变；碳是所有合金元素中对铁晶粒影响最敏感的元素；碳化物
是无用有害的残渣；少量碳化物在晶界的形态变化是在标示晶粒结构与晶粒大小与形态发生变化。
     强大的过冷动力，碳原子在晶粒缺陷处的降温、降速、不析出作用，同素异构的结构转变特性，三个方面成就了马氏体。

求助：1、渗碳体Fe3C相对密度7.694的含义，与α-Fe晶体致密度的比较结果。