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金相学史话（5）：X射线金相学-1 ------“独一无二”的“转载”，学习、思考、发展、进步 金相学史话（5）：X 射线金相学 郭可信 金相学发展到20 世纪初已经基本成熟，其标志是有了金相学的专著和学报，在大学里设立了金相学这门课，在冶金及机械厂里普遍建立了金相实验室。但是，以显微镜为主要研究手段的金相学的进一步发展是有其一定局限性的。受到显微镜的分辨率不高的限制，我们对金属与合金显微组织的认识仍停留在微米的量级， 尚不能洞悉更深一层结构的奥秘，更不用说原子尺度的超微结构了。换句话说，相学的进程在设有新的研究手段出现之前就会要有所延缓。正是在这种背景下，X射线衍射在1912年诞生了，它在晶体结构方面所揭示的绚丽夺目的美好远景自然也包括以晶体学为基础的金相学这门新学科。果然，在经过一段孕育期后，金相学者认识并熟悉这种新的研究方法，用X射线衍射研究金相学问题在二十年代初很快就在各个方面展开。到了四十年代，X射线金相学这门分支学科可以说基本成熟了，不但有些金相学教科书（如Desch）中包括了X射线衍射的内容，而且这方面的专著（C.S.Barrett的“金属的结构”，1943；A.Taylor 的“X射线金相学”，1945）也相继问世。 （注明：普通光学显微镜的分辨极限在微米，或者亚微米级别，也就是几百个纳米的级别—可见光的半波长。A. Taylor ，就是Abraham Taylor。 http://ishare.iask.sina.com.cn/download/explain.php?fileid=10191175，这里可以下载C. S. Barrett的“金属的结构”；也就是Charles Sanborn Barrett的《Structure of Metals》，1943。 而Desch，就是Cecil Henry Desch，他的《Metallography》，1910年，429页。）
http://www./cgi-bin/fg.cgi?page=pv&GRid=8189376&PIpi=4483897 在这里：http://www./contentControl?action=displayContent&id=00000003724，简要介绍了Cecil Henry Desch。 Desch was 在这里：Cecil Henry Desch. 1874-1958 - JStor 另外，在这里：http://baike.baidu.com/view/1148247.htm 几十年来，金属的X射线研究无论是从实验方法还是理论分析角度来看，都有了长足的进展。但是我们选出的在X射线金相学的进程中有重大意义的十件大事大都是在二、三十年代用比较原始的X 射线粉末照相机与劳厄相机得出的。这些内容在一般X射线金属学教科书中都可以找到，不多赘述。我们的着眼点不是实验的精度和理论的深度，而是从历史发展的角度看看X 射线衍射对金相学的发展起了什么重要的推动作用，特别是引入了什么新的思想，在认识方面有了哪些深化。选的不一定合适，权且一一道来，请读者过目，欢迎批评指正。 （《X射线单色聚焦粉末照相机的原理和应用》、《用劳厄相机研究金属玻璃的晶化过程》两篇文章，可以简单了解一下X 射线粉末照相机与劳厄相机。） 1 铁的同素异构[1] Hull在1917年用他发明的粉末照相法（比德拜与谢采晚半年；那是第一次世界大战时期，Hull在美国，德拜等在欧洲大陆，他们的工作是互相独立的）测定α-Fe 具有体心立方结构，但是铁的高温同素异构尚有待澄清。Westgren 及Phragmn 用直接通电方法加热铁丝，拍出β，γ及δ铁的X射线粉末照相，发现α，β，δ有相同的体心立方结构，γ有面心立方结构。这不但是第一次高温X 射线衍射试验，并且证实αDγDδ是同素异构转变，而αDβ只是一个磁性转变。换句话说，从原子分布的角度来看，β并不存在。这就给β-Fe 硬化理论作了盖棺论定的判决，几十年争论不休的问题迎刃而解。这一试验在冶金界引起很大的轰动是可以想象得到的。金相学家开始认识到X射线衍射的威力，它能提供金相观察所不有及的有关金属与合金的原子尺度的结构信息， 更好地解释物理性能测试（热学分析、磁性、电动势、膨胀等）所发现的现象。可以毫不夸大地说，这一著名试验为X射线金相学的创建起了奠基的作用。 （德拜，就是：Peter Joseph William Debye，http://en./wiki/Peter_Debye。谢采，就是：Paul Scherrer ，http://en./wiki/Paul_Scherrer
霍尔，就是：Albert W. Hull ,http://en./wiki/Albert_Hull 。他的文章，A New Method of X-Ray Crystal Analysis，网上可以找到下载：http://prola./pdf/PR/v10/i6/p661_1 。生平可以参看：http://www./__data/assets/pdf_file/0015/771/hull.pdf 小技巧：在word中如何打出化学式中的可逆反应符号？点击插入--对象，选择公式3.0。 如果不想安装公式编辑器，可以点击插入--符号，在字体中选择Wingdings 3或者Wingdings或者Symbol，来输入箭头符号D、ó、 。另外，原子结构中常用的一个单位符号，埃，看到一个可以拷贝的样子：?。源于网络 Westgren ，就是，Arne Westgren（存疑），在地址：http://journals./a/issues/1976/01/00/a28677/a28677.pdf Phragmn，就是，G.Phragmn，但是，完整的名字一直不得要领。之所以存疑Westgren，是因为检索到一份资料：http://pubs./en/Content/ArticlePDF/1929/TF/TF9292500379 ，X-RAY STUDIES ON ALLOYS.。其作者是：A. F. WESTGREN AND G. PHRAGMEN。 2 马氏体的四方度[2] β- Fe硬化理论推翻了，那么钢在淬火后的极高硬度又是怎么产生的呢? 对此当时也是众说纷纭，莫衷一是。显然，注意力很快就集中到马氏体结构的研究，并且得出意想不到的结果。初期的X射线分析指出马氏体与α- Fe有相同的体心立方结构，只不过衍射线条不很明锐而已。1926年Fink及Campbell的试验首次指出马氏体的结构不是体心立方而是体心四方，只是由于四方度很小，c/a 非常接近于1，不易发现而已。Kordjumov等在1927年也发现这一现象，并且得出马氏体的四方度随钢中碳含量增高而加大。后来得出的精确关系是c/a=1+0.045%C。显然，当钢中的碳含量不高时，有时测不出马氏体的四方度，但这绝不能同立方马氏体混为一谈。本多（Honda）称这种马氏体为β马氏体显然是错误的。 这些试验说明马氏体既不是γ也不是α而是一种新的结构，并且是一种间隙结构。C 原子有方向性地嵌镶在铁原子的间隙中，使α在一个方向略微拉长，同时在与此正交的方向有所收缩，变成体心四方结构。这种间隙很小，容纳C 原子会产生很大的点阵畸变，这是马氏体有很高的硬度的原因。显然，钢的碳含量越高，淬火后的硬度也越高（暂不考虑残余奥氏体的影响）。 马氏体的结构是不稳定的。H?gg发现马氏体的四方度在回火过程中逐渐变小，说明C原子由马氏体中析出，点阵畸变变小，硬度随之明显下降。 马氏体的体心四方结构相当简单，衍射试验及分析都不困难，但是这却解开了钢的淬火硬化这个千古之谜，不能不说是在金相学方面一件值得大书特书的事。 W. L. Fink，E. D. Campbell，[J] . Trans. Amer. Soc. Steel Treating.，1926，9: 717 G. V. KURDJUMOV的《Martensite Crystal Lattice, Mechanism of Austenite-Martensite Transformation and Behavior of Carbon Atoms in Martensite》 http://link./content/pdf/10.1007/BF02644066；一文中的正方度数据，是刘云旭的《金属热处理原理》中有关马氏体的数据来源，也就是教材的参考文献[3]。 正方度：c/a = 1 + 0.046±0.001*马氏体的碳含量（重量百分数） 在http://www./content/docs/CAMPBELL.pdf 有文字介绍Edward De Mille Campbell（1863-1925）。主要部分如下： Edward DeMille Campbell, honorary member of ASM International, born in Detroit, Michigan in 1863, was educated at the University of Michigan. After serving as a chemist in various iron companies, he became an Assistant Professor at the University of Michigan in 1890, where he lost his sight at the age of 28 in an explosion during a laboratory examination of steel. For 20 years before his death in 1925 he was Head Professor of Chemistry and Metallurgy and Director of the Chemical Laboratory at the University of Michigan.
http:///faculty-history/sites/default/files/Campbell, Edward DeMille 1.jpg W. L. Fink与E. D. Campbel合著有：《Influence of heat treatment and carbon content on the structure of pure iron carbon alloys》。没有得到更多的有关William L. Fink的信息。 3 马氏体与奥氏体间的取向关系[3] 马氏体的结构弄清楚了，它的极高硬度也有了线索，下一步要考虑的就是马氏体如何在淬火急冷中由奥氏体生成的。1930年，在Sachs指导下Kurdjumov用X射线研究1.4%C钢的马氏体相变，首先提出所谓的Kurdjumov- Sachs取向关系，即奥氏体与马氏体间的密排面平行，密排方向也平行。根据这种取向关系，他们还提出了马氏体相变的两步切变模型。 接着就有不少金相学家步Kurdjumov及Sachs的后尘，继续研究马氏体相变的取向关系。西山（Nishiyama） 在Fe-Ni 合金中，Greninger及Troiano在高镍钢中发现了一些新的取向关系、惯态面和其它晶体学特征。还有人在有色合金甚至氧化物中开展了马氏体相变（非扩散型相变）取向关系的研究，如W.G. Burgers 研究锆从体心立方到六角密堆相变的取向关系。不仅如此，Mehl及合作者在30年代还开展了魏氏组织中取向关系的研究；后来又发展到钢中珠光体与贝氏体中铁素体与渗碳体的取向关系，对奥氏体分解的晶体学有所阐明。从此，取向关系的测定成为研究固体相变的不可缺少的一环。从这个角度来看，Kurdjumov及Sachs是用X射线研究相变的开路先锋。 G. Sachs、G. Kurdjumov，没找到什么进一步的信息、资料。 W.G. Burgers；On the process of transition of the cubic-body-centered modification into the hexagonal-close-packed modification of zirconium；Physica，Volume 1, Issues 7-12, May 1934, Pages 561-586 http://en./wiki/Greninger_chart In crystallography, a Greninger chart[1] (/?ɡr?n???r/) is a chart that allows angular relations between zones and planes in a crystal to be directly read from an x-ray diffraction photograph. The Greninger chart is a simple trigonometric tool to determine g and d for a fixed sample-to-film distance. (If one uses a 2-d detector the problem of determining g and d could be solved mathematically using the equations which generate the Greninger chart) A new chart must be generated for different sample to detector distances. (2s is 2q for the diffraction peak and tan Alexander Robert Troiano，http://www./openbook.php?record_id=12473&page=314 W. G. Burgers, Dutch crystallographer。 Zenji. Nishiyama西山善次（1901-1991）；Japanese great pioneer and leader, Zenji Nishiyama, on studies of martensitic transformations。著作：《Martensitic transformation》（1978）。 http://en./wiki/Robert_Franklin_Mehl Robert Franklin Mehl (March 30, 1898–January 29, 1976) was an American metallurgist. [1] [2] Mehl was noted for transforming of nineteenth-century metallurgy into the modern materials science.[2] He was the founder and the head of a division of Physical metallurgy at the Naval Research Laboratory and a member of the National Academy of Sciences.[2] The American Institute of Mining and Metallurgical Engineers established a gold medal award in his name in 1973.[1] [3] http://www./readingroom.php?book=biomems&page=rmehl.html
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