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　　金相 學 史 話

　　郭可信

　　(中國科學院物理研究所北京電子顯微鏡試驗室， 北京2724 信箱， 100080)

　　金相學史話(1)：金相學的興起

　　【摘　要】　Widmanstabtten在19世紀初用硝酸水溶液腐刻鐵隕石切片，觀察到片狀Fe-Ni奧氏體的規(guī)矩散布(魏氏組織)，予告金相學即將出生。Sorby在1863年用反射式顯微鏡觀察拋光腐刻的鋼鐵試樣，不但看到珠光體中的滲碳體和鐵素體的片狀組織，還對鋼的淬火和回火作了初步探討，金相學已基礎形成。到19～20世紀之交，Martens (馬氏)和Osmond對金相學的發(fā)展和金相檢驗在廠礦中的推廣做了重要貢獻，同時Roberts?Austen (奧氏) 和Roogzeboom初步繪制出Fe-C平衡圖，為金相學奠定了理論基本。到了二十世紀中葉，金相學已逐步發(fā)展成金屬學、物理冶金和材料科學。

　　【要害詞】　金相學；歷史；早期史

　　金相學或更廣義一點的金屬學及金相熱處置是冶金系與機械系大多數(shù)專業(yè)學生的必修課，講述的內(nèi)容是金屬與合金的組織構造以及它們與物理、化學和力學性能間的關系。隨著現(xiàn)代技巧的發(fā)展，新資料層出不窮，金相學的范疇也已不限于金屬與合金，逐漸滲透到無機非金屬資料、礦物、有機高分子等，發(fā)展成為資料科學這門新學科。我國出版的金相學或金屬學教課書卻很少討論這門學科的早期發(fā)展歷史，二手顯微鏡價格，寬大金相熱處置工作者成天與奧氏體、馬氏體、魏氏組織等名詞打交道，甚至還在應用索氏體、屈氏體等已過期的名詞，而不明白它們的來歷。本著溫故知新的主旨，我們籌備編寫一些金相學史話，陸續(xù)發(fā)表，先容金相學(廣義的) 發(fā)展進程中的一些有意義的史實，并借此說明一些觀點。由于有些古老的文獻在國內(nèi)查閱不到，不得不從一些書刊專論中引用第二手的材料，再加上作者的知識又有局限性，過錯之處必定不少，尚請讀者指正。

　　英文金相學Metallography 這一名詞在1721年首次呈現(xiàn)于牛津《新英語字典》(New English Dictionary) 中，不過那時這個名詞的含義是金屬及其性能的學問，并未涉及組織結構。十九世紀中葉，轉爐(1856) 及平爐(1864) 煉鋼新方式相繼問世，鋼鐵價錢顯著降落，產(chǎn)量猛增。那時又正大事興建鐵路，鐵軌用量很大，斷裂事故也屢見不鮮。生產(chǎn)實際的須要增進了對鋼鐵的斷口、低倍及內(nèi)部顯微組織結構的研討。另一方面，晶體學在這個時代也有了長足的進展，如32個晶類(1830)及14個布喇菲點陣(1849)的樹立，這為研究礦物與金屬的內(nèi)部組織結構奠定了理論基本。到了十九世紀末，金相這一名詞也就獲得了新的意義，并與金屬與合金的顯微組織結構結下了不解之緣，金相顯微鏡也就成為研究金屬內(nèi)部組織構造的主要工具。后來金相研究的范疇逐步擴展，也就不再限于顯微鏡視察了。

　　本文先容金相學興起的一些主要事件，主要是對金相觀察的啟蒙、創(chuàng)建、推廣等進程作一歷史性的回想。限于篇幅，僅能重點突出地討論一些問題，詳見文末所引有關文獻1～5。

　　1、啟蒙階段

　　在現(xiàn)代煉鋼辦法呈現(xiàn)之前，瑞典由于有高品位的鐵礦石和豐盛而又價廉的森林資源，在十八世紀時是歐洲的主要產(chǎn)鋼國度。另一方面，那時在瑞典涌現(xiàn)了一些有名的化學家，首先發(fā)明了鎳、鈷、錳、鉬、鎢等金屬元素。顯然，這些化學家的研究也包含鋼與鐵，如Bergman 首先用化學剖析辦法證實碳含量不同是鋼、鍛鐵和鑄鐵的主要差別。另一方面，Rinman在1774 年在瑞典皇家科學院院報上發(fā)表了一篇題為“鐵與鋼的腐刻”的論文，指出“不同類型的鐵與鋼的硬度、致密度、性能均勻與否等均有差別，腐刻為差別它們供給了一種簡易的方法”。但是，這種用化學試劑腐刻金屬顯示其內(nèi)部組織的方法尚未采取制片及拋光技術，僅限于觀察鋼鐵產(chǎn)品的表面組織。

　　圖1　鐵隕石腐刻后直接印制的魏氏組織(1820)

　　Aloysvon Widmanstabtten (以下簡稱魏氏) 在1808年首先將鐵隕石(鐵鎳合金) 切成試片，經(jīng)拋光再用硝酸水溶液腐刻，得出圖1的組織。鐵隕石在高溫時是奧氏體，經(jīng)過遲緩冷卻在奧氏體的{111}面上析出粗大的鐵素體片，無須放大，肉眼可見。四種取向的鐵素體在圖1中都可以察看到，其中三種是針狀，夾角為60°，另一種是片狀，平行于紙面。那時照像技術仍未呈現(xiàn)，過往都是將視察成果刻畫。魏氏在任奧地利皇家生產(chǎn)博物館主任之前曾從事過印刷業(yè)。他應用印刷技巧，首先用腐刻劑將鐵隕石中的鐵素體腐化掉，使奧氏體凸出。拋光腐刻的鐵隕石本身就是一塊版面，涂上油墨，敷上紙張，輕施壓力，將凸出的奧氏體印制下來，一如我國古老的拓碑技術一樣。圖片之清楚可與近代金相照片媲美。魏氏的復制技術在那時不能不說是一種非凡的成績。

　　但是，魏氏實驗的更為深遠的意義還是在科學方面，這不僅是宏觀或低倍觀察的開始，也是顯微組織中取向關系研討的起始。盡管魏氏的重要試驗成果當時并未發(fā)表(直到1820年才由其合作者發(fā)表)，但已在集會上發(fā)布并廣為傳播，鐵隕石的研究盛行一時。在這之后的幾十年用各種化學試劑處置金屬切片表面的實驗就在各處風行起來，對宏觀金相觀察的發(fā)展有意義的幾樁工作是:

　　(1) 1817年J. F.Daniell 發(fā)現(xiàn)鉍在硝酸中浸泡數(shù)日后表面涌現(xiàn)立方的小蝕坑，樹立了用蝕坑法研究晶粒取向的技術。

　　(2) 1860年W.Lubders 在低碳鋼拉伸試樣表面上觀察到腐化水平與基體不同的條帶， 并準確說明這不是偏析而是由于局部的不均勻切變引起的，后來就以他的姓稱這種滑移帶為呂德斯帶。

　　(3) 1867年H.T resca 用氯化汞腐化顯示金屬部件中的流線(圖2)，闡明金屬在加工形變進程中內(nèi)部金屬的流動情形。上述試驗奠定了宏觀腐刻及低倍檢驗技術，在今天仍然是金屬研究和生產(chǎn)檢驗中常使用的方式。

　　圖2　金屬部件中的流線(T resca，1867)

　　后來的研究指出，魏氏組織不但在鋼中并且在很多其它合金中涌現(xiàn)。本世紀二十年代A. Sauveur及周志宏[6 ]研究過碳含量極低的鐵在淬火后的魏氏組織；三十年代G. Kurdjumov 及G. Sachs 用X 射線進行了著名的馬氏體相變?nèi)∠蜿P系的試驗。在R.F. Mehl 學派(包含C.S. Barrett) 在Sauveur 和周志宏的工作啟示下開展了一系列合金的魏氏組織的研究，此后取向關系的測定一直是相變研究中的一個主要組成部分[7 ]。

　　魏氏不是冶金學家，但是他在1808年的有名實驗為金相學的創(chuàng)立起了開路的作用，稱他是金相學的啟蒙人他是當之無愧的。

　　 2、創(chuàng)立階段

　　1863年英國的H.C.Sorby (以下簡稱索氏) 首次用顯微鏡觀察經(jīng)拋光并腐刻的鋼鐵試片，從而揭開了金相學的序幕。他在鍛鐵中觀察到相似魏氏在鐵隕石中觀察到的組織，并稱之為魏氏組織。后來他又進一步完美了金相拋光技巧，例如把鋼樣磨0.1025毫米的試片，并在攝影師的協(xié)助下拍攝了鋼與鐵的顯微像，根本上搞清了其中的主要相，并對鋼的淬火、回火等相變作了到現(xiàn)在看來還基礎上是準確的說明。索氏是國際公認的金相學創(chuàng)立人，特殊是在英國和美國，都在1963年召開了金相學出生一百周年報告會[4，5]，紀念索氏在1863年的發(fā)明(索氏在鍛鐵中觀察到魏氏組織的論文發(fā)表于1864年，但是在他的1863年7月28日的日記中對此已做了記錄)。他的姓氏還被用來命名鋼中的一種淬火或回火組織??Sorbite，即索氏體， 但是這個名詞現(xiàn)在已基礎淘汰了。

　　索氏在1826年誕生于英國鋼城Sheffield 中的一個鋼鐵世家中，他的祖先開了兩家刀具廠，他繼續(xù)了其中之一。不過他生性熱愛自然，很少過問他的產(chǎn)業(yè)，一直是一個從事地質與金屬研究的自由研究工作者[8，9]。晚年還熱情教導，任Sheffield大學的第一任校長。他畢生未婚，以探討自然奧秘為樂，共發(fā)表論文230篇，其中地質方面約100篇，金屬方面僅15篇(具體目錄見文獻[10 ])。由此可見他的重要興致還是在地質方面。

　　索氏年青時就對自然界的生物、礦物、地質產(chǎn)生了極大的興致，他在21歲時發(fā)表的論文是“農(nóng)作物中的硫磷含量”。后來他從一位生物學家那兒學會了應用顯微鏡觀察生物標本及牙、骨等硬物的試片制備方式。這就導致了他后來用顯微鏡研究巖石從而樹立了巖相學(1850年) ，當時他才24歲。這一新穎事物很快就受到普遍的器重，推重他是“顯微巖相學之父”，先后選他當英國地質學會、礦物學會、顯微鏡學會的主席。但是，也有一些思想守舊的人嘲笑他“用顯微鏡研究山脈”，坐井觀天。但是這并攔阻不了科學向前發(fā)展的歷史潮流。

　　由于生涯在一個鋼城的鋼鐵世家中，索氏不可避免地會經(jīng)常接觸一些鋼鐵問題，如用酸蝕綴飾刀具。到1863年索氏的巖相研究已經(jīng)很有成績，他開端了鐵隕石的研究。為了弄清它的顯微構造，他還研討一塊瑞典生產(chǎn)的鍛鐵的顯微結構。為了視察不透明的鋼鐵試片，索氏采取反射式的垂直照明。惋惜當時這件事并未引起鋼鐵界的注意，直到二十幾年后他被請求重新發(fā)表他的1863年的研究成果，才受到廣泛器重。他在自傳式的論文“科學研究五十年”中用譏笑的口氣說：“在早年，假如鐵路出了一次事故而我建議鐵路公司取一段鐵軌進行顯微鏡察看，恐怕他們會以為我是合適送進教養(yǎng)院往的人”。

　　索氏在鋼鐵的顯微鏡觀察中發(fā)明的重要相是：

　　(1) 自由鐵(1890年美國有名金相學家Howe命名為Ferrite，即鐵素體) ；

　　(2) 碳含量高的極硬化合物(1881年Apel用電化學分別辦法斷定為Fe3C，1890年Howe命名為Cementite，即滲碳體) ；

　　(3) 由前兩者組成的片層狀珠狀組織Pearly Constituent (Howe命名為Pearlite，即珠光體) ；

　　(4) 石墨；

　　(5) 攙雜物。

　　他對珠光體的描寫非常引人進勝， 我們把他在1886年的闡述中的一段譯出如下：“珠狀組織中的片層經(jīng)常很薄，軟的鐵片層的厚度約為1/40000英寸，硬物為1/80000英寸，因此有間距約為1/60000英寸的棱脊和溝漕交替排列。這種特別組織的唯一能令人滿足的說明可能就是在高溫時鐵與碳天生一種穩(wěn)固的化合物，在低一些溫度下不再穩(wěn)固，分解為上述兩種物資”。圖3是索氏當年制備并察看過的鋼樣(現(xiàn)在仍有一些保存在Sheffield大學) 在1953年拍的顯微像，放大倍率為500倍，與當年索氏應用的560倍相仿。這就是他當時看到的珠光體，何等清楚!


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