金相学史话-郭可信

第 18 卷 第 4 期 V o 1 1 1 8N o 1 4 材　料　科　学　与　工　程M ateria ls Science & Engineering 总第7 2期D ec. 2000 收稿日期: 2000208215 作者简介: 郭可信 (1923—) , 男, 浙江大学化工系毕业, 中国科学院院士. 文章编号: 10042793x (2000) 0420002209 金相学史话 (1) : 金相学的兴起 郭可信 (中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室, 北京 2724 信箱, 100080) 　　【摘　要】　W idm anstaβt ten 在 19 世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片, 观察到片状 Fe2N i 奥氏 体的规则分布 (魏氏组织) , 予告金相学即将诞生。So rby 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,M artens (马氏) 和O smond 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 Roberts2A usten (奥氏) 和Roogzeboom 初步绘制出 Fe2C 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 中图分类号: T G113,N 91　　　　文献标识码: A A Br ief H istory of M eta llography: É 1The Beg inn ing GUO Ke-x in (K. H. Kuo) (Be ij ing Laboratory of Electron M icroscopy In stitute of Physics, Ch inese Academy of Sc iences, P. O. Box 2724, 100080 Be ij ing, Ch ina) 【Abstract】　 In the beginn ing of the 19th cen tu ry W idm anstaβt ten used dilu ted w ater so lu tion of n itric acid to etch a slice of iron m eteo rite and observed an o rien ted pattern of Fe2N i austen ite, an ticipating the b irth of m etallography. In 1863 So rby exam ined iron and steel specim ens p repared by grinding, po lish ing, and etch ing by m eans of a reflect ion m icro scope and observed pearlite compo sed of fine cem entite and ferrite lam ellae. he has also discussed the po ssib le transfo rm ations occurred in quench ing and annealing of steels. T h is announced the b irth of m etallography. D uring the sh ift of the 19th cen tu ry, M artens and O smond m ade impo rtan t con tribu tion to the developm ent of m etallography and its app licat ion in the m etal industry. In the m ean tim e, Roberts2A usten and Roozeboom constructed the p relim inary Fe2C phase diagram , w h ich laid the foundation of m etallography. Com ing to the fift ies of the 20th cen tu ry, m etallography developed successively in to physical m etallu rgy and m ateria ls science. 【Key words】　m etallography; h isto ry; early h isto ry 　　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, ·2· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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。 图 1　铁陨石腐刻后直接印制的魏氏组织 (1820) 英文金相学M etallography 这一名词在 1721 年 首次出现于牛津《新英语字典》(N ew English D ic2 t ionary)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Bergm an 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, R inm an 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。 A loys von W idm anstaβt ten (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 ·3· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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. D an iell 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。 图 2　金属部件中的流线 (T resca, 1867) (2) 1860 年W. L uβders 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。 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. Sach s 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. M eh l 学派 (包括C. S. Barret t) 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. So rby (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, 例如把钢样磨成 01025 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, 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——So rb ite, 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 ·4· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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”, 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 How e 命名为 Ferrite, 即铁素体) ; (2) 碳含量高的极硬化合物 (1881 年A pel 用电 化学分离方法确定为 Fe3C, 1890 年 How e 命名为 Cem entite, 即渗碳体) ; (3) 由前两者组成的片层状珠状组织 Pearly Constituen t (How e 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 1ö40000 英　, 硬物为 1ö80000 英　, 因此有 间距约为 1ö60000 英　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! 实际上, 索氏在上述有关珠光体的描述中就已 经引入了高温形成奥氏体及其在低温转变成珠光体 的概念, 且看他的进一步论述: “除了上述特殊组织本身的意义外, 我认为它还 可能阐明钢的淬火和回火。当钢在红热状态下投入 图 3　索氏当年观察过的珠光体试样; 1953 年拍照 (×500) 冷水中急冷, 铁与碳在高温生成的稳定化合物在它 有足够时间转变之前突然被固定下来, 保留了介于 软铁与非常硬而脆的化合物 (译者注: 渗碳体) 之间 的性能, 也就是说把高硬度与强度结合起来。这不但 是可能的, 并且实际上很可能就是如此。再一次升温 使淬火钢回火, 我们容易理解上述两个组元 (译者 注: 铁素体与碳化物) 多多少少会分离出来, 给出与 缓冷后得到的相似结构。至少我认为这种观点与我 用高倍观察不同的钢与铁所得的研究结果是一致 的”。这里又基本上引入了马氏体及其在淬火中生成 和回火中分解的概念。不仅如此, 他还讨论了合金元 素对淬火的作用。1856 年M ushet 发现在高碳钢中 加入钨到 5- 6% 就可以在空冷后得到与淬火一样 的硬度。对此索氏的观点是:“M ushet 的空冷淬火钢 的奇异性能可能是由于钨阻止这种常见的分解所 致”。这实际上就是后来得到证实的合金元素阻止奥 氏体分解从而增强淬透性的概念。 索氏一个人在不太长的时间里, 作为副业 (主业 是地质岩相研究) , 基本上弄清楚钢铁的显微组织与 热处理过程中的相变, 不能不说是一件非常伟大的 成就。此外, 他还讨论了晶粒、再结晶、形变中晶粒的 变化等。人们把他作为金相学的奠基人是再恰当也 没有的了。 3　发展阶段 索氏虽然创建了钢铁的金相学, 但他毕竟主要 是地质矿物学家而不是冶金工程师, 他在冶金界的 ·5· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 活动范围及影响是有一定局限性的, 因此他在 1863 年的杰出贡献一直要到二十几年后才引起冶金界的 重视。在这期间, 德国的A do lfM artens (以下简称马 氏, 请注意这不是平炉炼钢法发明人马丁M artin ) 和法国的 F lo ris O smond 分别在 1878 及 1885 年独 立地用显微镜观察钢铁的显微组织。他们都是与钢 铁生产与使用有关的工程师。马氏在东普鲁士铁路 局工作十年, 修建桥梁, 在这期间他利用业余时间, 进行钢铁的金相观察。O smond 曾在法国的著名合 金钢厂 C reuso t (邓小平当年曾在这家钢厂做工) 工 作十年, 从 1880 年起这个钢厂就开始了金相检验。 因此, 他们的金相观察结果很快就在冶金界传播开 来, 影响深远, 功绩不亚于索氏, 在德国及法国甚至 有一些学者[11, 12 ]还认为他们也是金相学的创始人。 在十九世纪的六十到八十年代, 三个杰出的科学家 分别在三个国家独立地开始了钢铁的金相观察, 这 是那个时期钢铁工业大发展的必然结果, 不足为奇。 马氏是一位严谨的正统金相学家, 他的哲学是 金相学家的任务是改进金相试验方法, 进行细致观 察, 认真记录, 少做推论。他也是这样身体力行的, 一 方面与蔡司光学仪器厂合作适于金相观察的显 微镜 (这对金相技术的普及推广起了很大的作用) , 另一方面对钢铁的金相进行了大量的系统研究, 发 现了低碳钢的时效变脆现象。由于他过于强调观察 细节, 论文有时显得烦琐, 在理论分析方面建树不 多。但是, 马氏在改进和推广金相技术方面起了很大 的作用。他认为对钢铁厂来说, 金相检验是最重要的 检验方法之一, 其重要性决不亚于化学成分分析。在 他的影响下, 到本世纪初不少钢厂都有了金相检验 室。为了纪念马氏在改进和传播金相技术方面的功 绩,O smond 在 1895 年建议用他的姓氏命名钢的淬 火组织——M artensite, 即马氏体。 如果说马氏是金相技术方面的一位先驱, 那么 O smond 可以说是金属学或物理冶金方面的一位伟 大科学家。首先, 在实验技术方面他不限于金相观 察, 而是把它与热分析、膨胀、热电动势、电导等物理 性能试验结合起来。这在当时不能不说是一种创举, 把金相技术扩大到更广泛的范畴里去, 这在后来已 成为金属学的传统研究方法了。其次, 在理论分析方 面他也不限于显微组织结构, 而是把它与化学成分、 温度、性能结合在一起, 注意研究它们之间的因果关 系。换句话说, 他把金相学从单纯的显微镜观察扩 大、提高成一门新学科。从这个角度来看, O smond 的贡献是非常卓越的。 O smond 在实验技术上精益求精, 图 4 是他拍 摄的珠光体的高倍显微像, 就是在今天用先进的实 验仪器与照相器材, 要达到这么高的水平也非易事。 在测量冷却曲线时, 他采用当时新发展出来的 P t2 R d 热电偶; 在绘制曲线时, 他不用温度 (Η) 随时间 ( t) 的变化, 而用温度 (Η) 随 dtödΗ的变化, 突出转变 点 (图 5)。他在 1887 年发表的“铁、钢与白口铸铁中 铁与碳的相变”一文中明显测出三个转变点, 即 900, 750 和 700℃。这就是我们今天铁的三个转变 点: 910℃: Χ→Α相变 768℃: 铁磁转变 723℃: 碳从固溶体中析出, 共析相变 图 4　116%C 钢中的珠光体 (O smond, 1901) 后来他还发现在镍含量高的合金钢中 Χ可以保 留到宝温而不转变, 为发展奥氏体不锈钢指明了方 向。他不但首先发现了铁的 Α, Β, Χ三种同素异构体, 后来还在“铁的晶体学”一文 (1900)中用晶体生长形 态及蚀坑证明:Α, Β, Χ三种同素异构体都属于立方晶系;Χ生长成八面体, 滑移面是{111};Α, Β生长成立方体, 滑移面不是{111}及{100}, 孪晶面是{112}。 这与后来的 X 射线结构分析完全一致, Χ有面 心立方结构, Α, Β有体心立方结构。我们完全可以想 像到, 在 X 射线衍射实验出现之前, 得出这些晶体 学结论是多么不容易。由此也可以看出O smond 才 华横溢, 想像力非常丰富。 顺便提一句, 我们今天使用的转变点符号都是 沿用当年O smond 用过的, 如A (法文驻点A rresta2 ·6· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 5　冷却曲线, 左图是习惯作图法, 右图是O smond“反冷却速率”法, 给出明显的转变点 t ion 的第一个字母) 代表转变点, 下标 c (法文加热 chauffage 的第一个字母) 及 r (法文冷却 refro idisse2 m ent 的第一个字母) 分别代表升温及降温的转变 点。显然, Α, Β, Χ, 也是延用O smond 的符号。 O smond 还有谦逊的美德。一方面不让在他逝 世的讣告中说明他在金相学方面的业绩; 另一方面 把荣誉让给别人, 如他推崇索氏为金相学的奠基人, 马氏为伟大的金相学家, 分别用他们的姓氏 命名索 氏体和马氏体。他还把他自己发现的碳在 Χ铁中的 固溶体命名为A usten ite, 即奥氏体, 以纪念在 Fe2C 平衡图方面作出巨大贡献的W. C. Roberts2A usten (以下简称奥氏)。甚至他还用物理化学家 L. J. T roo st (巴黎大学教授, O smond 曾受过他的指教, 但他本人从未在金相方面做过研究) 的姓氏命名钢 ·7· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 中的一种共析相变组织——T roo stite, 即屈氏体。 伟大的科学家也不可能是完美无瑕的。O smond 在发现 Β铁后, 认为这是钢在淬火后有很高硬度的 本质。易言之, Β铁很硬, 在高温生成后在急冷的淬 火过程中被保留下来了。显然, 这是错误的。但是 O smond 及奥氏, 后来还有 Sauveur, 为此舌战群儒, 斗争非常激烈, 我们在金相学史话 (2)中将对此作专 门报道。但是, 这个失误与O smond 的伟大贡献相 比, 只不过是一块美玉中的一点瑕疵罢了。 除了一百多篇论文外, O smond 还写了两本有关 金相的专著(1895, 1904) , 对金相学的普及推广也起了 重要的作用。到了上世纪末或本世纪初, 金相学就已经 成为一门新兴的学科了。下面从几个侧面举例说明: 11 学报开始出现 金相学家　M etallograph ist (1898- 1903) 国际金相学杂志　 In ternationale Zeitsch rift fuβr M etallograph ie (1911- 1918) 21 大学中设金相学讲座或教授 柏林工业大学在 1910 年设金相学讲座, 1919 年聘请 H. H anem ann 任教授, 并出版金相图谱　 A tlas M etallograph icus, 影响深远。 31 金相学专著陆续出版 H. Beh rens: D as m ik ro skop ische Gefuβge der M etalle and L egierungen (1894). F. O smond, J. E. Stead: T he M icro scop ic A nalysis of M etals (1904). P. Goerens: E infuβh rung der M etallograph ie ( 1906, 战后版 1948). C. H. D esch:M etallography (1910, 第 六版 1944). H. M. How e: M etallography of Steel and Cast Iron (1915). A. Sauveur: T he M etallogra2 phy and H eat T reatm ent of Iron and Steel (1916, 第 六版 1943). 41Fe2C 平衡图在 1899 - 1900 问世 (W. C. Roberts2A usten, H. W. Bakhuis2Roozeboom ) , 钢铁 的相变与热处理有了理论的指导。 51 金相的研究从钢铁逐步延伸到其它合金系 统中去, G. T amm ann 开始按周期表系统地研究二 元系合金 (1903) , 把金相学进一步发展为金属学 (即 M etallkunde, 俄文的 Металлкпиде) , 在德国哥丁根 大学建立学派, 并出版“金属学教程”L eh rbuch der M etallkunde (1914, 第四版 1932)。 4　展望 金相学的诞生已经一个多世纪了, 并已成为一 门成熟的学科。但是, 随着科学技术的发展, 金相学 也在不断充实新的内容和扩大它的领域。 首先, 观察手段的改进使金相学起了明显的变 化。光学显微镜虽然有简单方便的优点, 但是它的分 辨率不高, 仅能观察金相组织中几十微米尺度的细 节。目前, 它的主要发展趋势是定量金相学, 也就是 把光学显微镜配上电子计算机, 对显微组织的一些 特征进行定量的分析。为了获得更高的分辨率以观 察更细微的内部结构, 透射式电子显微镜在三十年 代初研制成功, 经过半个世纪的发展, 它的分辨率已 接近或达到分辨单个原子的水平。后来, 为了观察凸 凹不平的大块试样, 扫描电子显微镜又应运而生。这 些电子光学仪器不但有极高的分辨率, 并且能进行 微区电子衍射分析, 给出有关的晶体结构数据。不仅 如此, 在配上 X 射线谱仪及电子能量谱仪后, 还能 进行小到几纳米范围的化学成分分析。由此可见, 这 些电子光学分析仪器已经使我们对金属的显微组织 结构的研究深入到原子的层次, 成为现代金相学研 究的重要手段。现将金相学杂志M etallography 中 1982 年发表的文章按主要观察手段及实验方法分 类如下: 光学显微镜: 传统方法　　5 定量金相　　4 其　　它　　2　共 11 篇 电子显微镜: 透 射 型　　9 扫 描 型　　7 电子探针　　2　共 18 篇 当然, 在使用电子显微镜为主要观察手段的文 章中也有一些用光学显微镜做低倍辅助观察。但是, 使用电子光学仪器进行金相研究的趋势已经是无庸 置疑的了。 其次, 随着新材料的不断出现, 金相学的范围也 逐渐扩大, 并渗透到其它材料领域中去, 发展成为材 料科学。在半导体材料的早期发展中, 不少金相工作 者参予其事。位错等晶体缺陷的概念主要是在金属 研究中形成的, 现在不但已经是半导体等晶体材料 的一项质量指标, 并也在地质矿物学中开始受到重 视。G. P. 区是合金的固溶体中在予沉淀过程中生成 的溶质原子偏聚区, 现在这一名词也已在矿物研究 中得到应用。合金强化也已应用到高分子材料中去。 材料科学是新开辟的领域, 天地宽阔, 金相工作者肯 定会为此作出应有的贡献。 历史在发展, 金相学还在前进。随着科学技术的 迅速发展, 金相学也会不断以新的姿态出现! ·8· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 参 考 文 献 [ 1 ]　R. F. M ehl. A B rief H isto ry of the Science ofM etals [C ], Am er. Inst. M inn ing. M et. Engrs. , 1948 [ 2 ]　L. A itch ison. A H isto ry of M etals [M ], M acDon2 ald, 1960 [ 3 ]　C. S. Sm ith. A H isto ry of M etallography [M ], U 2 n iv. Ch icago P ress, 1960 [ 4 ]　M etallography, 1963—— P roceedings of the So rby Cen tenary M eeting, The Iron and Steel Institu te [C ], 1963 [ 5 ]　C. S. Sm ith, ed. . The So rby Cen tenn ial Sympo siom on the H isto ry of M etallography [M ], Go rdon and B reach, 1965 [ 6 ]　A. Sauveur, C. H. Chou (周志宏). T rans. Am er. In2 st. M in [J ]. M et. Eng. , 84 (1929) , 350 [ 7 ]　R. F. M ehl. O n the W idm anstaβt ten Structu re, 见文 献[ 5 ], P. 245 [ 8 ]　N. H igham. So rby—— The M an and H is Back2 ground, 见文献[ 5 ], P. 1 [ 9 ]　H. M oo re. Henry Clifton So rby, 见文献[ 4 ], P. 37 [ 10 ]　见文献[ 5 ], P. 43 [ 11 ]　P. G. Bastein. 见文献[ 5 ], P. 171 [ 12 ]　F. W ever. 见文献[ 5 ], P. 163 (上接第 87 页) [ 10 ]　彭志方, 严演辉, 镍基单晶高温合金 CM SX24 相形 态演变及蠕变各向异性 [ J ]. 金属学报, 1997, 33 (11) : 1147 [ 11 ]　彭志方, Glatzel U , Feller2Kniepm eier M. , 一种镍基 单晶高温合金中 Χ′沉淀的定向粗化[J ]. 金属学报, 1995, 31 (12) : A 531 [ 12 ]　Peng Z F. Glatzel U. L ink T. , Feller2Kniepm eierM. Change of Phase M o rpho lingies During Creep of CM SX24 at 1253K [J ]. Sct M ater, 1996, 34 (2) : 221 [ 13 ]　B rerm ann H , Streh ler M ,M ughrab i H. , H igh2Tem 2 peratu re M easurem en ts of L attice Param eters andIn ternal Stresses of a Creep 2Defo rm ed M onocrystal2ine N ickel2Base Superalloy[J ]. M etallM ater T rans,1996 (Ap r) , 27A : 1003[ 14 ]　沙玉辉, 张静华, 金涛, 徐永波, 胡壮麒, 镍基高温合金单晶压缩屈服行为的温度、取向及应变速率依赖性[J ]. 金属学报, 1999, 35 (5) : 585[ 15 ]　Glatzel U , M icro structu re and In ternal Strains ofU ndefo rm ed and Creep Defo rm ed Samp les of a N ick2el2Base Superalloy. V erlag D r Ko ster,Berlin, 1994: 8 ·9· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 19 卷 第 1 期 Vol 1 1 9 No 1 1 材 　料 　科 　学 　与 　工 　程Materials Science & Engineering 总第7 3期Mar . 200 1 收稿日期 :2000208215 作者简介 :郭可信 (1923 —) ,男 ,浙江大学化工系毕业 ,中国科学院院士. 文章编号 :10042793X( 2001) 0120006207 金相学史话 ( 2) :β2Fe 的论战 郭可信 (中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室 ,北京 2724 信箱 ,100080) 　　【摘 　要】　自从 Osmond 在 1885 年首次提出β2Fe 以为 ,直到 1922 年 Westgren 和 Phragmén 用高 温 X射线衍射证明β2Fe 与α2Fe 有相同的体心立方结构为止 ,在很长时间内 ,冶金学家一直为钢为 什么在淬火后变硬而争论不休。同素异构派 (Allotropist) 认为是α2Fe →β2Fe 相变的结果 ,而碳派 (Carbonist)认为是 C的作用 ,各执一词。尽管β2Fe 的存在被否定了 ,同素异构相变 (γ2Fe →α′2Fe) 还 是存在的 ,它与四方畸变的α′2Fe 中固溶 C都是钢在淬火后变硬的必要条件。这场长达四十年的激 烈争论不但阐明了钢的淬火原理 ,对钢的结构与性能的深入了解也是有益的。 【关键词】　金相学 ;历史 ;β2Fe 中图分类号 :TG113 ,N91 　　　　文献标识码 :A A Brief History of Metallography : Ⅱ1β2Fe Controversy GUO Ke2xin( K. H. Kuo) ( Beijing Laboratory of Electron Microscopy , Institute of Physics , Chinese Academy of Sciences , P. O. Box 2724 , Beijing 　100080 , China) 【Abstract】　Ever since the first proposal of the presence ofβ2Fe in 1885 by Osmond , a great debate on the cause of quench hardening of steels was going on until 1922 when Westgren and Phragmén disproved the presence ofβ2Fe by high temperature X2ray diffraction analysis. The Allotropists like Osmond , Roberts2Austen , Sauveur , etc. , claimed that theα2 Fe →β2Fe allotropy was responsible for quench hardening , while the Carbonists like Arnold , Hadfield , Ledebur , etc. , ad2 vocated that carbon in steel was the main cause. Thoughβ2Fe was finally discarded , the allotropic transformationγ→α’(a tetragonally distortedα2Fe , namely martensite) as well as carbon (needed to cause the tetragonal distortion ofα2Fe) were found to be the cause of quench hardening. Such a long , fierce debate not only clarified the mechanism of quenching hard2 ening , but also improved our knowledge of the structure and properties of steels. 【Key words】　metallography ; history ;β2Fe ·6· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　自从 Westgren 在 1921 年用高温 X 射线相机证 明α2Fe 及β2Fe 有相同的体心立方点阵 [1 ] ,β2Fe 这个 名词就很少使用了 (见附录) 。纯铁在 768 ℃的这个 A2 临界点是一个铁磁 —顺磁转变的居里点 ,并不伴 随有晶体结构的变化。但是 ,关于β2Fe 是否存在以 及有关它的本质的论战却是金相学史上一次最大的 学术争论。在时间上从 Osmond 在 1885 年首次提出 β2Fe 这个名词到二十世纪 30 年代 Sauveur 表面上正 式放弃β2Fe 硬化理论 ,持续了将近半个世纪。金相 学的第一代或第二代的一些知名学者 ,如 Osmond , Roberts2Austen , Sauveur , Howe , Arnold , Hadfield , Stead , Rosenhain ,Ledebur , Heyn ,Brinell 等 3 ,都参加了这场 论战 ,前后发表了约一百篇论文。论战双方立场鲜 明 ,针锋相对 ,言辞之激烈有时甚至到谩骂的程度。 有人认为这是金相学史中无聊的一章 ,但是也有人 不这么看 ,他们认为正确的认识只能从讨论甚至争 论中逐渐产生 [2 ] 。回顾这一段历史可以有助于我们 认识金相学的诞生过程 ,从正反两方面都获得一些 教益。 3 这些名流在金相学的地位可从用他们的姓命名一 些钢铁的名词、一些学会的特邀讲座与奖章看出 : Roberts2Austen :Austenite ,奥氏体 ; Stead :Steadite ,斯氏体 (γ+ Fe3C + Fe3P 三元共晶) ; Ledebur :Ledeburite ,莱氏体 (γ+ Fe3C二元共晶) ; Rosenhain :英国金属学会在 1951 年建立 Rosenhain 奖 章 ; Osmond :法国冶金学会在 1949 年建立 Osmond 奖章 ; Howe :美国金属学会在 1922 年建立 Howe 奖章 ; Sauveur :美国金属学会在1934 年建立 Sauveur 功绩奖 ; Heyn :德国金属学学会在 1929 年建立 Heyn 纪念奖章 ; Brinell :瑞典工程科学院设 Brinell 奖章 ,布氏硬度发 明人. Osmond 及 Werth 在 1885 年首次用β2Fe 这个名词 标明钢在淬火后的硬化状态 ,以之与未淬火或淬火前 的软的α2Fe 相区别 [3 ] 。当时他们并没有任何证据肯 定β2Fe 的存在 ,更不用说β2Fe 有较高的硬度了。他 们也不知道 A2 这个临界点 ,当然也谈不上什么同素 异构。β2Fe 只不过是钢中的一种硬的淬火组织的代 名词而已 ,它是由α2Fe 在淬火过程中转变得出的。 在这之后 ,Osmond 在 1887 及 1890 年发表了著 名的铁与钢的冷却曲线试验结果 ,并发现 A1 ,A2 及 A3 三个临界点 [4 ] 。Ar1 比较容易理解 ,这是 Fe3 C 析 出产生的放热反应。Osmond 认为 Ar3 代表铁的一个 同素异构转变温度 ,在这之上是β2Fe ,在 Ar3 与 Ar2 之间α2Fe 与β2Fe 共存 ,在 Ar2 以下是α2Fe。在纯铁 中 ,α与β共存显然是违背相律的 ,但是这是在 Ba2 khuis2Roozeboom在 1900 年首次把相律应用于金相学 研究之前。当时 Osmond 并未把 Ar2 及 Ar3 明显分 开 ,有时甚至认为Ar2 是Ar3 的继续。尽管还存在一 些有待弄清的问题 ,但是β2Fe 的存在似乎是可以肯 定的了 ,或者至少是把γ2Fe 误认为是β2Fe。既然过 去他认为β2Fe 很硬 ,现在又发现β2Fe 在高温存在 , 很自然他就会认为在淬火过程中高温的β2Fe 被保 留下来 ,这就是所谓的β2Fe 硬化理论。这种观点得 到从事 Fe2C 平衡图及同素异构转变的 Roberts2Aus2 ten(即奥氏)及 Sauveur 的全力支持 ,当时人们称他们 为同素异构派 (Allotropist) 。 既然β2Fe 本身很硬 ,碳在钢中的硬化作用就成 为次要的了。这种β2Fe 硬化理论很自然地引起了 钢铁冶金界的强烈反对 ,特别是美国的 Howe ,英国 的 Arnold 及 Hadfield ,德国的 Ledebur 等。他们正确 地指出 ,不含碳的铁是软的 ,无论淬火速度多么快 , 也不会使它变硬。只有在铁中加入碳才会使它变成 钢并在淬火后变硬 ,而且碳含量越高 ,钢在淬火后越 硬。因此碳是使钢在淬火后变硬的关键。他们还引 用人们在过去半个世纪已经认识到的碳在钢中可以 有两种存在状态 ,一种是存在于 Fe3 C 中的碳 ,一种 是溶于铁中的自由碳 ,后者在淬火中产生硬化 ,因此 也称为淬火硬化的碳。把钢样溶于硝酸中 ,两种碳 的化学反应是不一样的。他们认为淬火硬化的碳是 钢在淬火后产生硬化的主导因素 ,人们因此称他们 为碳派 (Carbonist) 。 Howe 在 1887 - 1890 年间先后对β2Fe 硬化理论 发起攻击 [5 ] ,他说“Osmond 的理论既与我们过去已 知的事实相违 ,又与他自己新得到的事实相违 ,而这 两种事实都与碳产生硬化这一理论相符。碳的变化 是肯定了的事实 ,而钢的αΠβ同素异构转变尚未得 到证明 ,两种理论孰是孰非显而易见的”。 对此 Osmond 的答复是 [4 ] :“我认为钢在淬火后 的性能主要是由β2Fe 决定的 ,它在室温既硬又脆。 碳的作用与冷却速率的作用相同 ,两者结合在一起 产生钢的淬火硬化。在通常情况下 ,单是快速冷却 还不足以使铁主要以β2Fe 形式存在。但是在同样 的热处理情况下很容易使碳变成淬火硬化的碳 ,这 种淬火硬化的碳会使β2Fe 稳定 ,从而使β2Fe 得以在 碳的作用下成功地保留到室温。冷却速率越高 ,β2 Fe的转变越不完全 ,钢在淬火后也就越硬”。Os2 ·7· © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net mond 后来还进一步嘲笑碳派没有能提出一个碳的 淬火硬化机理 [6 ] ,他说“我经常被指责贬低或者说攻 击碳的作用。但是实际情况是 ,我对这个元素的作 用给出了一种可信的解释 ,可是我的对手们却未能 对此提出任何解释”。 在这种挑战下 ,碳派的另一员主将 Arnold (Shef2 field 大学冶金学教授 ,主要从事碳化物的研究) 出来 应战了 [8 ] 。他的试验指出含碳量为 0189 %的钢在缓 冷后完全由珠光体组成 ,随着冷却速率加剧 ,珠光体 中的渗碳体越来越细小 ,在淬火的情况下 ,渗碳体与 铁形成的亚碳化物就会弥散在整个钢中 ,因此他称 淬火屈氏体为“乳化珠光体”。相当于 0189 %C 的亚 碳化物的组成应是 Fe24 C(Howe 称之为 Hardenite) ,在 Ar1 临界点的反应是 Fe24 C →Fe3 C + 21Fe 显然 ,这种 Fe24 C 硬化理论一点也不比β2Fe 硬化理 论高明 ,但是 Arnold 坚持这种观点至死不变 ,在金相 学史上产生了很大的混乱。 在 1890 - 1894 年间 ,Osmond 及 Arnold 为了证明 对方的观点是错误的 ,都在积极地进行铁与钢的临 界点试验 ,终于弄清 A2 及 A3 是两个独立的临界点。 对此 ,理论基础扎实的 Osmond 立刻给予了正确的解 释 ,A2 是α2β磁性转变的居里点 ,A3 是β2γ转变的临 界点。通过化学反应及金相观察 ,他还证明α,β,γ 都属立方晶系 ,但是γ的晶体学特征与α,β不同。 Arnold 一方面缺乏理论素养 ,一方面又不愿意承认 同素异构转变 ,因此把 Ar2 的放热反应归结为钢从 塑态转变为晶态的结果。对此 Osmond 认为这实质 上就是他自己坚持的同素异构转变 ,他带着讽刺的 口吻说 ,“对于 Arnold 教授把我多年以前提出的解释 作为他本人的解释 ,我深感惊讶。他并未认识到他 的解释 ,如果是正确的话 ,实际上就是同素异构存在 的另一个证据。我们在这一点上所以不一致可能是 对同素异构这一名词的不同理解 ,或者说同素异构 在 Sheffield 的定义与经典化学著作中的不一样”。 基于同一原因 ,Arnold 也不愿意承认 Ar3 是一个 同素异构转变的临界点 ,先是把它说成是钢中的氢 引起的放热反应所致 ,后来又说是生成硫化物的放 热反应。对此 ,奥氏指出钢中的硫