Fe-C 平衡相图
1868 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(1900) ,Bakhuis-Roozeboom引入Fe3C 并根据相律绘出Fe-Fe3C 亚稳平衡图,与现今使用的Fe-C 平衡图基本相同。
Fe-C 平衡图是研究钢铁的金相组织与制定热处理制度的依据,它的重要意义是无庸赘叙的。这里要介绍的是它的诞生与完善过程,说明它的历史意义。首先,金相学的兴起是从研究钢铁的显微组织开始的,从Fe-C 平衡图的发展过程可以了解金相学的早期发展史。其次,Fe-C 平衡图是第一个用相律为指南制定的合金平衡图,在这之后相律的重要意义就为冶金学家普遍接受。还有就是Fe-C 平衡图比较复杂,除了有共晶、包晶、共析等反应外,C 还可以以平衡态(石墨) 与亚平衡态(Fe3C) 两种方式存在。从Fe-C 平衡图的形成与逐渐完善我们可以看到这个认识全过程是怎么完成的,加深对第一代、第二代金相学家的思维发展的了解,对我们开展金相研究工作也是有益的。 1 Чернов与钢的临界点[1]
尽管瑞典的Angerstein 早在1777 年就在他对钢的淬火观察所做的报道中隐约地提出过临界点的概念,但是明确地提出临界点的还是俄国的冶金学家Чернов。1868 年Чернов在一个制造火炮及炮弹的兵工厂中工作,从炮管的锻造、淬火、回火、断口检验等大量生产实践中,他总结出钢一定要加
热到某一温度a 以上(图1) 才能在淬火急冷后硬化,在这个温度以下淬火,钢不但不硬化反而变软。显然,加热温度是钢的淬火的成败关键。他还发现,随着钢中碳含量的变化,这个临界点范围也有所变化。在高碳工具钢中,它是700～750 ℃;碳含量降低,临界点a有所升高。用现代的热处理术语,前者相当于Ac1 ,后得相当于Ac3 。
Чернов对于钢的淬火研究是相当全面的,他不仅发现临界点a ,还有临界点d (图1) 。对于0.8 %C的钢而言,d 点在200 ℃。他在1885 年在俄国工程师学会上的一篇报告中指出, “钢在淬火中需要急冷到的温度也有一定数值———200 ℃”。后来他用d 表示这一温度,这实际上就是我们今天使用的马氏体相变的起始温度Ms 。
Чернов认为点b (800 ℃) 是钢的“结构”开始变化的温度,这里的结构是指断口的类型。加热到a(700 ℃) 与b 两点之间的一个温度淬火,钢的断口是细晶粒状的;淬火温度超过b 点,断口上就会出现粗晶粒;到温度c 断口完全是结晶状的。虽然Чернов的b 与c 两点并不与钢中的相变点对应,但却说明钢的奥氏体晶粒长大的温度范围。Чернов明确指出淬火温度应选在a ,b 之间,停锻温度越接近b 点越好,这样可以通过锻造使晶粒细化(再结晶) 。
图1 Чернов测定的钢的临界点(1889)
图注:200°—“淬透应冷却的温度”。450°—“充分回火的温度”。700 - 800°—“红热”。从o 到b (上) —“结构稳定”。从b到c (上) —“从b 加热到c ,非晶结构”。从b 到c (下) ———“从c 冷却到b ,结晶”。从o 到a (下) —“淬火不成功”.
除了这些临界点外, Чернов还测量了淬火速度的要求。他把钢做成圆筒状的杯,加热后淬火时使钢杯露出水面,观察钢杯中熔融状态的锡的凝固时间。锡的熔点约为230 ℃,与钢必须急冷到的200 ℃相近。Чернов发现只有当凝固时间不超过45 秒时,钢才能完全淬透,因此淬火操作中几秒钟的延误就会产生次品或废品。这个淬火速度大约是150°～200 ℃/秒,与我们现在用精密仪器测量出的临界淬火速度相差不多。Чернов的结论是:“这些数字清楚地说明,为了成功地完成任务,淬火工人需要多么敏捷和高超的技艺”。 在这之前钢的热处理多多少少还是一种富有神秘色彩的技艺,要从多年的实践中慢慢体会出其中奥妙。Чернов的试验与观察首先使它条理化,逐渐发展成为热处理这门学科。他的试验方法及所用的手段现在看起来是相当原始的,温度主要是靠肉眼观察,硬度靠钢锉或玻璃的划痕,他的结论又是在对钢的内部显微组织毫无所知的情况下得出的,这不能不说是一件伟大的创举。Чернов在钢的热处理方面的贡献是举世公认的,美国的金相学大师A.Sauveur 称赞他的热处理理论是“杰出之作,后人在基本概念上没有增加多少新的内容”。Чернов在1868 及1878 年发表的两篇论文在1880 年都译成英文和法文在这些国家的冶金杂志上发表。Osmond就是在他的影响下在1887 年开始从事钢的临界点研究的,开始时还沿用Чернов的临界点符号a ,后来在Arnold 建议下改用大写字母A。俄国的一些冶金学家曾对A1 、A2 、A3 这
些临界点符号有过一些抱怨,但是Чернов的境界却要比他们高的多,他在1916年写道:“这是允许的,不仅是因为已经使用较长的一段时间并广为流传,更重要的是对一位伟大的、不知疲倦而成果累累的、对现代金相学起过奠基作用的科学家的永恒怀念”(注:Osmond 已在1912 年病故) 。今天我们重温这句话,不能不为这位伟大的科学家的高尚情操所倾倒。 2 Sauveur 的Fe-C 临界图[2]
我们在前两篇“史话”里已有对Osmond 的临界点测定工作有过不少叙述,这里就不再重复了。在1887 到1896 这十年里,临界点的测量工作风行一时,可谓风起云涌。值得一提的是Le Chatelier 在1888 年发明了铂- 铂铑热电偶,使临界点及其它高温测量的精度有了明显的提高。Sauveur 在1896 年把Osmond , Howe , Roberts-Austen ,Arnold 和他本人的数据收集在一起,画在温度为纵坐标、碳含量为横坐标的图上(图2) 。有人说这是冶金史上第一个Fe-C平衡图,我们称之为临界点图,因为一则严格地说它还不是平衡图,二则也只是其中的一小部分。但是,称它为平衡图的 型却末尝不可,因为后来的平衡图就是由此生长出来的。Sauveur 本人对此的阐述是[3] :“此图给出不同含碳量的钢在冷却时临界点的位置。黑线的宽度并不代表在临界点放热引起的降温延缓程度,而只给出其范围。例如,高碳钢只有一个延缓区,起于约680 ℃,终于约640 ℃。最大放热反应发生在这两个极限之间,但并不一定在它们的中线上”。
Howe 对Sauvear 临界点图的首创权提出过质疑,他说这应归功于德国的冶金学家R. Mannes2mann。这一点还有待考证,书此备案。
图2 Sauveur 的Fe-C 临界点图(1896) 3 Roberts-Austen 的Fe-C 平衡图
首先有必要将W. C. Roberts-Austen 的姓名交待清楚,这在文献中有过不少混乱。他的原姓是Roberts ,后来应母系方面的要求,他申请并获准将Austen这个姓加在原姓Roberts 的后面,因此复姓Roberts-Austen[4] 。Osmond 为了纪念Roberts2Austen 在Fe-C平衡图方面的贡献,用Austen 这个姓命名γ固溶体为奥氏体。因此,我们简称他为奥氏,但是他的全姓是Roberts-Austen。 奥氏早年在英国皇家造币局工作过十多年,在那时这无异是英国的国立冶金研究所,当年牛顿也在造币局工作过。奥氏在这里从事过贵金属合金中微量杂质、气体、偏析等方面的研究,用热分析研究过它们的凝固过程。造币要用钢模或铁模,他在1880 年开始研究气体对钢的淬火和回火的影响及铁的电沉积。1882 年奥氏到皇家矿业学院任冶金学教授,一方面由于当时英国的钢铁生产鼎盛一时,一方面由于受到Osmond 的临界点工作的启发,他对钢铁金相学的兴趣逐渐加深。他的长期合作者Smith 对他的评论是 :我们认为Roberts-Auten 从几方面来看都是Osmond 的门徒,这么说是公正的。他在英国为铁的同素异构理论说教,在后来的“报告中把Osmond 的高超金相技术介绍给国人”(注:这里的报告是指奥氏以合金研究委员会的名义给英国机械工程师学会提出的著名研究报告,在第四(1897) 及第五(1899) 报告中载有Fe-C 平衡图的讨论) 。的确如此,Osmond 提出的β-Fe 淬火硬化理论,奥氏随声附合,甚至当他自己做铁
Fe-C 平衡相图
