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    材料組織史話丨馬氏體為什么叫馬氏體?

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    對于學材料的人來說,“馬氏體”的大名如雷貫耳,那么說到阿道夫·馬滕斯又有幾個人知道呢?其實馬氏體的“馬”指的就是他了。在鐵碳組織中這樣以人名命名的組織還有很多,今天我們就來說說這些名稱和它們背后那些材料先賢的故事。
    馬氏體Martensite,如前所述命名自Adolf Martens (1850-1914)。這位被稱作馬登斯或馬滕斯的先生是一位德國的冶金學家。他早年作為一名工程師從事鐵路橋梁的建設工作,并接觸到了正在興起的材料檢驗方法。于是他用自制的顯微鏡(!)觀察鐵的金相組織,并在1878年發表了《鐵的顯微鏡研究》,闡述金屬斷口形態以及其拋光和酸浸后的金相組織。(這個工作我們現在做的好像也蠻多的。)他觀察到生鐵在冷卻和結晶過程中的組織排列很有規則(大概其中就有馬氏體),并預言顯微鏡研究必將成為最有用的分析方法之一(有遠見)。他還曾經擔任了柏林皇家大學附屬機械工藝研究所所長,也就是柏林皇家材料試驗所(”Staatliche Materialprüfungsamt”)的前身,他在那里建立了第一流的金相試驗室。1895年國際材料試驗學會成立,他擔任了副主席一職。直到現在,在德國依然有一個聲望頗高的獎項以他的名字命名。
    馬氏體最初是在鋼(中、高碳鋼)中發現的:將鋼加熱到一定溫度(形成奧氏體)后經迅速冷卻(淬火),得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。1895年法國人奧斯蒙(F.Osmond)為紀念德國冶金學家馬滕斯(A.□artens),把這種組織命名為馬氏體(□artensite)。人們最早只把鋼中由奧氏體轉變為馬氏體的相變稱為馬氏體相變。20世紀以來,對鋼中馬氏體相變的特征累積了較多的知識,又相繼發現在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-□n、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本特征屬馬氏體相變型的相變產物統稱為馬氏體(見固態相變)。熱效應和體積效應,相變過程是形核和長大的過程。但核心如何形成,又如何長大,目前尚無完整的模型。馬氏體長大速率一般較大,有的甚至高達10□cm□s□。人們推想母相中的晶體缺陷(如位錯)的組態對馬氏體形核具有影響,但目前實驗技術還無法觀察到相界面上位錯的組態,因此對馬氏體相變的過程,尚不能窺其全貌。其特征可概括如下:
      
    馬氏體相變是無擴散相變之一,相變時沒有穿越界面的原子無規行走或順序跳躍,因而新相(馬氏體)承襲了母相的化學成分、原子序態和晶體缺陷。馬氏體相變時原子有規則地保持其相鄰原子間的相對關系進行位移,這種位移是切變式的。原子位移的結果產生點陣應變(或形變)。這種切變位移不但使母相點陣結構改變,而且產生宏觀的形狀改變。將一個拋光試樣的表面先劃上一條直線,如圖3a馬氏體相變時的形狀改變中的PQRS,若試樣中一部分(A□B□C□D□-A□B□C□D□)發生馬氏體相變(形成馬氏體),則PQRS直線就折成PQ、QR□及R□S□三段相連的直線,兩相界面的平面A□B□C□D□及A□B□C□D□保持無應變、不轉動,稱慣習(析)面。這種形狀改變稱為不變平面應變。形狀改變使先經拋光的試樣表面形成浮突。由圖4 高碳鋼中馬氏體的表面浮突×600可見,高碳鋼馬氏體的表面浮突,它可由圖5表面浮突示意示意,可見馬氏體形成時,與馬氏體相交的表面上發生傾動,在干涉顯微鏡下可見到浮突的高度以及完整尖銳的邊緣(圖6Co-30.5Ni合金形成六方馬氏體時產生的表面浮突干涉圖像)。
      
    馬氏體的慣習(析)面 馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體,這個面稱為慣習(析)面,它往往不是簡單的指數面,如鎳鋼中馬氏體在奧氏體(γ)的{135}上最先形成(圖7 Fe-25Ni-0.3V-0.3C鋼中的馬氏體及其周圍的奧氏體)。馬氏體形成時和母相的界面上存在大的應變。為了部分地減低這種應變能,會發生輔助的變形,使界面改變如圖7Fe-25Ni-0.3V-0.3C鋼中的馬氏體及其周圍的奧氏體中由{135}變為{224}面。圖7Fe-25Ni-0.3V-0.3C鋼中的馬氏體及其周圍的奧氏體中馬氏體呈透鏡狀,它具有中脊面,是孿晶密度很高的面,即{135}□面,這些馬氏體內部的孿晶是馬氏體內的亞結構。在鐵基合金的馬氏體中存在孿晶或(和)位錯,在非鐵合金中一般存在孿晶或層錯。由圖7Fe-25Ni-0.3V-0.3C鋼中的馬氏體及其周圍的奧氏體還可見到:在馬氏體周圍的母相(奧氏體)中形成密度很高的位錯,這是在馬氏體相變時,母相發生協作形變而形成的。
    由于馬氏體相變時原子規則地發生位移,使新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關系。在鐵基合金中由面心立方母相γ變為體心立方(正方)。
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    下面說說奧氏體Austenite,套用一下無意間搜到的某個以Austenite為昵稱的仁兄的話,Austenite之所以叫Austenite,不是因為發現者喜歡簡·奧斯汀(Jane Austen)的作品,也不是因為德克薩斯州的首府奧斯汀(Austin)市,而是因為一位來自不列顛的冶金學家Roberts-Austen, Sir William Chandler (1843-1902)。個人猜測,他的名字大概是羅伯茨-奧斯汀,被封為威廉·查德勒爵士。這位爵士可算得上是有好幾把刷子。他是第一幅鐵碳相圖的繪制者,1897年完成初稿1899年徹底完成。他還是第一個用定量試驗驗證菲克擴散定律的人,他所做的試驗是金在鉑中的擴散。他還與法國勒夏忒列同時稱為差熱分析的鼻祖。下面我們來看看這位先生的生平。

    奧氏體是最密排的點陣結構,致密度高,故奧氏體的體積質量比鋼中鐵素體、馬氏體等相的體積質量小。因此,鋼被加熱到奧氏體相區時,體積收縮,冷卻時,奧氏體轉變為鐵素體-珠光體等組織時,體積膨脹,容易引起內應力和變形。

    奧氏體的點陣滑移系多,故奧氏體的塑性好,屈服強度低,易于加工塑性成形。因此,鋼錠,鋼坯,鋼材一般被加熱到1100?C以上奧氏體化,然后進行鍛軋,塑性加工成材或加工成零部件。

    一般鋼中的奧氏體具有順磁性,因此奧氏體鋼可以作為無磁性鋼。然而特殊成分的Fe-Ni軟磁合金,也具有奧氏體組織,卻具有鐵磁性。

    奧氏體導熱性差,線膨脹系數大,比鐵素體和滲碳體的平均線性膨脹系數高約一倍。故奧氏體鋼可以用來制造熱膨脹靈敏的儀表元件。在碳素鋼中,鐵素體,珠光體,馬氏體,奧氏體和滲碳體的導熱數分別為27.1,51.9,29.3,14.6和4.2。可見,除滲碳體外,奧氏體的導熱性最差,尤其是合金度較高的奧氏體鋼更差,所以,厚鋼件在熱處理過程中應當緩慢冷卻和加熱,以減少溫差熱應力,避免開裂。

    羅伯茨-奧斯汀于1843年3月3日出生于英國的Kennington。18歲時進入皇家礦業學院。后來在造幣廠從事金、銀和合金成分的研究。他用量熱計法測定銀銅合金的凝固點,并首先用冰點曲線表示其實驗成果。1875年當選為英國皇家學會會員。1876年與J.洛基爾一起用光譜儀作定量分析,以輔助傳統的試金法。1885年他開始研究鋼的強化,同時著手研究少量雜質對金的拉伸強度的影響,并在1888年的論文中加以闡述,成為早期用元素周期表解釋一系列元素特性的范例。奧斯汀采用Pt/(Pt-Rh)熱電偶高溫計測定了高熔點物質的冷卻速度,并創立共晶理論。他使用顯微鏡照相的方法研究金屬的金相形貌。在造幣廠的工作使他成為了舉世聞名的鑄幣權威。1882年到1902年他在倫敦的皇家礦業學院任冶金學教授,1899年被授予爵士爵位。于1902年11月22日離開人間。

    相比之下關于貝氏體和萊氏體的“被命名者”我們了解的要少得多。貝氏體Bainite,命名自美國化學家E. C. Bain,30年代,他和他的合作伙伴在由他們首先進行的“等溫轉變曲線”的試驗中發現了一種不同于他們熟識的組織的新的組織,這種針狀或羽毛狀的組織隨后被以他的名字命名。萊氏體Ledeburite,命名自Adolf Ledebur (1837-1916)。關于他,我們只知道他是Bergakademie Freiberg的第一個”Eisenhüttenkunde”教授,并因在1882年發現了鐵碳”Mischkristalle” 而聞名,至于這些德語是什么意思就請高手不吝賜教了。

    以人名命名的組織大體如此,其他的組織命名則各有不同。鐵素體Ferrite,命名自拉丁文的鐵(Ferrum);珠光體Pearlite,得名自其珍珠般(pearl-like)的光澤;滲碳體Cementite則因發現者稱其為水泥(法語Ciment)以描述它在凝固過程中粘結先析出的晶胞的作用而得名。

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    來源:滬江部落、科學百科

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