这是一篇关于“马氏体”的科普......

出品 科学有段子

作者 蓝巾

不知道你看到这个标题会想到什么，不过今天我们要说的是下面这个。

马氏体是个材料学名称。狭义上，是指一种钢的形态，广义上，只要符合特定条件的材料，甚至陶瓷都可以是马氏体。

马氏体，当然是与一个姓马的人相关。不过这是个外国人，名叫马滕斯（Martens），他是一个德国的冶金学家，最早在矿物中发现了马氏体结构，但他并未为此命名。

马氏体这个名字，后来由金相界的起名达人奥斯蒙命名的，以纪念马滕斯。

说起奥斯蒙，他先后鉴定多种金相，但都用其他人的名字命，例如索氏体、奥氏体和屈氏体，也可谓高风亮节。

这里提到的金相和各种体是什么意思呢？

金属内部，并不说我们平常认为的铁板一块。如果用显微镜看，会分为很多小的区域，叫做晶粒，晶粒之间的区域叫做晶界。下图就是工业纯铁的显微结构。

纯金属晶粒中的原子，基本上都是规整排列的（也会存在比较稀疏的点缺陷和位错，以及一些亚结构），比如常温下铁原子可以按照体心立方堆积起来，铜原子可以按照面心立方堆积起来。

不同的晶粒之间，原子排布方式相同，但方向不同，所以它们之间，会形成一个混乱地带，这个区域就叫做晶界。

对于含有多种物质的合金，成分会更复杂一点，但大多具有晶界和晶粒结构（存在非晶结构的金属，例如一些变压器的铁心）。

不同的是，晶粒内和晶界位置，由于元素或排布方式分布不均匀，还会形成一些局部结构。

这些各异的结构，就叫做一种金属或合金的金相。材料呈现出不同的金相，通常与化学组成及热（冷）处理工艺有关。

通常我们为了观察金相，会先采用化学方法对表面进行处理，再放大显微镜下观察。通过特殊的处理，显微镜下的金相会变成一个神奇的世界。

下图就是各种的金相的显微照片（图中颜色为干涉及白平衡调整产生）。

你能想象，以上这些都是铁的不同形态吗。为什么铁可以呈现出如此多的形态呢？

天然的铁矿石，比如赤铁矿，成分为Fe2O3，在冶炼过程中，为了除去氧，需要添加过量的碳。因此我们平常接触到的铁制品，除了主要成分为铁元素，还会含有0~4.3%左右的碳。由于含碳量的不同，在冷却过程中，就形成了各种结构。一般我们用下图这个铁-碳相图来描述。

细心的读者会发现，马氏体并不在铁-碳相图里。这是因为铁-碳相图又称为铁碳平衡图，是铁和碳形成合金的平衡组织图。

在冶铁过程中，铁水的温度达到上千度，在冷却到室温的过程中，因为碳在铁中溶解度降低及其他原因，会发生原子的迁移及结构的转变。

要形成图中的组织，需要经过缓慢冷却，实现成分和结构的均匀扩散。

而马氏体是一种非平衡组织，它的形成，不仅和铁碳成分有关，还和热处理工艺有关。

也就是说，在特定的成分下，迅速冷却，扩散几乎来不及发生，结构转变也是迅速完成的，就形成马氏体。

最早发现马氏体，就是通过钢的迅速冷却发现的。如果把马氏体画在图中，就要像下图一样结合降温速度来表示了。

这种形成马氏体的过程，学名叫做无扩散相变，也可以说只要符合这个过程的都叫做马氏体，甚至一些陶瓷也可以。

那这里提到的相变是什么意思呢？在材料学中，相变指的是结构的改变，例如前面提到的，原子排布从体心立方堆积变为面心立方堆积，就是一种相变。

相变可以分为扩散相变和无扩散相变。扩散型相变依靠的是原子的迁移来完成，而无扩散相变则不依靠原子迁移完成。

我们可以以前面的铁碳相图举例，高温下，铁可以以一种叫奥氏体的结构存在，这种结构中，铁原子的堆积方式为面心立方堆积（FCC），当温度冷却，会转变为体心立方结构（BCC）的铁素体等形式存在，如果冷却速度比较慢，这个过程可以通过铁原子的迁移完成。

也就是说单个原子脱离原来的FCC结构中的位置形成一个新的BCC结构。有心的读者可以根据两种结构的图，自己用小球摆一下。

这个过程中各个原子之间的运动是没有关联的，都是靠各自的扩散完成。这样的相变速度比较慢，对于铁来说，这种转变是在高温下发生的。

但是，如果冷却速度足够快，原子迁移还来不及完成，这一过程还可以通过切变的方式在低温下完成。

切变过程中，晶格结构发生整体性的变化，每个原子移动的距离很短，甚至不会超过一个原子的距离，但也能实现面心立方堆积到体心立方结构的转变。有些切变后的晶格并不是立方结构，也会叫做体心结构（BCT）。

这时候，原子们就好像列队整齐的士兵，大家根据指挥，按照特定的顺序转身、迈步形成一个新的队列。这个新的结构，就叫做马氏体。

这一转变过程不仅所需能量少，转换温度比扩散相变低的多，对于铁碳合金，甚至可以在零下一百多度完成转变。

更神奇的是，形成马氏体的相变过程非常迅速，甚至会达到材料中的声速，只要“嘭”的一下（极快的冷却速度下，马氏体相变真的会发出声音），奥氏体晶粒中就会长出板条或针状结构，材料就变成马氏体了。

至于这种转变的深层原理，目前的争论不比量子力学的各种诠释少。

根据冷却速度等条件不同，马氏体还会因为结构不同而分为板条马氏体和针状马氏体（见前面的金相图）。他们因为亚结构中分别含有大量位错和孪晶，又被叫做位错马氏体孪晶马氏体。

新的名词又来了，孪晶和位错又是什么？事实上，对于马氏体，它们不仅重要，还为马氏体带来了意想不到的妙用。关于这个问题，我们放在下篇再讲，敬请期待。

下期内容：

什么是位错和孪晶；

如何获得“绝世宝刀”；

马氏体的神奇应用。

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