1.3.4 成分-工艺-组织-性能关系
下面以碳钢正火组织为例阐述材料成分-工艺-组织-性能关系。
设钢正火后珠光体的体积分数为fP，则铁素体的体积分数是1-fP，再设铁素体和珠光体的强度分别为RF和RP，则根据式（1-16）得钢正火后的屈服强度为：
Rs=（1-fP）RF+fPRP （1-17）
而RF和RP又可以分别根据式（1-13）和式（1-14） 计算，分别代入式（1-17）得：
（1-18）
由此看出，正火组织的屈服强度与珠光体的体积分数、铁素体的晶粒大小和珠光体的层片间距等有关。
含碳量在0.02%～0.77%的碳钢的退火或正火组织是铁素体和珠光体组成的复合组织。因为铁素体中的含碳量很少，可以忽略不计，而珠光体的含碳量为0.77%，所以，当含碳量为wC时，则珠光体的质量分数为：
（1-19）
由式（1-19）看出，在一定工艺条件下，成分决定了相或组织的数量。这里加了一个限制条件：“在一定工艺条件下”，言下之意，如果工艺条件改变了，相或组织的数量与成分之间的关系也会随之而改变。式（1-19）成立的前提条件是“含碳量在0.02%～0.77%的碳钢的退火或正火组织”，包含了两个条件：一是成分范围wCÎ（0.02%，0.77%），并且不加别的合金元素（碳钢）；二是工艺条件退火或正火。其实，即使在这两种工艺条件下，式（1-19）也是近似的，更严格的条件是：无限缓慢冷却得到的平衡组织。关于成分与相或组织的关系将在第3章介绍，第4章介绍热处理工艺与金属组织和性能的关系。
又因为铁素体是α相，而珠光体是α相和11.5%的Fe3C相组成，由于Fe3C相占的比例很小，所以可以近似认为铁素体和珠光体的密度相同，因此，可以用珠光体的质量分数wP代替珠光体的体积分数fP。将式（1-19）代入式（1-18）得：
（1-20）
在式（1-20）中，与工艺有关的参数包括：铁素体的晶粒直径d，珠光体的层片间距λ，还有珠光体的体积分数。铁素体的晶粒直径d、珠光体的层片间距λ都随冷却速度的增大而减小。当冷却速度达到一定值后，珠光体的体积分数和铁素体的体积分数也随冷却速度增大而减小，并且二者的体积分数之和还小于1直到为0，因为当冷却速度很大时铁素体和珠光体数量减少，出现了贝氏体和马氏体，直到铁素体和珠光体数完全消失，全部被马氏体取代，这就是淬火，即退火、正火和淬火的差别在于冷却速度不同，得到的组织不同的本质是因为转变温度不同。这些问题将在第4章进行更详细的介绍。
除热处理工艺外，冷变形可以增加α相中位错密度，也能提高α相的强度，因而，随冷变形量的增大，R0F和R0P也随之增大。如钢丝绳就是用100%的细片状珠光体经过拉拔冷变形而制成的，拉拔后不需要进行热处理，抗拉强度就可达到2000～4000MPa。
再来说成分问题，如果在钢中加入一定数量的Si和Mn，它们固溶到α相中也能提高R0F和R0P。
综上所述，成分是决定材料性能的最基本要素，通过改变冷热加工工艺可以改变组织，进而使性能发生变化，最终满足使用要求。
知识巩固1-8
1._________是具有相同几何特征的相的聚集体。
（a） 组织 （b）相 （c）珠光体 （d）铁素体
2.组织概念包含了_________的数量、形态、大小、分布等特征。
（a） 组织 （b）相 （c）珠光体 （d）铁素体
3.决定单相组织性能的主要因素是_________。
（a）相组成和晶粒大小 （b）相组成和化学成分
（c）晶粒大小 （d）化学成分
4.由两相组成的层片状混合物组织的强度除与两相的强度有关外还与_________有密切关系。
（a）晶粒尺寸 （b）层片间距 （c）粒子间距 （d）晶胞尺寸
5.弥散型两相组织的强度主要与_________有关。
（a）晶粒尺寸 （b）粒子间距 （c）层片间距 （d）晶胞尺寸
6.混合型两相组织的强度主要与_________有关。
（a）晶粒尺寸 （b）粒子间距 （c）两相的强度和体积分数 （d）晶胞尺寸
7.将两种高分子共混形成高分子合金，是获得高性能高分子材料的方法之一。（ ）
8.当合金成分一定时，通过改变其相或组织可以改变其性能。（ ）
9.在晶相和非晶相组成的高分子材料中，提高晶相的相对数量可以提高其强度。（ ）
10.钢的组织是铁素体+珠光体，提高铁素体的相对量可以提高其强度。（ ）
11.在一定范围内，提高含碳量可以提高退火钢的强度。（ ）
12.珠光体的层片间距越小，其强度越低。（ ）
13.具有取向的纤维强度比没有取向的纤维强度高。（ ）
14.具有取向的薄膜强度比没有取向的薄膜强度高。（ ）
15.具有单轴取向的薄膜，在各个方向上强度相同。（ ）
讨论题提纲
1.讨论三大材料的主要结合键类型及其性能特点；讨论金刚石和聚乙烯同为共价键为什么强度和硬度具有天壤之别；讨论聚合度对高分子强度的影响。
三大材料：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。
结合键：金属键、离子键、共价键、范德瓦尔斯键、氢键，结合能大小（表1-1）。
性能：导电性、熔点、耐热性、强度、硬度、塑性。
2.讨论体心立方和面心立方原子间距最小的三个晶向族和面间距最大的三个晶面族。
晶向族和晶面族概念、确定晶向族和晶面族包含晶面的方法。
原子间距计算公式：式（1-4）～式（1-6）。
晶面间距计算公式：式（1-8）～式（1-10）。
3.讨论晶体缺陷对强度和硬度的影响。
晶体缺陷：空位、置换原子、间隙原子、位错、晶界、亚晶界。
4.讨论成分-工艺-组织-性能关系［式（1-16）～式（1-20）］。