《金属材料与热处理——原创金属新理论》专题二

      奥氏体、铁素体的定义错误
      金属基础理论若按铁碳合金平衡图的诞生起算，还不足130年历史，随着科技的进步，人们对铁的认识也是越来越深刻，材料工程界对材料的认识有一个原则，就是“材料的性能是由结构决定的”。对于铁金属，正确认识其结构就显得非常重要。
      铁是同素异构物质，基本结构为体心立方α－Fe与面心立方γ－Fe。铁素体的定义是活性碳原子溶于α－Fe晶格间隙处的固溶体；奥氏体的定义是活性碳原子溶于γ－Fe晶格间隙处的固溶体。
      一、奥氏体、铁素体定义的错误
      铁碳合金的基本相有两个，奥氏体相与铁素体相，目前教科书对它们的定义是：“碳原子在各自晶粒晶格间隙上的固溶体”，也就是说，碳原子都在晶粒晶格的间隙上。碳原子存在于晶粒晶格间隙上的定义是完全错误的，我从晶格间隙、晶格缺陷、固溶指数、饱和含碳这四个基本认识方面论述定义的错误原因。
      1、晶格间隙
      目前教科书指出：奥氏体、铁素体的晶格八面体或四面体的最大间隙参数分别为0.52埃与0.36埃。也就是面心立方晶格结构下奥氏体的八面体的间隙最大，为0.52埃；体心立方晶格结构下铁素体的四面体的间隙最大，为0.36埃。但我们知道碳原子的原子半径为0.72埃，碳的原子半径远大于奥氏体、铁素体的晶格最大间隙，同时我们也知道，铁晶粒的铁原子之间的链接是由金属键进行链接的，铁原子之间的链接是有很大的联接力的，教科书有这样的试验数据。碳原子的原子半径远大于奥氏体与铁素体的晶格间隙，它是进入不了晶粒的晶格间隙处，再说碳原子的原子活动能量也冲不破铁原子之间链接的金属键。总之，从晶格间隙、碳原子体积、金属键上分析，不存在碳原子固溶于晶格间隙处的间隙尺寸条件。
      2、晶格缺陷
      目前教科书指出：实际存在的铁晶体，都存在点、线、面缺陷，而且是每一个晶粒都存在缺陷。现实上，晶粒晶格的缺陷是大大小小的各种形式遍布于晶粒内部，晶粒晶格的缺陷不会是空置的，它一定有杂质存在，这个杂质就是碳原子，由于缺陷的空间可以远远大于晶格间隙，于是碳原子在冶炼的过程中就进入了晶粒的晶格缺陷处，成为含碳的铁碳合金，称碳钢。晶粒的含碳是有限的，换句话说是晶粒的缺陷数量是有限的，所以，铁晶体的含碳就是有限的，例如，铁的含碳量超过4.3%以后，无论是液态，还是固态，铁晶粒内部都不再吸收碳原子，多出的碳原子，都将在液态的晶界处产生一次渗碳体。
      无论是碳钢，还是铸铁，其含碳量都是有限的，而且碳原子都存在于晶格缺陷处，当缺陷处的空间被碳原子填满后，多余的碳原子就在晶界处化合为渗碳体，于是就有了一次渗碳体，二次渗碳体，三次渗碳体之说。当碳原子含量大于6.69%以后，就成了石头。当碳原子含量少于0.0218%以后，就成了纯铁。
      当前比较前沿的金属科学是晶须，晶须之所以不能延续很长，就是晶须内部的晶格缺陷使其折断，这也是晶格缺陷存在于枝晶处的实例。
      3、固溶指数
      目前教科书指出：能够发生间隙固溶的客观条件是溶质与溶剂的原子半径比值必须小于等于固溶系数0.59。但计算得出：奥氏体的间隙固溶指数为0.61，,铁素体的间隙固溶指数为0.63；分别大于允许固溶的固溶系数0.59，从固溶理论的数据上排除奥氏体、铁素体是间隙固溶体，也就是铁晶体与碳原子不会发生间隙固溶现象。                 
      渗碳、渗氮的生产方法，是诠释固溶理论的最现实、最实际、最全面的证据。在化学周期表上，碳和氮处于同一周期，核外均有两个电子层，但是氮的核内质子数要多于碳，对外层的吸引力更大一些，使电子云更紧密地围绕在原子核周围，所以半径要小一些，所以碳原子的半径大于氮原子的半径。在具体的渗氮生产中，由于氮原子失去电子，其半径会更小。
      渗碳在体心立方晶格结构下不能进行，即固态下铁素体的晶格间隙0.36，不溶原子半径较大的0.72碳原子，渗碳是在高温面心立方晶格结构下，而且只能在低碳的面心立方晶格结构下才能有效果，实际上此时的渗碳是碳原子渗到晶格的缺陷处，而不是间隙处，因为碳原子半径仍远大于只有0.52的面心立方晶格间隙；我们应该知道高碳钢的晶格间隙是无数个，按奥氏体的定义应该可以无限渗碳，但实际上根本不能渗碳，说明面心立方晶格结构下的晶格间隙也容不下碳原子，它只能渗到还有很多晶格缺陷的低碳钢的晶格缺陷处，而且当时还没有固溶强化效果，必须淬火才能得到硬度。实际生产上当晶粒的含碳量大于0.77%以后就没有任何渗碳效果。
      渗氮是在低温的体心立方晶格结构下进行，因为氮原子失去电子后的原子半径与体心立方晶格的间隙几乎相等，晶粒加热后，其晶格间隙会增大，氮原子加热后动力会增加，在两个条件下，氮原子会慢慢渗入到工件表面晶格的间隙处，但时间会很长，所以渗氮时间都很长。这时工件表面的晶粒才称得上为固溶体，不需要淬火其表面就有很高的硬度，这才是固溶强化。
      4、饱和含碳
      饱和含碳是金属理论的一个新的词句，饱和含碳也是目前金属理论没有认识到的现象。
铁碳图的一次渗碳体是在液态状况下，含碳量超过4.3%以后，液态晶粒的晶格不再容纳碳原子，被挡在晶粒体外，成为晶界上的一次渗碳体，此时的晶粒应该还有无数个晶格间隙，但它不容纳碳原子； 铁碳图的二次渗碳体是在固态的面心立方结构状况下，在含碳量超过0.77%以后，固态晶粒的晶格不再容纳碳原子，挡在晶体外，成为晶界上的二次渗碳体，此时的晶粒应该还有无数个晶格间隙，但它不容纳碳原子；铁碳图的三次渗碳体是在固态的体心立方结构状况下，含碳量超过0.0218%以后，固态晶粒的晶格不容纳碳原子，挡在晶粒外，成为晶界上的三次渗碳体，此时的晶粒应该还有无数个晶格间隙，但它不容纳碳原子。无论是液态、还是固态， 一次、二次、三次渗碳体都是晶粒还有无数个晶格间隙的情况下被挡在晶界上。
铁碳合金的固态结构有两个，液态一个，三种情况出现三种饱和渗碳体。说明碳原子不会固溶到有无限多个晶格间隙的间隙处，只能固溶到有限的晶格的缺陷处。
      5、总结
      通过以上四个方面的分析，我们应该认定，当代教科书给于奥氏体、铁素体的定义是错误的，它们的定义应该写为，“碳原子在各自晶格缺陷处的固溶体”，否定碳原子在晶格间隙上。