金相学史话_2_Fe的论战

第19卷第1期V ol 119N o 11

材　料　科　学　与　工　程Materials Science &Engineering

总第73期Mar.2001

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Osm ond 在1885年首次提出β2Fe 以为,直到1922年Westgren 和Phragm én 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:TG 113,N91 文献标识码:A

A B rief H istory of Metallography :

Ⅱ1β2Fe Controversy

GU O K e 2xin(K.H.K uo)

(B eijing Laboratory of E lectron Microscopy ,I nstitute of Physics ,Chinese Academy of

Sciences ,P.O.Box 2724,B eijing 100080,China)

【Abstract 】　Ever since the first proposal of the presence of β2Fe in 1885by Osm ond ,a great debate on the cause of

quench hardening of steels was g oing on until 1922when Westgren and Phragm én disproved the presence of β2Fe by high tem perature X 2ray diffraction analysis.The Allotropists like Osm ond ,R oberts 2Austen ,Sauveur ,etc.,claimed that the α2

Fe →β2Fe allotropy was responsible for quench hardening ,while the Carbonists like Arnold ,Had field ,Ledebur ,etc.,ad 2v ocated that carbon in steel was the main cause.Though β2Fe was finally discarded ,the allotropic trans formation γ→α’

(a tetrag onally distorted α2Fe ,namely martensite )as well as carbon (needed to cause the tetrag onal distortion of α2Fe )were found to be the cause of quench hardening.Such a long ,fierce debate not only clarified the mechanism of quenching hard 2ening ,but als o im proved our knowledge of the structure and properties of steels.

【K ey w ords 】　metallography ;history ;β2Fe

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A 2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Osm ond 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Osm ond ,

R oberts 2Austen ,Sauveur ,H owe ,Arnold ,Had field ,S tead ,R osenhain ,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:

R oberts 2Austen :Austenite ,奥氏体;

S tead :S teadite ,斯氏体(

γ+Fe 3C +Fe 3P 三元共晶);Ledebur :Ledeburite ,莱氏体(

γ+Fe 3C 二元共晶);R osenhain :英国金属学会在1951年建立R osenhain 奖

章;

Osm ond :法国冶金学会在1949年建立Osm ond 奖章;H owe :美国金属学会在1922年建立H owe 奖章;Sauveur :美国金属学会在1934年建立S auveur 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.

Osm ond 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A 2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,Osm ond 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A 1,A 2及

A 3三个临界点

[4]

。Ar 1比较容易理解,这是Fe 3C 析

出产生的放热反应。Osm ond 认为Ar 3代表铁的一个同素异构转变温度,在这之上是β2Fe ,在Ar 3与Ar 2之间α2Fe 与β2Fe 共存,在Ar 2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Ba 2

khuis 2R oozeboom 在1900年首次把相律应用于金相学

研究之前。当时Osm ond 并未把Ar 2及Ar 3明显分开,有时甚至认为Ar 2是Ar 3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Fe 2C 平衡图及同素异构转变的R oberts 2Aus 2ten (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H owe ,英国的Arnold 及Had field ,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Fe 3C 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 )。

H owe 在1887-1890年间先后对β2Fe 硬化理论

发起攻击[5],他说“Osm ond 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Osm ond 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”。Os 2