材料组织史话丨马氏体为什么叫马氏体？

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对于学材料的人来说，“马氏体”的大名如雷贯耳，那么说到阿道夫·马滕斯又有几个人知道呢？其实马氏体的“马”指的就是他了。在铁碳组织中这样以人名命名的组织还有很多，今天我们就来说说这些名称和它们背后那些材料先贤的故事。
马氏体Martensite，如前所述命名自Adolf Martens (1850-1914)。这位被称作马登斯或马滕斯的先生是一位德国的冶金学家。他早年作为一名工程师从事铁路桥梁的建设工作，并接触到了正在兴起的材料检验方法。于是他用自制的显微镜（！）观察铁的金相组织，并在1878年发表了《铁的显微镜研究》，阐述金属断口形态以及其抛光和酸浸后的金相组织。（这个工作我们现在做的好像也蛮多的。）他观察到生铁在冷却和结晶过程中的组织排列很有规则（大概其中就有马氏体），并预言显微镜研究必将成为最有用的分析方法之一（有远见）。他还曾经担任了柏林皇家大学附属机械工艺研究所所长，也就是柏林皇家材料试验所（"Staatliche Materialprüfungsamt"）的前身，他在那里建立了第一流的金相试验室。1895年国际材料试验学会成立，他担任了副主席一职。直到现在，在德国依然有一个声望颇高的奖项以他的名字命名。

马氏体最初是在钢（中、高碳钢）中发现的：将钢加热到一定温度（形成奥氏体）后经迅速冷却（淬火），得到的能使钢变硬、增强的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙（F.Osmond）为纪念德国冶金学家马滕斯（A.□artens），把这种组织命名为马氏体(□artensite)。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20世纪以来，对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识，又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变，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。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体（见固态相变）。热效应和体积效应，相变过程是形核和长大的过程。但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达10□cm□s□。人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。其特征可概括如下：　　
马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移，这种位移是切变式的。原子位移的结果产生点阵应变(或形变)。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。将一个抛光试样的表面先划上一条直线，如图3a马氏体相变时的形状改变中的PQRS，若试样中一部分(A□B□C□D□-A□B□C□D□)发生马氏体相变(形成马氏体),则PQRS直线就折成PQ、QR□及R□S□三段相连的直线，两相界面的平面A□B□C□D□及A□B□C□D□保持无应变、不转动，称惯习（析）面。这种形状改变称为不变平面应变。形状改变使先经抛光的试样表面形成浮突。由图4 高碳钢中马氏体的表面浮突×600可见，高碳钢马氏体的表面浮突，它可由图5表面浮突示意示意，可见马氏体形成时，与马氏体相交的表面上发生倾动，在干涉显微镜下可见到浮突的高度以及完整尖锐的边缘（图6Co-30.5Ni合金形成六方马氏体时产生的表面浮突干涉图像）。

马氏体的惯习（析）面 马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7 Fe-25Ni-0.3V-0.3C钢中的马氏体及其周围的奥氏体）。马氏体形成时和母相的界面上存在大的应变。为了部分地减低这种应变能，会发生辅助的变形，使界面改变如图7Fe-25Ni-0.3V-0.3C钢中的马氏体及其周围的奥氏体中由{135}变为{224}面。图7Fe-25Ni-0.3V-0.3C钢中的马氏体及其周围的奥氏体中马氏体呈透镜状，它具有中脊面，是孪晶密度很高的面，即{135}□面，这些马氏体内部的孪晶是马氏体内的亚结构。在铁基合金的马氏体中存在孪晶或（和）位错，在非铁合金中一般存在孪晶或层错。由图7Fe-25Ni-0.3V－0.3C钢中的马氏体及其周围的奥氏体还可见到：在马氏体周围的母相（奥氏体）中形成密度很高的位错，这是在马氏体相变时，母相发生协作形变而形成的。


由于马氏体相变时原子规则地发生位移，使新相(马氏体)和母相之间始终保持一定的位向关系。在铁基合金中由面心立方母相γ变为体心立方(正方)。
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下面说说奥氏体Austenite，套用一下无意间搜到的某个以Austenite为昵称的仁兄的话，Austenite之所以叫Austenite，不是因为发现者喜欢简·奥斯汀（Jane Austen）的作品，也不是因为德克萨斯州的首府奥斯汀（Austin）市，而是因为一位来自不列颠的冶金学家Roberts-Austen, Sir William Chandler (1843-1902)。个人猜测，他的名字大概是罗伯茨-奥斯汀，被封为威廉·查德勒爵士。这位爵士可算得上是有好几把刷子。他是第一幅铁碳相图的绘制者，1897年完成初稿1899年彻底完成。他还是第一个用定量试验验证菲克扩散定律的人，他所做的试验是金在铂中的扩散。他还与法国勒夏忒列同时称为差热分析的鼻祖。下面我们来看看这位先生的生平。

奥氏体是最密排的点阵结构，致密度高，故奥氏体的体积质量比钢中铁素体、马氏体等相的体积质量小。因此，钢被加热到奥氏体相区时，体积收缩，冷却时，奥氏体转变为铁素体-珠光体等组织时，体积膨胀，容易引起内应力和变形。

奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈服强度低，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢坯，钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化，然后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。

一般钢中的奥氏体具有顺磁性，因此奥氏体钢可以作为无磁性钢。然而特殊成分的Fe-Ni软磁合金，也具有奥氏体组织，却具有铁磁性。

奥氏体导热性差，线膨胀系数大，比铁素体和渗碳体的平均线性膨胀系数高约一倍。故奥氏体钢可以用来制造热膨胀灵敏的仪表元件。在碳素钢中，铁素体，珠光体，马氏体，奥氏体和渗碳体的导热数分别为27.1,51.9,29.3,14.6和4.2。可见，除渗碳体外，奥氏体的导热性最差，尤其是合金度较高的奥氏体钢更差，所以，厚钢件在热处理过程中应当缓慢冷却和加热，以减少温差热应力，避免开裂。

罗伯茨-奥斯汀于1843年3月3日出生于英国的Kennington。18岁时进入皇家矿业学院。后来在造币厂从事金、银和合金成分的研究。他用量热计法测定银铜合金的凝固点，并首先用冰点曲线表示其实验成果。1875年当选为英国皇家学会会员。1876年与J.洛基尔一起用光谱仪作定量分析，以辅助传统的试金法。1885年他开始研究钢的强化，同时着手研究少量杂质对金的拉伸强度的影响，并在1888年的论文中加以阐述，成为早期用元素周期表解释一系列元素特性的范例。奥斯汀采用Pt／（Pt-Rh）热电偶高温计测定了高熔点物质的冷却速度，并创立共晶理论。他使用显微镜照相的方法研究金属的金相形貌。在造币厂的工作使他成为了举世闻名的铸币权威。1882年到1902年他在伦敦的皇家矿业学院任冶金学教授，1899年被授予爵士爵位。于1902年11月22日离开人间。

相比之下关于贝氏体和莱氏体的“被命名者”我们了解的要少得多。贝氏体Bainite，命名自美国化学家E. C. Bain，30年代，他和他的合作伙伴在由他们首先进行的“等温转变曲线”的试验中发现了一种不同于他们熟识的组织的新的组织，这种针状或羽毛状的组织随后被以他的名字命名。莱氏体Ledeburite，命名自Adolf Ledebur (1837-1916)。关于他，我们只知道他是Bergakademie Freiberg的第一个"Eisenhüttenkunde"教授，并因在1882年发现了铁碳"Mischkristalle" 而闻名，至于这些德语是什么意思就请高手不吝赐教了。

以人名命名的组织大体如此，其他的组织命名则各有不同。铁素体Ferrite，命名自拉丁文的铁（Ferrum）；珠光体Pearlite，得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽；渗碳体Cementite则因发现者称其为水泥（法语Ciment）以描述它在凝固过程中粘结先析出的晶胞的作用而得名。