相与组织

组成材料最基本的、独立的物质为组元。组元可以是纯元素，如金属元素Fe、Cu、Al等，也可以是非金属元素，C、N、O等，也可以是化合物，如等。材料可以由单一组元组成，如纯铁，纯铜，石英( )等，也可以由多种组元组成，如钢（Fe、C二种组元组成）。多组元组成的化合物在不同的条件下的微观组织结构可以不同，结果这些化合物表现出来的性能也差异甚大，如常见的钢和铸铁，虽然它们都是由Fe、C二种元素组成，但钢在受到拉伸载荷时，可以产生较大的变形，而铸铁则不能，因此它们的应用场合也十分不同。这种相同组元在不同物理化学条件下可以成为不同材料的规律为人们研制新材料指明了方向。这种规律是由一种称之为“相图”的图来表征的，它表示了材料相的状态和温度、成份的综合关系。在这一节中，我们将对相图做一简要介绍，使大家体会到材料微观世界中影响性能的又一层次--相和组织。

相是指系统中的物质结构均匀的部分。气体在平衡条件下，不论有多少组分，都是均匀的，因此气相只有一种，固体内部就比较复杂了，在固体材料中，具有同样聚集状态，同样原子排列特征性质,并以界面相互隔开的均匀组成部分称之为“相”。相可以是单质，也可以是化合物。材料的性能与各组成相的性质、形态、分布和数量直接有关。人们还常将用肉眼观察到的或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态、分布的图象统称为组织，用肉眼和放大镜观察到的为宏观组织，用显微镜观察到的为显微组织，用电子显微镜观察到的为电显微组织。图2－54a为Al铸锭的宏观组织（横截面），从中我们可以看到液态Al在凝固时形成的晶粒形状，在靠近铸模的部分是细的等轴晶，然后是一些柱状晶，在中间部分是一些粗大的等轴晶，如果冷却条件不同，这些不同形状的晶粒的大小和分布就不一样，进而导致材料的性能不同。这个Al锭是纯Al ，所有的晶粒都是同样的相，这种组织为单相组织。材料也可由不同相组成此时的组织为多相组织。图2-54b，是一张显微组织照片，里面有两种颜色，表示有两种相，白色的为铁素体，即α-Fe，黑色的为化合物，称之为渗碳体。从这张照片中还可发现，在带黑条的晶粒中，黑条和白条有规律的相间分布，这又构成一种独特的组织形态，称之为珠光体。通过这张照片可以看到，相和组织不是同一概念。图2-54c 是一张电子显微组织照片。由于电子显微镜能够提供更高的放大倍率，故从中可以看到更微观的结构特征。这张照片所用材料是一种低碳合金钢，经过高温加热和水冷以后，得到的是板条马氏体组织，其中的黑线是位错。

图2-54

相是组成组织的基本组成部分。同样的相组成，当它们的大小、形态等都不同时，就会出现不同的组织。如图2-55a、b所示的是同一种钢，经不同工艺处理后的组织，其中组成相都是一样的，白色的是铁素体相，黑色的是渗碳体相，由于渗碳体的形态不同，a中是条状，这种组织叫珠光体；b中是球状，这种组织叫球化珠光体，这两种材料的性能差别很大，球化珠光体有更好的韧性。既然相是组成材料、影响材料性能的一种微观结构单元，我们就十分必要了解有哪些类型的相。下面就介绍相的分类。

(a)片状珠光体 (b) 球状珠光体

图2-55 共析钢的组织