有关金相学的普及系列短文

03014008

题记：
7 U6 P5 z! o0 f郭先生曾经写了一个有关金相学的普及系列短文，遂转贴于此与大家共享。
金相学史话_1_金相学的兴起
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% w3 _" T1 N' Z& [1 [6 R8 R( ^% lWidmanstatten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- 2 0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。
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金相学史话_2_β Fe的论战
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自从Osmond在 1885年首次提出 β Fe以为 ,直到 192 2年Westgren和Phragm啨ｎ用高温X射线衍射证明 β Fe与α Fe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α Fe→β Fe相变的结果 ,而碳派(Carbonist)认为是C的作用 ,各执一词。尽管 β Fe的存在被否定了 ,同素异构相变 (γ Fe→α′ Fe)还是存在的 ,它与四方畸变的α′ Fe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。
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4 I3 y! B3 M# ]金相学史话_3_Fe_C平衡图

" g, C+ I+ J/ T& o18 6 8年Чернов首先指出钢的淬火温度应在临界点a以上 ,相当于Osmond后来给出的Ac1或Ac3 。Roberts Austen(即奥氏 )在 1896年绘制出Fe C临界点图 ,接着又在 1897年给出第一个Fe C平衡图 ,其中有碳在γ Fe中的单相区 (后来Howe称之为奥氏体 )。两年后他又给出第二个Fe C平衡图 ,根据相律 ,包晶、共晶、共析三相反应都发生在一固定温度。一年后 (190 0 ) ,Bakhuis Roozeboom引入Fe3 C并根据相律绘出Fe Fe3 C亚稳平衡图 ,与现今使用的Fe C平衡图基本相同。
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/ B/ ^# r* o! V4 _# P金相学史话_4_合金钢的早期发展史
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( K) L7 n$ G5 F' H) n, dFaraday进入皇家学院 (RoyalInstitution)后 ,在 182 0 - 182 2年间从事包括铜、镍、铬及贵金属在内的合金钢研究 ,尽管未发展出有实际用途的钢种 ,也可算是合金钢研究的先驱。 185 6年转炉炼钢法出现后 ,钢产量猛增 ,Mushet高碳高钨自淬火刀具钢应运而生 (1868) ,逐渐发展成 18 4 1高速钢 (190 6)。Hadfield在 1882年研制出高碳高锰奥氏体耐磨钢 ,成分至今未变。他还研制出硅钢片 ,并在 190 3年制出第一台铁损小的变压器。Brearley在 1913年研制出低碳高铬 (1Cr13)马氏体不锈钢 ,在这之后 ,铬镍奥氏体不锈钢才问世。本世纪初汽车工业的兴起 ,促进了合金结构钢的发展(合金钢牌号前面冠以SAE就是美国汽车工程师学会的缩写 ) ,而两次世界大战都伴随有合金钢的产量及品种的大发展。
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金相学史话_5_X射线金相学
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1912年Laue等发明X射线衍射 ,接着Bragg父子就把它应用到金属及一些简单无机化合物的晶体结构测定。到了二十年代 ,金相学的一些基本问题得以迎刃而解 ,如 β Fe不存在(192 2 ) ,有序固溶体 (192 3) ,单晶体的滑移系统 (192 2 - 192 5 ) ,织构 (192 5 ) ,电子化合物 (192 6) ,马氏体的四方度 (192 6) ,等等。进入三十年代 ,略微复杂一些的晶体结构问题也列入研究日程 ,如间隙化合物 (1930 ) ,取向关系 (1930 ) ,G .P .区 (1939) ,等等。到了四十年代 ,不但已经开始用富里叶分析研究金属冷加工产生的晶粒碎化及晶格畸变 (194 8) ,并已出现“金属的结构”(C .S .Barrett,194 3)、“X射线金相学”(A .Taylor,194 5 )等专著。
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; j, R, r; \9 T7 o- I, j金相学史话_6_电子显微镜在材料科学中的应用
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Ruska在三十年代研制出第一台电子显微镜 ,战后 (195 4年 )又在极端困难条件下发展出带有电子衍射功能的高分辨电镜ElmiskopI。但是 ,从专利优先权角度看 ,他不是电镜的发明人。直到半个世纪后 ,有关的争议人都已过世 ,他才在 1986年获得这个迟到的但却是当之无愧的诺贝尔物理奖。材料科学的几次突破性进展充分说明电子显微镜的重要性。首先是电子衍射与成像的结合使位错的直接观察得以实现。在双束 (透射束与一个强衍射束 )条件下 ,位错产生的畸变区的衍射强度与基体不同从而显示衬度差异 (衍衬像 )。位错等晶体缺陷因此得以成为六、七十年代的研究热点。选区衍射使晶体结构分析进入到微米甚至到纳米层次。迄今为止 ,八十年代发现的各种类型的准晶 (五重、八重、十重、十二重旋转对称准晶 )都是使用这种手段实现的 ,从而扩大了晶体的范围 ,把无周期性的准晶也包括进去。高分辨电镜已发展到分辨单个原子的水平 ,这就为九十年代发现和研究纳米碳管创造了条件 ,开辟了纳米技术的新纪元。
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