马氏体相变大师M.Cohen教授与课程教学及我国材料学家的交往.pdf
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1、DOI:10.3969/j.issn.1000-6826.2023.05.1781马氏体相变大马氏体相变大师师 M.Cohen 教授与教授与课程教学及我国材料学家的交往课程教学及我国材料学家的交往Great Master of Martensitic Transformation M.Cohen and His Relationsto Our Course Teaching and Some Materials Scientists in China供稿|杨平/YANG Ping导读内容美国麻省理工学院的 Cohen 教授以其马氏体相变理论闻名于世,他也是中国人民的老朋友,与我国著名的材料科学
2、家们有着深厚的友谊;在材科基课程中若干基本概念或知识点与他相关。本文从课程教学的角度讨论了 3 个方面的历史事件,希望能帮助相关专业授课教师和课程学习者更深层地理解相关知识点及背后的历史,将人文历史文化与专业理论有机结合,促进教学、科研及学习。马氏体相变是各类固态相变中最具特色的一种,与扩散型相变(脱溶、多型性转变/块形转变、共析转变、调幅分解)特点完全不同。这里首先要理清马氏 Martens、马氏体 Martensite、马氏体之父G.V.Kurdyumov、马氏体相变大师 M.Cohen 之间的联系和区别。法国金相学家 Osmond 为纪念德国材料检测专家 A.Martens,而将钢中淬火
3、组织命名为马氏体(这种马氏体使材料硬化、强度提高),但Martens 并未研究过马氏体。随着研究的深入及拓宽,人们在钢以外的材料中也发现了马氏体,并注意到马氏体不但可以是非平衡态下无扩散、切变形成的转变产物,也可以是平衡态下可逆方式转变的产物,可以起到硬化,也可起到软化的作用。马氏体之父、前苏联学者 G.V.Kurdyumov 是研究马氏体的大师,发现了马氏体相变遵循 KurdyumovSachs取向关系、确定了马氏体的体心四方晶体结构和其c/a 轴比随碳含量的变化、以及热弹性马氏体1。本文的主人公 M.Cohen 是美国麻省理工学院(简称MIT)的教授,以对马氏体相变理论作出重要贡献而闻名。
4、分析他是基于以下 3 个原因:一是笔者讲授的材料科学基础课程中至少 3 个马氏体转变方面的知识点与他有关;二是他与中国材料科学家有着深厚的友谊;三是他早在 1980 年就被北京钢铁学院(北京科技大学)及北京航空学院(北京航空航天大学)聘为名誉教授,这也显示北京科技大学是改革开放后最早与国外学校及著名学者建立合作交流关系的学校之一。北京科技大学柯俊院士率先将Kurdyumov 的马氏体相变理论系统地介绍到中国2,并带领很多教师开展马氏体相变研究。图 1 给出本文计划介绍的与 Cohen 教授相关的若干方面关系图。作者单位:北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083 33 Cohen 教授简
5、介3Cohen 教授(19112005)本科及博士学位都在 MIT 获得。35 岁获评 MIT 教授,1982 年光荣退休。他是美国科学院院士,美国工程院院士,美国国家艺术和科学院院士,曾是曼哈顿计划的副主任,获得过 Howe 奖、Sauveur 奖、Mehl 奖、ActaMetallurgica 金奖,等等。首先,Cohen 教授是国际材料科学与工程学科的创始人,20 世纪 50 年代末 60 年代初,他任美国国家科学院材料科学与工程调研委员会主席,并于1974 年提出著名的总结报告:“材料和人类的需求,材料科学与工程”4。首先在 MIT 等校创立材料科学与工程学科,由“冶金与材料科学系”(
6、合并化工系的陶瓷和高分子材料)过渡到“材料科学与工程系”,在国际上为此学科的开创,做出伟大贡献。其次,他是国际相变研究的前驱者。他的弟子马氏体相变研究大师 G.B.Olson 教授(2007 年受北京科技大学邀请,在中国材料名师讲坛上做过报告)总结了 Cohen 教授研究内容的宽广性,见表 1。Cohen 发表了 280 多篇文章,内容涉及广泛,其中马氏体相变领域包括马氏体相变热力学、动力学、晶体学等方面。此外还研究很多其它领域的材料科学问题,以及高等专业和学科教育。当然,他最具特色的还是对马氏体相变的研究。基于他对马氏体相变研究的贡献,1977 年他获得了美国国家科学奖(即总统奖),由卡特总
7、统为其颁发了奖章,见图 2。在 1986 年美国 ASM 会议上,举办了纪念 Cohen 教授的马氏体研讨会,很多著名材料学家都贡献了研究论文,如 R.Maddin、C.Smith,J.Cahn、C.Wayman、J.W.Christian、W.S.Owen、I.Tamura 等,随后在 Cohen 教授 80 岁生日 表 1Cohen 教授发表文章类型分析 CategoryNumber ofPublicationsPhases and Phase Relationships13Thermodynamics10Diffusion20Phase Transformations:General12
8、Nucleation and Growth22Austenite Decomposition,Martensitic andDisplacive Transformations53Aging and Tempering32Rapid Solidification17Interfaces and Grain Boundaries8Plastic Flow,Strength,and Fracture32Structure/Property Relationships29Educational,Professional,Policy30Experimental Techniques8Total Pa
9、pers and Edited Books286 与中国的友谊第一个、最后一个弟子;师昌绪、黄培云、徐祖耀、柯俊来华讲学马氏体研究大师材料科学与工程学科奠基人总统奖M.Cohen材料科学基础任课教师马氏体转变与无扩散转变形核机制热力学驱动力示意图马氏体等温转变从历史角度拓展对马氏体的认识与生命科学的联系邓永瑞的马氏体相变一书自己对马氏体研究的点滴图 1基于三者关系的讨论示意图 图 21977 年美国总统卡特授予 Cohen 国家科学奖5科学人生Metal World 342023 年第 4 期之际(1991 年)Olson 教授和 Owen 教授编辑出版了纪念专辑3,书名为马氏体,见图 3。另
10、外,Cohen 教授还培养了一大批国际著名的材料专家,如 Olson,Hillert,Kaufmann 等。图 3纪念 Cohen80 岁生日研讨会文集封面3 与中国材料学家的友谊徐祖耀先生于 2005 年 Cohen 教授去世时在热处理期刊上发表了纪念 Cohen 教授的文章4,文章介绍到,Cohen 的开门弟子郭本基博士(1935 年博士毕业回国)和关门弟子林明发博士(1992 年)都是中国人,且都与徐祖耀认识。我国中南大学的粉末冶金专家黄培云院士也是 Cohen 的博士研究生,见图 4(a)。另外,2011 年荣获国家最高科学技术奖的中科院金属所师昌绪院士是在 Cohen 指导下完成博士
11、后工作,见图 4(b)。徐祖耀先生与 Cohen 的学术交流时间可能是中国学者中最长的。早在 1940 年徐先生认识郭本基博士时,就关注 Cohen 教授的研究方向。1965 年徐祖耀在中国科学上以同题(郭本基和 Cohen 合作发表的某一文章)发表了高速钢马氏体回火的文章,以纪念 Cohen 的工作。1980 年两人在北京见面,徐先生赠送给 Cohen 教授自己的马氏体相变与马氏体专著7,得到 Cohen 教授的好评。在1981 年中美双边交流报告中,Cohen 专门提及徐祖耀的马氏体相变与马氏体一书,随后多次相变国际会议,马氏体相变国际会议,贝氏体相变国际会议,徐祖耀都与 Cohen 教授
12、有交流。图 5 为两人1980 年在上海的交流情景。徐先生于 1983 年访问了 MIT,与 Cohen 和 Owen 教授进行了交流。徐祖耀先生回忆4,Cohen 教授在 20 世纪 80 年代建议国际马氏体相变会议能在中国召开,但直到 2005 年才得以实现。作为大会主席的徐祖耀在 2005 年 6 月14 日的国际马氏体相变会议(ICOMAT)的开幕式上对 Cohen 的逝世表示了哀悼。随后在大会特邀报告中,临时增加由 Olson 教授作“Morris Cohen:AMemorial Tribute”的纪念报告5。柯俊院士被以Cohen 教授为首的许多国外同行称为贝茵先生(Mr.Bain
13、),以体现柯先生对贝氏体相变研究的贡献。北京科技大学邓永瑞教授撰写了马氏体相变专著8(1991、1992 年分别用中、英文出版),在前言中专门对给予该书评价的 Cohen 教授表示致谢。图 51980 年 Cohen 和徐祖耀合影5 与材料科学基础课程的联系马氏体相变在材料科学基础课程讲授的各类相变中独树一帜,以无扩散型相变区别于其他各类扩(a)(b)图 4(a)20 世纪 80 年代,陈新民(左)、黄培云(右)与 MCohen 教授(中)合影6;(b)M Cohen 教授与师昌绪教授1985 年在北京5科学人生传承与创新Inheritance and Innovation35散型相变,如脱溶
14、转变、共析相变、块形转变、调幅分解等。然而马氏体相变与无扩散型相变却不等价,前者只是后者中的一类。无扩散型相变分为点阵畸变位移式和原子位置调整位移式(Shuffle)两类,点阵畸变位移式相变中以切应变为主要相变阻力时对应的相变才是马氏体相变。图 6 分别为Cohen 等对这些相变的划分图和微观原子迁移方式的差异9。Lattice-distortivedisplacementShuffle displacementDISPLACIVE/DIFFUSIONLESS PHASETRANSFORMATIONSShuffle displacementsLattice-distortive displac
15、ementsinterfacial energystrain energySHUFFLETRANSFORMATIONSkinetics and morphologydominated by shuffledisplacementskinetics and morphology notdominated by strain energykinetics and morphologydominated by strain energystrain energyMn-Ni(antiferromagnetic)GeTe-SnTe(continuous)Nb-Ru(continuous?)TiZr bo
16、se alloys()SrTiO3(ferroelastic)KTa0.65 Nb0.35O3(ferroelectric;high resistivity)KH2PO4(ferroelectric)Fe-bose alloys(fccbcc(bct);fcchcp)Noble metal alloys(bccclose packed)KTa0.65Nb0.35O3(ferroelectric;low resistivity)LATTICE-DISTORTIVETRANSFORMATIONSkinetics and morphology notdominated by shuffledispl
17、acementsdeviatoric componentdilatational componentlattice-distortive displacementsrms vibrational displacementsdriving energyDILATATIONDOMINANTDEVIDTORICDOMINANTundistorted lineno undistorfed lineCe(fccfcc)Sn(bctdc)QUASIMARTENSITICMARTENSITIC(a)(b)图 6Cohen 等对马氏体相变在无扩散型相变中的划分示意图(a)和两类位移式相变中原子微观迁移的差异示
18、意图(b)9 图 7 为马氏体相变的热力学驱动力分析示意图10,这也是我们课本上引用的图。虽然这只是个示意图,但它明确指出驱动力对应的过冷度参照点是相同成分的母相新相自由能相等的 T0点。马氏体的形核机制很复杂,有很多不同的形核模型。其形核理论最早是按经典的均匀形核理论展开的,设想马氏体的核是如图 8 所示的圆盘状或双球冠状。按驱动力、界面能和应变能阻力 3 项之和求出临界半径 r*和 c*。随后又进一步设想基于位错及层错的非均匀形核理论,包含原子切动的若干步骤,由此出现了 KC 模型(Kaufman 和 Cohen)711 TemperatureK stable thermo-dynamic
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