[科普中国]-物理冶金

简介

物理冶金技术是失效分析的主要手段之一，在失效性质确定、失效模式判别及失效原因分析中发挥了重要作用。除了主要的组织形貌观察、结构特征分析、微区成分表征以外，还包括显微硬度测定、物理性能表征、等温凝固相变过程分析等，这些技术的综合运用将在失效分析的系统性、科学性、准确性上提供有力的技术支持。随着分析仪器设备的发展，一些新型的分析技术也相应得到发展。如: 俄歇电子谱仪、X 射线光电子谱仪等可用于材料最表面的几个原子层的结构与成分分析; 中子衍射、同步辐射等可用于厚样品内部缺陷的表征等; 分析电子显微镜系统实现了对材料组织—结构—成分—性能的一体化分析，可以原位、动态、三维地对材料进行表征，这些新技术的应用将极大地推动失效分析技术的发展1。

物理冶金学中Zener的贡献美国理论物理学家Zener，中文译名为甄纳或齐纳，研究领域涉及磁学、铁磁性、扩散、断裂、内耗、热电性、优化运算。以他命名的现象有：Zener二极管(基于Zener effect)、Zener钉扎、Zener-Hollomon参数等。他是物理冶金学中非常重要的代表性人物。

理论物理学家Zener是物理冶金学中非常重要的代表性人物。他的一生硕果累累，每个概念都有其产生的背景与历史根源。通过回顾他个人成长的历史与学术轨迹，结合目前实际的科研应用，不仅能够促进材料科学的教学与科研的融合，还能够帮助更好地理解相关概念理论，对我国材料专业的教育发展和国际化水平提升都有着重要的意义1。

物理冶金学中钉扎的应用在取向硅钢中Zener钉扎理论的利用可以说是到了极限。如果钉扎力不够，即粒子数目少或粒子尺寸太大，则不能完全诱发高斯晶粒{110}的异常长大。如果钉扎力过了，即粒子太多，则高斯织构不够锋锐，高斯取向晶粒被其他取向晶粒替代，造成磁性能下降。也可以利用粒子钉扎的反过程，即通过板材表面粒子比中心层粒子先熟化的特点，让对无取向硅钢有利的{114}取向晶粒从表面逐渐吃掉{111}取向晶粒，最终形成从板材侧面看是上下双层柱状晶的组织，具有强的{114}织构。理想的话，这种两层柱状晶组织像人口中的两排牙齿2。

物理冶金学中绝热剪切带高速形变是许多材料实际应用中经历的一种服役方式，如汽车高速碰撞、高速切削、子弹高速穿透金属板、穿甲弹等等。高速冲击时形变不均匀，材料局部出现绝热升温，发热软化，出现绝热剪切带。绝热剪切带(Adiabatic shear bands)一词是Zener在1948年最先提出的。其实，法国力学家Tresca早在1887年就观察到此现象，不过当时使用的是“热线”(hot lines)一词。它与Tresca最先提出的锻造后金属出现的流线(flow lines)有密切的相似性。绝热的出现是通过非常巧妙且简便的方法测到的，即将样品涂上蜡，高速冲击出现绝热剪切带后，该区域的蜡便融化了。于是通过检验哪个区域的蜡融化了，就能确定那里出现了绝热升温。而Zener是最先提出绝热剪切带一词的科学家。绝热剪切带内因温升不但晶粒出现超细化，发生连续式动态再结晶，还可能因升温出现相变，形成白亮带(bright bands)，其实是淬火马氏体。

目前有了先进的电子背散射衍射(EBSD)技术，可对绝热剪切带进行取向、结构分析。最高应变量的绝热剪切带内反而是未相变的奥氏体(红色区域)，剪切带外部应变逐渐下降，反而有大量形变诱发的马氏体(蓝色)。剪切带内出现晶粒的超细化3。