蒋森春-原创金属学理论

自从金属理论诞生一百年以来，中国从事金属材料理论与实践的人们基本上都认为：碳钢是合金钢，是合金元素碳原子使钢变硬，渗碳体造成碳钢的硬度，珠光体就是渗碳体与铁素体结合造成硬度的，贝氏体就是渗碳体的弥散强化造成硬度的，马氏体就是因为过饱和含碳，所以造成硬度高。这种碳使钢变硬的观点基本上是一百三十年前的碳化论观点，是一百年前全世界就已否定的观点。
要使碳钢变软，现在看来很简单，只是加热就行了，但加热到什么程度？从事锻造的人们回答是：加热到奥氏体状态。但为什么要加热到奥氏体状态，其原理是什么？这可能就无人能予以回答！当年爱因斯坦站在火车站站台上，看着眼前经过的火车，发明了狭义相对论，常见的一般现象，引出深奥的理论。那么，碳钢加热到奥氏体状态就变软的原理是什么，没有加热到奥氏体状态的碳钢会不会也变软呢？其原理又是什么？也会有人说，原理是铁原子的电子运动速度不同及奥氏体本身就是一个软态相之说，是这样吗？液态铁水是铁原子的电子在运动，固态也是在运动吗？这样的回答显然不被接受。对于碳钢变软问题暂且不论，先谈硬度问题。
铁素体新定义：碳原子溶于α－Fe晶格缺陷处的固溶体；奥氏体新定义：碳原子溶于γ－Fe晶格缺陷处的固溶体。


一、        晶格结构的热胀冷缩现象  
  
    我们知道，铁有热胀冷缩的自然现象，纯铁是认识铁的原始依据，在碳钢的铁碳图上，ANG线是纯铁的晶格结构转变线，N点、G点是晶格结构转变点，A点是固化点，在铁碳图上我们看到，N点的转变温度是1394℃，G点的转变温度是912℃，我们已知道，铁有热胀冷缩的自然现象，纯铁是高温体心立方δ冷却到1394℃就进行了晶格结构转变，实际也就是晶格结构缩小到1394℃进行了结构转变；G点温度是912℃，是冷却时纯铁的面心立方结构γ向体心结构α的转变点，实际也就是晶格结构缩小到912℃又进行了结构转变。我们再看碳钢，碳钢是高温体心立方δ冷却到HJB线1495℃时向面心立方结构γ转变，面心立方结构γ又是冷却缩小到PSK线727℃时向体心立方结构结构α转变。
   即：      
                 纯铁                                       碳钢
           δ→γ是1394℃                            δ→γ是1495℃
           γ→α是912℃，转变时晶胞大               γ→α是727℃，转变时晶胞小

我们清楚地看到，冷却时，纯铁的晶粒在温度较高时912℃时就转变为体心立方结构，也就是面心立方结构晶粒还很大时就转变为体心立方结构了，而碳钢是晶粒缩小到727℃才进行晶格结构转变，晶粒变小了。
我们清楚地知道了，纯铁在面心立方向体心立方结构冷却转变时，其晶胞比碳钢转变为体心立方晶胞的要大，也就是碳钢的晶胞要小很多，晶胞大小与原子的排列方法决定了硬度，所以碳钢硬。相同的晶胞结构，纯铁与碳钢，其硬度就有大的差别；而低碳钢与高碳钢在完全退火后，同样的晶胞结构，硬度差别就不大，因为低碳钢与高碳钢的晶胞大小一样，均在727℃进行结构转变，小的差别是渗碳体的多与少问题。
         
二、        晶胞的生长变化过程

下图是铁碳图，碳钢的高温体心立方δ转变生成面心立方γ晶胞后，随着温度的下降，γ晶格系数不断减小，也就是晶胞体积不断减小。晶胞体积减小的同时，晶格缺陷的空间也在不断减小，在碳原子少于0.77%的912℃温度以下后，在结构上，含碳量的多与少，决定转变温度，当含碳量少时，晶格缺陷的空间依然较大，但铁晶体已不满足于面心立方结构空间保温的需要，就进行结构的转变，转变为体心立方结构，即铁碳图的GS线。GS线表明：含碳量小时，缺陷空间大，转变温度高；含碳量大时，缺陷空间小，转变温度低。
从GS线到PS线，任何一种亚共析钢的体心晶格结构初转变到终转变都是连续不断的，其原理是这样的：
1、亚共析钢   亚共析钢912℃温度以下后，随着温度的下降，结构上依然是面心立方晶格结构的晶格系数与缺陷空间大，但已不能满足结构保温的需要，面心立方晶格就要在结构上转变为体心立方结构。当结构转变为体心立方结构后，由于体心立方的晶胞很小，晶格缺陷空间就小，结构的含碳量就很少，此时就有碳原子被转变的、已变化为很小的体心立方晶格缺陷挤出铁原子规则排列的晶格行列，被挤出到晶界上，此时晶格还有很多未转变结构的面心立方晶粒，它们的晶格缺陷空间还很大，需要碳原子去充实缺陷空间，于是，碳原子就出现出了这家门，又进那家门的情况，晶界上的碳原子就又进入到未转变结构的面心立方结构的缺陷空间，使面心的晶格缺陷实际有效空间变小，以满足保温的需要；随着温度的不断下降，就又出现面心晶格结构转变，又挤出碳原子，碳原子又进入未转变的面心立方晶格缺陷处。这个过程就反复不断地进行，晶胞也在不断缩小，直至727℃的结构转变底线温度就发生全部转变。这时，转变前的面心结构晶胞就缩小到最小极限PSK线。
注意一个新的认识是，高温体心立方结构冷却时是实心转变，面心立方结构冷却时是空心转变；对于高温体心立方结构是没有缩小的空间后转变；对于面心立方结构晶格是原子排列空旷的结构与晶格缺陷空间不适应低温后转变，例如，含碳量小，晶格缺陷空间就大，转变温度就高的GS线（纯铁转变温度就高达912℃）。这个认识是世人非常难以认识到的关键点。


                                          含碳量→

2、共析钢   共析钢是碳原子的含量正好被铁原子排列的晶格缺陷空间全部接受，在从高温冷却缩小到727℃的共析转变前，晶格结构没有变化，也就是在面心立方结构晶格的冷却缩小的过程中，其晶格缺陷的空间大小能够接受碳原子而不被挤出，此含碳量的面心晶格结构全部冷却缩小到结构转变的最低温度727℃时才发生结构转变。
3、过共析钢   过共析钢在冷却缩小727℃前，面心立方结构不发生转变，但是出现晶格的缺陷空间容不下过多碳原子的情况，碳含量大时，在很高的温度的固态就将铁原子挤出，如铁碳图的1147℃ E点；过共析钢在727℃的结构转变前是将过多的碳原子挤出去。被挤出的碳原子到了晶界处，此时的碳原子不是又进入到面心立方晶格的缺陷处，因为此时的面心立方晶格的缺陷处饱含碳原子，不再容碳原子，没有了多余的空间缺陷，此时的碳原子只好在晶界处馋食面心立方晶粒的铁原子去发生化合反应，化合成渗碳体FeC3，就是铁碳图上的二次渗碳体FeC3Ⅱ。过共析钢的面心立方结构是全部冷却缩小到结构转变的最低温度727℃才发生结构的转变。
4、铸铁    铸铁一样发生化合渗碳体的反应，只不过随着含碳量的多与少，有一个渗碳体由量变到质变的情况，这个质变就是渗碳体由个体到集团后的莱氏体一系列问题；铸铁还有一个最明显反映晶格缺陷容碳问题，就是一次渗碳体产生问题，我们知道温度越高，晶格间隙越大，随之是晶格缺陷空间也越大，液态下的铸铁更是如此，液态下的液态晶粒，其晶格间隙与晶格缺陷的空间远比固态下的大，但液态晶粒仍容不下过多的碳原子，在液态就将碳原子挤出晶格的晶格缺陷空间，使碳原子在液态时就化合为渗碳体，称一次渗碳体。铸铁问题暂不多谈。
总结：
在面心结构下冷却时，碳原子的作用是降低晶格结构的转变温度，实际就是缺陷空间大小问题，碳钢的晶格转变是在低温的727℃，纯铁的转变温度在高温的912℃，碳钢的晶胞已缩小很多，所以，碳钢的硬度高于纯铁。对于高碳钢与低碳钢，它俩的硬度在完全退火的情况下，硬度相差不大，因为它俩的晶格结构转变温度是一致的。很小的硬度差别是渗碳体多与少的问题。
对于高碳钢与低碳钢的硬度在实践上，它俩在机械切削加工问题上都是易切削钢，容易切削加工，不存在硬度问题。

三、        致密度问题

面心立方晶胞与体心立方晶胞的致密度计算，首先是计算理念错误，二是计算结果错误。
1、计算理念错误： 目前教科书对面心立方晶胞与体心立方晶胞致密度的计算理念是：“看铁原子体积占据各自晶胞体积的比值”。这种计算理念应用于这两个结构的致密度计算就是错误的。面心立方晶胞与体心立方晶胞是刚性的、具有不同规则的空间几何排列形体，不同的空间排列方阵具有不同的空间空隙的利用方法，对于面心立方晶胞与体心立方晶胞，其正方形的空间六面体有七个空间空隙，是六个面上的空隙加上一个心部的空隙。面心立方排列方阵是占据六个面上的空隙，空隙利用率是86.66%；体心立方排列方阵只是占据一个心部的空间空隙，空隙利用率是14.28%。面心立方结构占据六个面上的空隙，实际占据的晶胞体积是三个铁原子的体积；体心立方结构的铁原子实际只占据一个心部的空隙，实际占据的晶胞体积是一个铁原子的体积；但是，面心立方晶胞的体积比体心立方晶胞体积大一倍，所以，面心立方晶胞是空虚的庞大，体心立方晶胞是实心的密实。这也是体心立方结构导磁，面心立方结构不导磁的真正原因（面心晶格时磁力线被中心空隙阻断）。下图是面心与体心晶胞1∶1比例的大小比较图。


             面心立方结构晶体                            体心立方结构晶体
                             两种晶胞体积1∶1比例比较示意图

我们可以实际地想像一下，一个大的、六面围成没有空隙的正方体与一个体积小一倍的六面空挡、中心实在的正方体的结构去比较，就知道疏密的结果了。
从而我们知道体心立方结构是密实的小晶胞，面心立方结构是空虚的大晶胞，实践上体心立方结构下的机械强度大于面心立方结构下的机械强度。
2、计算结果错误： 目前教科书对面心立方晶胞与体心立方晶胞致密度的计算公式是：


      
其中               

这个计算公式本身没有错误，（对于计算理念错误是另一回事），但教科书使用这个公式计算面心与体心晶胞的致密度时也出现错误，在这个公式中，R是铁原子的半径，面心立方结构与体心立方结构的铁原子半径尺寸是不同的，面心的是1.26埃，体心的是1.23埃，这两个数据教科书上都有，但教科书却错误地将R1.26一个数据尺寸代入公式中，分别计算面心与体心晶胞的致密度，出现低级错误。

                        四、渗碳体对铁素体的影响   

渗碳体Fe3C是晶体，它的熔点是1227℃，分布在铁晶粒晶格的晶界处，它在室温时是硬而脆，它的熔点低，温度稍高就变软，碳钢不耐热的元凶就是渗碳体。渗碳体也是碳钢脆性大的元凶。当温度一高，渗碳体就像乌云一样飘泊在晶界处，其形体被过冷动力（或过热动力）与铁晶粒的运动挤的变化无穷。
渗碳体与铁晶粒联系最重要的是教科书上讲的珠光体，教科书上讲：“珠光体是渗碳体与铁素体的机械混合物”；但怎样混合，原理是什么，我们先讲清楚两个问题，一是在做珠光体定义时，当时并不知道渗碳体的晶体结构；二是当时并不知道晶格缺陷的类型与具体结构。珠光体的定义是当年科技的局限下做的。
铁素体与渗碳体机械混合的原理是这样的：
在教科书晶体缺陷一章中，指出异种晶粒间的界面，其中的一种类型是共格界面，共格界面的定义是指界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。渗碳体是这样产生的，碳原子被结构转变的铁晶格缺陷挤出后，到了晶界处，碳原子在晶界处馋食铁素体的铁原子，化合为渗碳体；渗碳体的晶格结构的最外端都是铁原子，此时最外端的铁原子同时又是铁素体晶格上的铁原子，这个铁原子是两种晶格所共有，为共格铁原子。铁素体与渗碳体的机械混合是结构上共格铁原子的原因，机械混合一词是含糊不清的措辞。
在组织上，渗碳体处于铁晶粒的晶界处，附着于晶粒的表面。

                        

               


                       
                                                         

  五、碳原子对马氏体的影响

教科书对马氏体做定义有三点最重要，一是晶胞内部有三个铁原子，二是过饱和含碳，三是正方畸变。晶胞内部有三个铁原子就表明其晶胞体积为最大，远远大于面心立方与体心立方结构的晶胞体积，这也有试验佐证；正方畸变的大小是表明过冷动力大小对马氏体的影响程度；过饱和含碳的结论就不对了，而且是彻底不对。
我们知道这样一个事实，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，面心立方结构下的晶格缺陷空间大于体心立方结构下的晶格缺陷空间，面心立方结构下的含碳量大于体心立方结构下的含碳量。马氏体的晶胞体积为最大，那么它的晶格缺陷空间一定是最大，它的含碳量一定是最大。事实上我们从未知道与见过马氏体晶格在冷却变化过程中析出碳原子，只是加热时结构转变析出碳原子，就是因为马氏体结构的晶胞体积大，晶格缺陷空间大，能够容纳存放很多的碳原子，有足够大的缺陷空间，它绝不在冷却时析出碳原子。碳原子对马氏体的影响就是马氏体的Ms初生成温度不一样，含碳量大，马氏体的初生成温度就低，表明碳原子降低结构转变温度。渗碳体对马氏体的影响就是残留的二次渗碳体影响。
心部实心的、只有一个铁原子的体心立方晶胞硬度大于空心体积大的面心立方晶胞的硬度，当晶胞心部有三个铁原子的马氏体的晶胞体积更大、硬度应该是更大的，这是晶体的晶胞结构上铁原子排列形式对硬度的影响，是晶胞结构决定了硬度。

                        六、二次渗碳体对马氏体的影响

二次渗碳体是过共析钢奥氏体结构下产生的，二次渗碳体在冷却与淬火时的晶体结构转变过程中它不发生任何结构转变与化学转变，但它的形体发生变化，过冷与加热时，都发生变化，形体的变化都是铁晶粒晶格的运动为主动力。
二次渗碳体在过共析钢淬火时，其结构被完整保留到室温，但高温时其柔软的形体有大的变化。
二次渗碳体与马氏体的关系，最直接的反映是硬度上，其次是韧性上。二次渗碳体降低过共析钢的淬火硬度，无论是碳钢还是合金钢，淬火得到最高硬度的是共析钢，因为共析钢没有二次渗碳体，所有淬火硬度高。这也是间接告诉我们，渗碳体的硬度并不高，它没有马氏体硬度高，它降低过共析钢的淬火硬度。
二次渗碳体使马氏体产生片状，没有二次渗碳体的碳钢使马氏体产生条状，究其根源要到铁碳图的认识理论上，本文暂不讨论。

                               七、弥散强化

中科院院士郭可信著书“金相学史话”告诉我们，自1885年全世界开始对钢的硬度进行讨论，进行了长达四十年的激烈讨论，最后否定碳使钢变硬的观点。但目前中国的教科书仍然认为贝氏体的强化是细小的渗碳体颗粒造成的。
本文一开始我们提到，碳钢具有热胀冷缩的实际现象，冷缩是告诉我们，温度下降，铁晶粒体积就缩小，也就是晶胞体积在缩小；铁碳图告诉我们：纯铁是912℃进行结构转变，碳钢的共析转变在727℃，也就是面心立方晶格结构的晶粒冷却缩小到727℃进行结构转变；C曲线又告诉我们，上贝氏体是碳钢在C曲线鼻头温度以下、大约是540℃到350℃之间的一段温区发生结构转变而产生上贝氏体；下贝氏体是碳钢在C曲线鼻头温度以下、大约是200℃到300℃之间的一段温区发生结构转变而产生下贝氏体。贝氏体是铁的面心立方晶格结构冷却到很低温度、晶粒缩小到很小时发生结构转变产生的，贝氏体硬度是由细小的体心立方结构晶粒导致硬度提高，绝不是渗碳体的颗粒细小的原因，渗碳体颗粒细小，是高温柔软的渗碳体被细小的铁晶粒分割细化的作用才得到的。渗碳体是附着与铁晶粒的表面与晶界处，铁晶粒的细小，必定是带来渗碳体颗粒的细小。渗碳体在碳钢中成份比例很小，而铁晶粒是绝大多数，渗碳体顶不起碳钢硬度的一片天，但它能加强不淬火碳钢的硬度也同时带来脆性增大，注意一点的是，对于不淬火碳钢，基本的硬度是铁晶粒造成，渗碳体只是在晶界处简单地加强一些低于HRC60的硬度。

八、残余奥氏体

碳钢在缓慢冷却时，环境温度下的晶格结构是体心立方。但淬火后的环境温度下又有面心立方结构的奥氏体存在，这是晶体结构的原因，是晶格结构上晶格缺陷的大小不一样，就是在奥氏体状态时，它的晶格缺陷空间大小不一样，缺陷处含碳量就不一样，它向体心结构转变时，含碳多的晶粒就不愿意转变结构，就淬火后留存下来。
残余奥氏体是一个软态相，它的晶胞大，空虚的大晶胞结构决定是软态相，留存到室温一样是软态，它不提高淬火碳钢硬度，它受力变形，动力是马氏体晶格结构恢复力，马氏体的恢复力使残余奥氏体变形，变形的结果是首先造成脆性大的渗碳体破裂，但残余奥氏体提高韧性。恢复力是马氏体对过冷动力的过枉矫正，是结构向体心立方结构恢复，也就是教科书上讲的内力。
    在热处理上，淬火后的回火是马氏体加快向体心立方结构恢复，也存在环境温度下缓慢向体心立方结构恢复的现象。


九、结论

    碳钢的硬度是小晶胞体积的晶粒与缩小体积的体心立方结构晶粒造成的，贝氏体就是如此，也就是铁晶粒体积缩小的结果。马氏体是铁晶格结构转变过程中的中间过渡结构；缓慢冷却时，面心立方结构向体心立方结构转变时同样存在马氏体，只不过是结构转变过程非常快，人类获取不到此时过渡的结构马氏体；马氏体晶胞体积很大，晶格缺陷也大，远未达到饱和含碳的程度，正方畸变是过冷度的原因，马氏体硬度是晶胞的中心有三个铁原子造成的，是铁原子的排列方法造成的，虽然马氏体的生成过程与时间很短，但也是一种晶格结构的生成过程。造成高硬度的性能都是晶格结构的原因。渗碳体稍微提高一些不淬火状态碳钢的硬度，但又使碳钢脆性提高很多。淬火后有残余奥氏体留存，那是晶格结构缺陷处含碳量大的原因。
  
   
写给编辑的话：
基础科学的错误，会造成科学前进中的迷茫，合金钢研究中的迷茫就是如此，社会在前进，科技也要进步，固步自封就是退步。中国无名之辈获得了世界的诺贝尔奖，这是世界的进步，中国科技界的羞辱。我愿意与高兴地与金属界的专家、教授、院士，就我的全套金属新理论与当前的金属理论进行商论。
请答复：1、确定铁素体、奥氏体定义的证据是什么？我在全国的金属QQ群界与电脑网络界悬赏十五万元，谁拿出证据，我个人奖励十五万元钱，至今无人获取，此悬赏同样对科学院有效。一个理论的基本定义没有证据予以佐证，这个理论就是一个错误的理论！
2、碳原子在碳钢中的作用是什么？证据是什么？
3、相的定义中的均匀性在碳钢的各种相中如何解释？证据是什么？
先简单问三个问题，我还有很多个金属基础理论问题中国金属科学院的专家与院士都解释不了。
                       
                                                         

上31楼与32楼是谈“碳钢的硬度是如何产生的”，图复制不上去，清楚了这些，就知道目前的金属理论是多么的错误。

为何无人提出问题？或提出反驳。