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金相学史话-中科院电子显微镜实验室郭可信院士  

2012-05-15 16:47:43|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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郭可信 (中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室)

金相学史话(1):金相学的兴起
  【摘 要】 Widmanstabtten在19世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状Fe-Ni奥氏体的规则分布(魏氏组织),予告金相学即将诞生。Sorby在1863年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样,不但看到珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织,还对钢的淬火和回火作了初步探讨,金相学已基本形成。到19~20世纪之交,Martens (马氏)和Osmond对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献,同时Roberts·Austen (奥氏) 和Roogzeboom初步绘制出Fe-C平衡图,为金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶,金相学已逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。
  【关键词】 金相学;历史;早期史
  金相学或更广义一点的金属学及金相热处理是冶金系与机械系大多数专业学生的必修课,讲述的内容是金属与合金的组织结构以及它们与物理、化学和力学性能间的关系。随着现代技术的发展,新材料层出不穷,金相学的范围也已不限于金属与合金,逐渐渗透到无机非金属材料、矿物、有机高分子等,发展成为材料科学这门新学科。我国出版的金相学或金属学教课书却很少讨论这门学科的早期发展历史,广大金相热处理工作者成天与奥氏体、马氏体、魏氏组织等名词打交道,甚至还在使用索氏体、屈氏体等已过时的名词,而不清楚它们的来历。本着温故知新的宗旨,我们准备编写一些金相学史话,陆续发表,介绍金相学(广义的) 发展过程中的一些有意义的史实,并借此阐明一些观点。由于有些古老的文献在国内查阅不到,不得不从一些书刊专论中引用第二手的资料,再加上作者的知识又有局限性,错误之处一定不少,尚请读者指正。
  英文金相学llography 这一名词在1721年首次出现于牛津《新英语字典》(New English Dictionary) 中,不过那时这个名词的含义是金属及其性能的学问,并未涉及组织结构。十九世纪中叶,转炉(1856) 及平炉(1864) 炼钢新方法相继问世,钢铁价格显着下降,产量猛增。那时又正大事兴建铁路,铁轨用量很大,断裂事故也屡见不鲜。生产实际的需要促进了对钢铁的断口、低倍及内部显微组织结构的研究。另一方面,晶体学在这个时期也有了长足的进展,如32个晶类(1830)及14个布喇菲点阵(1849)的建立,这为研究矿物与金属的内部组织结构奠定了理论基础。到了十九世纪末,金相这一名词也就获得了新的意义,并与金属与合金的显微组织结构结下了不解之缘,金相显微镜也就成为研究金属内部组织结构的重要工具。后来金相研究的领域逐步扩大,也就不再限于显微镜观察了。
  本文介绍金相学兴起的一些重要事件,主要是对金相观察的启蒙、创建、推广等过程作一历史性的回顾。限于篇幅,仅能重点突出地讨论一些问题,详见文末所引有关文献1~5。
  1、启蒙阶段
  在现代炼钢方法出现之前,瑞典由于有高品位的铁矿石和丰富而又价廉的森林资源,在十八世纪时是欧洲的主要产钢国家。另一方面,那时在瑞典出现了一些著名的化学家,首先发现了镍、钴、锰、钼、钨等金属元素。显然,这些化学家的研究也包括钢与铁,如Bergman 首先用化学分析方法证明碳含量不同是钢、锻铁和铸铁的主要区别。另一方面,Rinman在1774 年在瑞典皇家科学院院报上发表了一篇题为“铁与钢的腐刻”的论文,指出“不同类型的铁与钢的硬度、致密度、性能均匀与否等均有差异,腐刻为区别它们提供了一种简易的方法”。但是,这种用化学试剂腐刻金属显示其内部组织的方法尚未采用制片及抛光技术,仅限于观察钢铁产品的表面组织。
  图1 铁陨石腐刻后直接印制的魏氏组织(1820)
  Aloysvon Widmanstabtten (以下简称魏氏) 在1808年首先将铁陨石(铁镍合金) 切成试片,经抛光再用硝酸水溶液腐刻,得出图1的组织。铁陨石在高温时是奥氏体,经过缓慢冷却在奥氏体的{111}面上析出粗大的铁素体片,无须放大,肉眼可见。四种取向的铁素体在图1中都可以观察到,其中三种是针状,夹角为60°,另一种是片状,平行于纸面。那时照像技术仍未出现,过去都是将观察结果描绘。魏氏在任奥地利皇家生产博物馆主任之前曾从事过印刷业。他运用印刷技术,首先用腐刻剂将铁陨石中的铁素体腐蚀掉,使奥氏体凸出。抛光腐刻的铁陨石本身就是一块版面,涂上油墨,敷上纸张,轻施压力,将凸出的奥氏体印制下来,一如我国古老的拓碑技术一样。图片之清晰可与近代金相照片媲美。魏氏的复制技术在那时不能不说是一种非凡的成就。
  但是,魏氏试验的更为深远的意义还是在科学方面,这不仅是宏观或低倍观察的开端,也是显微组织中取向关系研究的起始。尽管魏氏的主要试验结果当时并未发表(直到1820年才由其合作者发表),但已在集会上宣布并广为流传,铁陨石的研究风行一时。在这之后的几十年用各种化学试剂处理金属切片表面的试验就在各处流行起来,对宏观金相观察的发展有意义的几桩工作是:
  (1) 1817年J. F.Daniell 发现铋在硝酸中浸泡数日后表面出现立方的小蚀坑,建立了用蚀坑法研究晶粒取向的技术。
  (2) 1860年W.Lubders 在低碳钢拉伸试样表面上观察到腐蚀程度与基体不同的条带, 并正确解释这不是偏析而是由于局部的不均匀切变引起的,后来就以他的姓称这种滑移带为吕德斯带。
  (3) 1867年H.T resca 用氯化汞腐蚀显示金属部件中的流线(图2),说明金属在加工形变过程中内部金属的流动情况。上述试验奠定了宏观腐刻及低倍检验技术,在今天仍然是金属研究和生产检验中常使用的方法。
  图2 金属部件中的流线(T resca,1867)
  后来的研究指出,魏氏组织不但在钢中并且在许多其它合金中出现。本世纪二十年代A. Sauveur及周志宏[6 ]研究过碳含量极低的铁在淬火后的魏氏组织;三十年代G. Kurdjumov 及G. Sachs 用X 射线进行了著名的马氏体相变取向关系的试验。在R.F. Mehl 学派(包括C.S. Barrett) 在Sauveur 和周志宏的工作启发下开展了一系列合金的魏氏组织的研究,此后取向关系的测定一直是相变研究中的一个重要组成部分[7 ]。
  魏氏不是冶金学家,但是他在1808年的著名试验为金相学的创建起了开路的作用,称他是金相学的启蒙人他是当之无愧的。
   2、创建阶段
  1863年英国的H.C.Sorby (以下简称索氏) 首次用显微镜观察经抛光并腐刻的钢铁试片,从而揭开了金相学的序幕。他在锻铁中观察到类似魏氏在铁陨石中观察到的组织,并称之为魏氏组织。后来他又进一步完善了金相抛光技术,例如把钢样磨0.1025毫米的试片,并在摄影师的协助下拍摄了钢与铁的显微像,基本上搞清了其中的主要相,金相显微镜,并对钢的淬火、回火等相变作了到现在看来还基本上是正确的解释。索氏是国际公认的金相学创建人,特别是在英国和美国,都在1963年召开了金相学诞生一百周年报告会[4,5],纪念索氏在1863年的发现(索氏在锻铁中观察到魏氏组织的论文发表于1864年,但是在他的1863年7月28日的日记中对此已做了记载)。他的姓氏还被用来命名钢中的一种淬火或回火组织——Sorbite,即索氏体, 但是这个名词现在已基本淘汰了。
  索氏在1826年出生于英国钢城Sheffield 中的一个钢铁世家中,他的祖先开了两家刀具厂,他继承了其中之一。不过他生性酷爱自然,很少过问他的产业,一直是一个从事地质与金属研究的自由研究工作者[8,9]。晚年还热心教育,任Sheffield大学的第一任校长。他终生未婚,以探讨自然奥秘为乐,共发表论文230篇,其中地质方面约100篇,金属方面仅15篇(详细目录见文献[10 ])。由此可见他的主要兴趣还是在地质方面。
  索氏年轻时就对自然界的生物、矿物、地质发生了极大的兴趣,他在21岁时发表的论文是“农作物中的硫磷含量”。后来他从一位生物学家那儿学会了使用显微镜观察生物标本及牙、骨等硬物的试片制备方法。这就导致了他后来用显微镜研究岩石从而建立了岩相学(1850年) ,当时他才24岁。这一新鲜事物很快就受到广泛的重视,推崇他是“显微岩相学之父”,先后选他当英国地质学会、矿物学会、显微镜学会的主席。但是,也有一些思想保守的人讥笑他“用显微镜研究山脉”,对话 马云,坐井观天。但是这并阻挡不了科学向前发展的历史潮流。
  由于生活在一个钢城的钢铁世家中,索氏不可避免地会经常接触一些钢铁问题,如用酸蚀缀饰刀具。到1863年索氏的岩相研究已经很有成就,他开始了铁陨石的研究。为了弄清它的显微结构,他还研究一块瑞典生产的锻铁的显微结构。为了观察不透明的钢铁试片,索氏采用反射式的垂直照明。可惜当时这件事并未引起钢铁界的注意,直到二十几年后他被要求重新发表他的1863年的研究结果,才受到普遍重视。他在自传式的论文“科学研究五十年”中用嘲笑的口吻说:“在早年,如果铁路出了一次事故而我建议铁路公司取一段铁轨进行显微镜观察,恐怕他们会认为我是适合送进教养院去的人”。
  索氏在钢铁的显微镜观察中发现的主要相是:
  (1) 自由铁(1890年美国著名金相学家Howe命名为Ferrite,即铁素体) ;
  (2) 碳含量高的极硬化合物(1881年Apel用电化学分离方法确定为Fe3C,1890年Howe命名为Cementite,即渗碳体) ;
  (3) 由前两者组成的片层状珠状组织Pearly Constituent (Howe命名为Pearlite,即珠光体) ;
  (4) 石墨;
  (5) 夹杂物。
  他对珠光体的描述非常引人入胜, 我们把他在1886年的论述中的一段译出如下:“珠状组织中的片层经常很薄,软的铁片层的厚度约为1/40000英寸,硬物为1/80000英寸,因此有间距约为1/60000英寸的棱脊和沟漕交替排列。这种特殊组织的唯一能令人满意的解释可能就是在高温时铁与碳生成一种稳定的化合物,在低一些温度下不再稳定,分解为上述两种物质”。图3是索氏当年制备并观察过的钢样(现在仍有一些保留在Sheffield大学) 在1953年拍的显微像,放大倍率为500倍,与当年索氏使用的560倍相仿。这就是他当时看到的珠光体,何等清晰!

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