馬氏體相變大師M. Cohen教授與課程教學(xué)及我國材料學(xué)家的交往

馬氏體相變是各類固態(tài)相變中最具特色的一種，與擴(kuò)散型相變（脫溶、多型性轉(zhuǎn)變/塊形轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解）特點(diǎn)完全不同。這里首先要理清馬氏Martens、馬氏體Martensite、馬氏體之父G. V. Kurdyumov、馬氏體相變大師M. Cohen之間的聯(lián)系和區(qū)別。法國金相學(xué)家Osmond為紀(jì)念德國材料檢測(cè)專家A. Martens，而將鋼中淬火組織命名為馬氏體（這種馬氏體使材料硬化、強(qiáng)度提高），但Martens并未研究過馬氏體。隨著研究的深入及拓寬，人們?cè)阡撘酝獾牟牧现幸舶l(fā)現(xiàn)了馬氏體，并注意到馬氏體不但可以是非平衡態(tài)下無擴(kuò)散、切變形成的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，也可以是平衡態(tài)下可逆方式轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，可以起到硬化，也可起到軟化的作用。馬氏體之父、前蘇聯(lián)學(xué)者G. V. Kurdyumov是研究馬氏體的大師，發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變遵循Kurdyumov?Sachs取向關(guān)系、確定了馬氏體的體心四方晶體結(jié)構(gòu)和其c/a軸比隨碳含量的變化、以及熱彈性馬氏體[1]。本文的主人公M. Cohen是美國麻省理工學(xué)院（簡稱MIT）的教授，以對(duì)馬氏體相變理論作出重要貢獻(xiàn)而聞名。分析他是基于以下3個(gè)原因：一是筆者講授的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中至少3個(gè)馬氏體轉(zhuǎn)變方面的知識(shí)點(diǎn)與他有關(guān)；二是他與中國材料科學(xué)家有著深厚的友誼；三是他早在1980年就被北京鋼鐵學(xué)院（北京科技大學(xué)）及北京航空學(xué)院（北京航空航天大學(xué)）聘為名譽(yù)教授，這也顯示北京科技大學(xué)是改革開放后最早與國外學(xué)校及著名學(xué)者建立合作交流關(guān)系的學(xué)校之一。北京科技大學(xué)柯俊院士率先將Kurdyumov的馬氏體相變理論系統(tǒng)地介紹到中國[2]，并帶領(lǐng)很多教師開展馬氏體相變研究。圖1給出本文計(jì)劃介紹的與Cohen教授相關(guān)的若干方面關(guān)系圖。

圖1 基于三者關(guān)系的討論示意圖

1、 Cohen教授簡介[3]

Cohen教授（1911—2005）本科及博士學(xué)位都在MIT獲得。35歲獲評(píng)MIT教授，1982年光榮退休。他是美國科學(xué)院院士，美國工程院院士，美國國家藝術(shù)和科學(xué)院院士，曾是曼哈頓計(jì)劃的副主任，獲得過Howe獎(jiǎng)、Sauveur獎(jiǎng)、Mehl獎(jiǎng)、Acta Metallurgica金獎(jiǎng)，等等。

首先，Cohen教授是國際材料科學(xué)與工程學(xué)科的創(chuàng)始人，20世紀(jì)50年代末60年代初，他任美國國家科學(xué)院材料科學(xué)與工程調(diào)研委員會(huì)主席，并于1974年提出著名的總結(jié)報(bào)告：“材料和人類的需求，材料科學(xué)與工程”[4]。首先在MIT等校創(chuàng)立材料科學(xué)與工程學(xué)科，由“冶金與材料科學(xué)系”（合并化工系的陶瓷和高分子材料）過渡到“材料科學(xué)與工程系”，在國際上為此學(xué)科的開創(chuàng)，做出偉大貢獻(xiàn)。

其次，他是國際相變研究的前驅(qū)者。他的弟子馬氏體相變研究大師G. B. Olson教授（2007年受北京科技大學(xué)邀請(qǐng)，在中國材料名師講壇上做過報(bào)告）總結(jié)了Cohen教授研究內(nèi)容的寬廣性，見表1。Cohen發(fā)表了280多篇文章，內(nèi)容涉及廣泛，其中馬氏體相變領(lǐng)域包括馬氏體相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、晶體學(xué)等方面。此外還研究很多其它領(lǐng)域的材料科學(xué)問題，以及高等專業(yè)和學(xué)科教育。

表1 Cohen教授發(fā)表文章類型分析

當(dāng)然，他最具特色的還是對(duì)馬氏體相變的研究?；谒麑?duì)馬氏體相變研究的貢獻(xiàn)，1977年他獲得了美國國家科學(xué)獎(jiǎng)（即總統(tǒng)獎(jiǎng)），由卡特總統(tǒng)為其頒發(fā)了獎(jiǎng)?wù)?，見圖2。在1986年美國ASM會(huì)議上，舉辦了紀(jì)念Cohen教授的馬氏體研討會(huì)，很多著名材料學(xué)家都貢獻(xiàn)了研究論文，如R. Maddin、C. Smith，J. Cahn、C. Wayman、J. W. Christian、W. S. Owen、I. Tamura等，隨后在Cohen教授80歲生日之際（1991年）Olson教授和Owen教授編輯出版了紀(jì)念專輯[3]，書名為《馬氏體》，見圖3。另外，Cohen教授還培養(yǎng)了一大批國際著名的材料專家，如Olson，Hillert，Kaufmann等。

圖2 1977年美國總統(tǒng)卡特授予Cohen國家科學(xué)獎(jiǎng)[5]

圖3 紀(jì)念Cohen80歲生日研討會(huì)文集封面[3]

2、 與中國材料學(xué)家的友誼

徐祖耀先生于2005年Cohen教授去世時(shí)在熱處理期刊上發(fā)表了紀(jì)念Cohen教授的文章[4]，文章介紹到，Cohen的開門弟子郭本基博士（1935年博士畢業(yè)回國）和關(guān)門弟子林明發(fā)博士（1992年）都是中國人，且都與徐祖耀認(rèn)識(shí)。我國中南大學(xué)的粉末冶金專家黃培云院士也是Cohen的博士研究生，見圖4（a）。另外，2011年榮獲國家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的中科院金屬所師昌緒院士是在Cohen指導(dǎo)下完成博士后工作，見圖4（b）。

圖4 （a）20世紀(jì)80年代，陳新民（左）、黃培云（右）與M· Cohen教授（中）合影[6]；（b）M Cohen教授與師昌緒教授1985年在北京[5]

徐祖耀先生與Cohen的學(xué)術(shù)交流時(shí)間可能是中國學(xué)者中最長的。早在1940年徐先生認(rèn)識(shí)郭本基博士時(shí)，就關(guān)注Cohen教授的研究方向。1965年徐祖耀在《中國科學(xué)》上以同題（郭本基和Cohen合作發(fā)表的某一文章）發(fā)表了高速鋼馬氏體回火的文章，以紀(jì)念Cohen的工作。1980年兩人在北京見面，徐先生贈(zèng)送給Cohen教授自己的《馬氏體相變與馬氏體》專著[7]，得到Cohen教授的好評(píng)。在1981年中美雙邊交流報(bào)告中，Cohen專門提及徐祖耀的《馬氏體相變與馬氏體》一書，隨后多次相變國際會(huì)議，馬氏體相變國際會(huì)議，貝氏體相變國際會(huì)議，徐祖耀都與Cohen教授有交流。圖5為兩人1980年在上海的交流情景。徐先生于1983年訪問了MIT，與Cohen和Owen教授進(jìn)行了交流。徐祖耀先生回憶[4]，Cohen教授在20世紀(jì)80年代建議國際馬氏體相變會(huì)議能在中國召開，但直到2005年才得以實(shí)現(xiàn)。作為大會(huì)主席的徐祖耀在2005年6月14日的國際馬氏體相變會(huì)議（ICOMAT）的開幕式上對(duì)Cohen的逝世表示了哀悼。隨后在大會(huì)特邀報(bào)告中，臨時(shí)增加由Olson教授作“Morris Cohen：A Memorial Tribute”的紀(jì)念報(bào)告[5]?？驴≡菏勘灰訡ohen教授為首的許多國外同行稱為貝茵先生（Mr. Bain），以體現(xiàn)柯先生對(duì)貝氏體相變研究的貢獻(xiàn)。北京科技大學(xué)鄧永瑞教授撰寫了《馬氏體相變》專著[8]（1991、1992年分別用中、英文出版），在前言中專門對(duì)給予該書評(píng)價(jià)的Cohen教授表示致謝。

圖5 1980年Cohen和徐祖耀合影[5]

3、 與材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的聯(lián)系

馬氏體相變?cè)诓牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)課程講授的各類相變中獨(dú)樹一幟，以無擴(kuò)散型相變區(qū)別于其他各類擴(kuò)散型相變，如脫溶轉(zhuǎn)變、共析相變、塊形轉(zhuǎn)變、調(diào)幅分解等。然而馬氏體相變與無擴(kuò)散型相變卻不等價(jià)，前者只是后者中的一類。無擴(kuò)散型相變分為點(diǎn)陣畸變位移式和原子位置調(diào)整位移式（Shuffle）兩類，點(diǎn)陣畸變位移式相變中以切應(yīng)變?yōu)橹饕嘧冏枇r(shí)對(duì)應(yīng)的相變才是馬氏體相變。圖6分別為Cohen等對(duì)這些相變的劃分圖和微觀原子遷移方式的差異[9]。

圖6 Cohen等對(duì)馬氏體相變?cè)跓o擴(kuò)散型相變中的劃分示意圖（a）和兩類位移式相變中原子微觀遷移的差異示意圖（b）[9]

圖7為馬氏體相變的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力分析示意圖[10]，這也是我們課本上引用的圖。雖然這只是個(gè)示意圖，但它明確指出驅(qū)動(dòng)力對(duì)應(yīng)的過冷度參照點(diǎn)是相同成分的母相?新相自由能相等的T0點(diǎn)。

圖7 馬氏體相變驅(qū)動(dòng)力的熱力學(xué)分析示意圖[10]

馬氏體的形核機(jī)制很復(fù)雜，有很多不同的形核模型。其形核理論最早是按經(jīng)典的均勻形核理論展開的，設(shè)想馬氏體的核是如圖8所示的圓盤狀或雙球冠狀。按驅(qū)動(dòng)力、界面能和應(yīng)變能阻力3項(xiàng)之和求出臨界半徑r*和c*。隨后又進(jìn)一步設(shè)想基于位錯(cuò)及層錯(cuò)的非均勻形核理論，包含原子切動(dòng)的若干步驟，由此出現(xiàn)了K?C模型（Kaufman和Cohen）[7?11]以及著名的Olsen?Cohen馬氏體形核機(jī)制模型[12?14]，相關(guān)的具體內(nèi)容因過程復(fù)雜而沒在教材中介紹。后來鄧永瑞教授1991年為研究生固態(tài)相變課程出版了《固態(tài)相變》教材[15]。在這些研究生教材中詳細(xì)介紹了Olsen?Cohen的馬氏體經(jīng)典非均勻形核模型，同時(shí)認(rèn)為該模型與另一個(gè)Clapp的軟膜模型的不足，提出了自己的D-形核模型（筆者推測(cè)，D可能指鄧永瑞教授姓的拼音首字母）。鄧永瑞教授在《固態(tài)相變》封面上選用圖8的馬氏體圓盤形核心的示意圖，可見其對(duì)馬氏體相變的偏愛。

圖8 圓盤狀馬氏體核形成示意圖[11]

馬氏體相變動(dòng)力學(xué)中除了絕熱變溫轉(zhuǎn)變類型外，也有等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)過程，圖9（a）所展示的Fe?Ni?Mn體系等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線就是師昌緒先生與Cohen教授發(fā)表的文章中的圖[16]。劉國勛教授主編的《金屬學(xué)原理》（1980年出版）教材中使用的是與這個(gè)結(jié)果非常相近的Cech和Hollomon的結(jié)果[17]，見圖9（b）。兩張圖都是同一合金，但“鼻子尖”最短孕育期對(duì)應(yīng)的溫度有些差異。

圖9 Fe?Ni?Mn合金等溫馬氏體形成動(dòng)力學(xué)曲線：（a）師昌緒的結(jié)果[16]；（b）Cech, Hollomon的結(jié)果[17]

4、 對(duì)任課教師的一些影響

徐祖耀先生從1953年到1961年在北京科技大學(xué)工作，是材料科學(xué)基礎(chǔ)（原金屬學(xué)）課程第一位授課教師，他對(duì)我們課程的影響筆者已進(jìn)行了討論[18]。徐先生從大學(xué)期間就關(guān)注MIT和Cohen先生，1965年在《中國科學(xué)》期刊上發(fā)表與郭本基和Cohen聯(lián)名文章同題的文章，后來多次與Cohen先生相見、研討，是國內(nèi)與Cohen先生交往最長或最頻繁的學(xué)者。他在《熱處理》期刊發(fā)表的悼念Cohen教授的文章可能是他唯一一篇紀(jì)念文章，充滿了對(duì)兩人深厚友誼的懷念。

Cohen教授使我們對(duì)馬氏體相變的認(rèn)識(shí)不斷深化。一般的順序是：鋼中馬氏體→有色合金中的馬氏體→形狀記憶效應(yīng)→陶瓷氧化鋯的相變?cè)鲰g→生命科學(xué)中的馬氏體相變→Mardin尋找最早的出土文物中存在的馬氏體→Smith從歷史學(xué)中的材料科學(xué)角度分析馬氏體相變。雖然在課堂上不講這些內(nèi)容，但提高了我們教師的認(rèn)識(shí)深度，拓寬了視野，更深刻地看待自己的研究體系。

在1986年Cohen教授紀(jì)念研討會(huì)上，美國哈佛大學(xué)的R. Maddin教授（柯俊的好友，一同研究冶金史[2]；同時(shí)也與我國早期的金屬物理學(xué)家、“兩彈一星”元?jiǎng)钻惸軐捲菏抗餐ぷ鬟^一段時(shí)間）從冶金史考古的角度，展示了公元前1200年在北加利利地區(qū)出土（Galilee，巴勒斯坦地區(qū)）的挖掘用的鎬內(nèi)部存在馬氏體組織[19]，也就是說，人類很早就應(yīng)用馬氏體相變強(qiáng)化材料，只是人們沒有能力從微觀組織上研究其形成原理和組織形貌特征。C. Smith教授[20]（也是柯俊的好友，冶金史研究者[2]）從鋼的組織結(jié)構(gòu)的角度分析馬氏體的研究歷史。他認(rèn)為金相學(xué)者必然是歷史學(xué)者，因?yàn)闅v史學(xué)者都在關(guān)注一個(gè)宏觀體系內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展、相互間聯(lián)系及影響過程，他從笛卡爾描述彗星撞擊地球的示意圖（見圖10（a））上想象到了位錯(cuò)穿過兩相組織界面產(chǎn)生的形變痕跡；此外，他從數(shù)學(xué)上拼塊的不同組合（見圖10（b））看到隨機(jī)取向基體中形成的馬氏體針。這兩人的文章內(nèi)容為我們?nèi)握n教師講授馬氏體相變?cè)硖峁┝撕芎玫谋尘百Y料，拓展了我們的視野和思路，也有助于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

圖10 Smith從歷史學(xué)角度對(duì)不同學(xué)科圖形的不同理解[20]：（a） Descartes 1644年描述彗星穿過天體的示意圖，原意表示運(yùn)動(dòng)傳射結(jié)構(gòu)邊界過程；被Smith看做位錯(cuò)穿過兩相區(qū)界面的路徑；（b）由黑白二色沿對(duì)角線平分的正方形拼塊按不同取向可以構(gòu)成不同的大區(qū)域圖案，這個(gè)圖案表示小拼塊隨機(jī)取向放置，但形成了3個(gè)類似針狀的長條馬氏體

作為本科生材料科學(xué)基礎(chǔ)和研究生《材料結(jié)構(gòu)》課程授課教師，筆者一直嘗試著將自己的科研結(jié)果與教學(xué)結(jié)合起來。以高錳鋼的馬氏體相變晶體學(xué)研究為例，用電子背散射衍射（EBSD）確定取向關(guān)系和變體類型非常方便。圖11是高錳鋼熱致馬氏體形成時(shí)取向關(guān)系存在的案例[21]。高錳鋼中會(huì)發(fā)生γ（奧氏體）→ε（六方亞穩(wěn)馬氏體）→α′（體心馬氏體）。即先形成亞穩(wěn)或中間相馬氏體，然后形成體心立方（BCC）結(jié)構(gòu)馬氏體。3個(gè)相之間依次出現(xiàn)K-S取向關(guān)系，S-N取向關(guān)系和Burgers取向關(guān)系。3種取向關(guān)系可以非常便利地顯示出來。圖11（a）是電子背散射衍射菊池帶襯度圖，就像一張光學(xué)鏡組織照片，雖然能辨認(rèn)出3個(gè)相，但無法知道是否存在取向關(guān)系。圖11（b）為3個(gè)相的分布圖，灰色為奧氏體，紅色為六方馬氏體，藍(lán)色為體心馬氏體。軟件中給出滿足K-S、S-N、Burgers關(guān)系的相界分別用白色、黃色、綠色表示，圖11（b）中可直接觀察到三相之間都存在這些關(guān)系。圖11（c）為從圖11（b）中提取出來一個(gè)包含奧氏體的六方馬氏體片，就可看到一個(gè){111}面可形成6個(gè)體心馬氏體變體，圖中數(shù)字1~6所示。6個(gè)晶粒恰好是3對(duì)孿晶關(guān)系，這可通過他們之間是60° <111>的孿晶關(guān)系紅色晶界線顯示；也可通過{111}極圖上存在的共同{111}軸顯示。最后，通過每個(gè)相的2個(gè)極圖對(duì)比，看到3個(gè)相之間存在的3種取向關(guān)系（通過不同極圖、相同的投影位置來證明它們之間是平行的，分別用實(shí)線圈和虛線圈標(biāo)出）。最后推測(cè)一個(gè){111}面上形成的3對(duì)孿晶變體空間的排列順序如示意圖所示。這個(gè)例子雖然稍微復(fù)雜，但方便地顯示了很抽象的取向關(guān)系，而且訓(xùn)練了極射投影圖的使用。

圖11 電子背散射衍射技術(shù)自動(dòng)測(cè)量和識(shí)別3種取向關(guān)系的存在和變體間的關(guān)系及空間位置關(guān)系[21]：（a）；菊池帶襯度圖（b）三相分布圖；（c）由圖（b）中部取出一個(gè)從奧氏體{111}面上形成的一個(gè)六方馬氏體變體再轉(zhuǎn)變?yōu)?種BCC馬氏體變體的取向關(guān)系分析圖，以及設(shè)想的6個(gè)BCC馬氏體變體空間分布示意圖

5、結(jié)束語

1） 美國MIT著名馬氏體相變大師M. Cohen教授培養(yǎng)了很多大師級(jí)專家，如G. B. Olson，M. Hillert，L. Kaufman等；他的第一位和最后一位博士生都是中國人。他與中國材料科學(xué)家有深厚的友誼，如師昌緒院士，黃培云院士，徐祖耀院士。

2） Cohen教授創(chuàng)建了馬氏體相變與無擴(kuò)散型相變定義或關(guān)系理論，建立了經(jīng)典形核理論及圓盤狀馬氏體晶核非均勻形核的K-C和O-C模型。Cohen與其學(xué)生Kaufman和Hillert在紀(jì)念文章中的幾個(gè)馬氏體相變熱力學(xué)示意圖在教材中都有體現(xiàn)，馬氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線也在教材中被引用。

3） 北京科技大學(xué)早在1980年就聘請(qǐng)Cohen教授為名譽(yù)教授，是國內(nèi)早期與國外學(xué)術(shù)交流的高校之一，通過與其交流，促進(jìn)北京科技大學(xué)的馬氏體相變理論和貝氏體相變理論的研究，Cohen先生等國外學(xué)者稱呼北京科技大學(xué)的柯先生為“Mr Bain”，也是對(duì)柯先生工作的認(rèn)可；作為教師，研讀科學(xué)史中馬氏體出現(xiàn)的年代及馬氏體相變的歷史文化意義可以強(qiáng)化我們授課時(shí)對(duì)馬氏體相變的認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)的效果。

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基金項(xiàng)目: 北京科技大學(xué)第四批“課程思政特色示范課程”建設(shè)項(xiàng)目（KC2022SZ08）。

作者簡介：楊平（1959—），博士，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院終身教授，博士生導(dǎo)師，《金屬世界》雜志編委、特邀撰稿人。主要研究方向?yàn)榻饘俨牧闲巫?、再結(jié)晶、相變過程的晶體學(xué)行為及織構(gòu)控制技術(shù)；電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)的應(yīng)用；電工鋼、高錳鋼、鈦合金等材料的組織結(jié)構(gòu)表征及性能改善。負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金6項(xiàng)，參加國家863計(jì)劃3項(xiàng)，國家973計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)，配套項(xiàng)目1項(xiàng)，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)。負(fù)責(zé)企業(yè)橫向課題10余項(xiàng)等。在國內(nèi)外期刊發(fā)表科學(xué)研究論文430多篇，獲發(fā)明專利4項(xiàng)，獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各1項(xiàng)，編著《電子背散射衍射技術(shù)及其應(yīng)用》《材料科學(xué)名人典故與經(jīng)典文獻(xiàn)》《工程材料結(jié)構(gòu)原理》，參編《材料科學(xué)基礎(chǔ)》《材料織構(gòu)分析原理與檢測(cè)技術(shù)》《電工鋼的材料學(xué)原理》《材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)》《金相實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)》等。