天外来客对科学研究的贡献

材料科学基础（简称材科基）课程讲授材料的基本结构、结构缺陷、材料制备或使用中发生的组织结构变化的基本规律及对性能的影响，涉及未来从事材料生产、使用、研发工作所需要的基础知识。课程内容包含成分、工艺、组织、性能四要素之间关系的核心特点。学生首次学习这些知识，会感到内容多、涉及面广，缺乏实际体会，从而认为该门课程很难，部分同学会失去专业兴趣。因课程学时有限，有效提升学生理解能力和专业兴趣，让学生热爱材料专业，是教师重点关注的问题。作为授课多年且长期从事相关材料基础研究的教师，完全理解并体会到课程的重要性，也热爱材料科学专业及职业。然而，教师内心的感受未必能体现在课程的讲授中，学生也未必能感受到教师的用意。因此，教师优化讲授课程的方式、方法、内容，与学生之间“擦出火花”，是课程改革长期的任务和目标。

陨石是天外来客，是地球以外宇宙流星脱离原有运行轨道，或是星球爆炸、碰撞的碎块，散落到地球表面的物质。陨石在遥远的外太空经过漫长的飘行，又经过急速的坠落、高温的摩擦降临到地球，他们含有地球上不常见的矿物组合，具有极高的科研价值并一直受到天文学家、地质学家、矿物学家、考古学家、材料科学家的热捧，形成了陨石学这门独立的课程。通过陨石研究可以获得对太阳系的物质起源、组成和演化的认识。在提到的几门关注陨石的学科中，多数学科都首先关注陨石的基本结构与形成机制，然后是其在太空中运动、撞击、爆炸的问题以及如何被人类所利用的考古学价值。

陨铁（见图1(a)）是含铁镍为主的陨石，陨铁的特点是经过磨光浸蚀后，在肉眼下可直接看到典型维斯台登纹（Widmanstätten，魏氏人名，也有译为魏德曼的，不同领域译法不同），即规则的、相互交叉的纹理，很是漂亮，有人用陨铁制作美丽的装饰物，见图1(b)和1(c)。维斯台登纹也被称为陨铁的身份证。由于天体的多样性，陨铁也是种类繁多，地质学上对陨铁进行了结构分类或化学分类，这里仅以展示典型维斯台登纹的陨铁进行讨论。作为材料科学学科讲授材料科学基础课程的教师，承担着国家级一流课程建设的任务，在多大程度上挖掘出陨铁作为课程教学的一个典型教具的价值，是本文探索的内容。

图1 陨铁实物照片：(a) 1898年在新疆北部阿勒泰地区的青河县银牛沟发现的中国最大铁陨石——新疆铁陨石，重28 t；(b,c)陨铁制作的装饰物（图片来自网络）

图2给出笔者总结的陨铁所涉及的不同学科领域的信息对材料科学基础课程作用的关系示意图，分别讨论了陨铁与金相学起源和陨铁中魏氏组织原理，陨铁在天文学、地质学、考古学课程中的应用，以及作为非常合适的教具，培养学生综合能力及拓展专业领域的作用，为便于读者理解，以下进一步展开分析。

图2 陨铁所涉及的不同专业领域的信息对材料科学基础课程作用的关系示意图

1、 陨铁相关知识在材料科学基础教学中的作用

1.1 维斯台登纹的发现与金相学诞生

陨铁的维斯台登纹是它特有的、用肉眼可直接观察到的组织，以奥地利维也纳工作的印刷技工及科学家魏氏（Count Alois von Beckh Widmanstätten，1753—1849）名字命名。1808年魏氏用火焰加热陨石时，因体心立方（BCC）结构的铁纹石和面心立方（FCC）结构的镍纹石有不同的氧化速度，致使颜色和光泽不同，出现了令人震惊的花样。他并未发表这个发现，只是口头上进行了交流，但他的朋友，维也纳矿业与动物学陈列所所长Carl von Schreibers先生认可他的发现，以他的名字命名了这种花样。有文献认为[1]，真正发现魏氏组织的是英国人Guglielmo Thomson，他为清除灰尘或去除铁锈而将陨铁在硝酸浸泡，从而发现了魏氏组织。1804年，他用法语通过大英博物馆发表了这个发现。因此，维斯台登纹也称为汤姆森结构。图3给出Widmansättten和Schreibers两位老友制作的Elbogen陨铁的魏氏组织以及一张从<111>晶体学方向观察的典型魏氏组织（由3组互成60°和1组平行于观察面的铁纹石变体组成）。其中图3(a)在北京科技大学刘国勋先生主编《金属学原理》教材（1980年出版）中采用过，引出了魏氏组织概念。

图3 Widmansättten和Schreibers制作的Elbogen陨铁的魏氏组织图(a)[1]及典型的<111>方向观察的魏氏组织(b)[2]

维斯台登纹的发现被认为是金相学诞生的启蒙阶段，而英国矿物学家、金属学家H Sorby用光学显微镜观察抛光浸蚀后的金属组织是金相学诞生的标志[3]。材料科学的前身是物理冶金，它与金相学并存，虽然两者的含义还是有本质差异，但两者关系密切。笔者本科专业就是金相及热处理，材料科学基础课程以前也称金属学，更早称为金相学。因此，这些金相方面的历史与陨铁魏氏组织的发现分不开，这些在材料科学基础课程中应当提到。

1.2 陨铁维斯台登纹的相变晶体学概念展示

规则的相互交叉的维斯台登纹显示了典型的材料学取向关系理论，常见的是K–S（Kurdjumow–Sachs）取向关系，也就是{111}FCC||{110}BCC，<110>FCC||<111>BCC。说明BCC结构的新相（铁纹石或锥纹石）从FCC结构的母相（镍纹石）的{111}晶面析出，成片状。4个{111}面都析出新相时，可形成空间上的八面体结构（实际是2组由4个{111}面围成的结构），从不同的截面切开观察，就形成不同的维斯台登纹。这些概念在《材料科学基础》中“界面”一章，“马氏体相变”一节都有介绍。图4是从考古学者梁斌先生处获得的6种不同地区出现的陨铁的维斯台登纹照片，供笔者组织的兴趣小组活动使用，图片展示了丰富的相关信息，为后期进一步开展陨铁微观组织研究打下一些基础。

图4 收集的6种陨铁：1#为俄罗斯的随城陨铁，1967年；2#为格林兰约克角陨铁，1818年；3#为瑞典曼德拉M铁陨石，1906年；4#为陨磷铁；5#为新疆阿勒泰陨铁，1898年；6#为摩洛哥的塔扎陨铁，2001年；右图为2#样品侧面照片，显示2个截面上的组织。

由Fe–Ni合金的陨铁魏氏组织还可延伸出钢中与钛中的魏氏组织。钢在快冷时会出现魏氏铁素体组织，见图5(a)，通常钢中不希望出现这种组织，因为它对力学性能产生不利影响。钢中的魏氏组织是Sorby教授于1864年金相学诞生期首先观察到的[3]。六方结构的钛中也会出现魏氏组织，类似钢中的魏氏组织，也是先形成晶界网状析出相，然后由晶界长入晶内，呈羽毛状。虽然都是魏氏组织，但形成机制有所差异。作为Fe–Ni合金的陨铁是天外来客，其冷却相变时的冷却速度非常缓慢，为1~100 °C/Ma（百万年），是扩散型相变。钢中的魏氏组织是较快冷速下的中温转变产物，形成时从奥氏体晶界长入晶内，常是一束平行的铁素体针，或羽毛状组织，而不单单是贯穿晶内的相互穿插的均匀组织，见图5(a)，有时被认为是切变型相变产生的[4]。钛中的魏氏组织虽与钢中的魏氏组织形貌相似，但却是扩散型转变形成的，只是晶粒尺寸太小，只能在显微镜下看到，见图5(b)。

图5 钢合金中的魏氏组织[4](a)和钛合金中的魏氏铁素体(b)

我国第一代冶金学家周志宏院士早在20世纪20年代就在美国哈佛大学的金相学家A. Sauveur教授指导下开展钢中魏氏组织研究[5]，闻名国际。同样，著名的美国冶金学家R. F. Mehl、C. Barrett教授最早也是跟随A. Sauveur教授通过研究镍陨铁的取向关系而成名的[6]。

1.3 陨铁在天文学领域的研究内容在课程中体现的意义

中国月球探测工程首席科学家（也被称为嫦娥之父、探月之父）、天体化学及地球化学家欧阳自远院士早在1964年在陨铁研究中就指出[7]：对陨石从太空高速坠落穿过大气层的速度、温度、压力、动能和轨迹进行研究，有助于了解宇宙飞船返回地球时的温度、压力、状态、运动轨迹、着陆条件、飞船外壳热的扩散以及合金的机械强度等；陨石坠落后，表面形成薄层状熔壳，对熔壳的矿物成分、结构构造进行研究，有助于了解陨石穿过大气圈时的热扩散速度和大气的削裂作用；对陨石的矿物与化学成分及结构构造进行研究，有助于了解陨石的形成条件与过程、天体演化的特征和地球内部的状态；对陨石中微量元素及稳定同位素丰度变异的研究，表明陨石与地球成因的一致性；对陨石中约有50种宇宙成因核的研究，能了解高能核反应的某些特点、宇宙线的成分、通量、能谱、时间及空间上的分布；对陨石的绝对年龄、宇宙年龄及降落年龄的研究，不仅能阐明地球年龄，而且能恢复陨石体的原始形状，了解大气削裂及宇宙辐射的影响深度。

一般认为，大多数陨石来自于火星和木星间的小行星带，小部分来自月球和火星。太空飞行的天体，应该是受到了碰撞，才会脱离自己的轨道，进入地球的引力场，从而坠落到地球上；同时在进入地球大气层内还会出现爆炸。因此陨石内部既经过非常缓慢的天体运行时的变化，也经历过碰撞、爆炸过程的剧烈变化，没有人看到过这种变化，只能按照基本原理进行推测，模拟。我国新疆阿勒泰地区发生过世界上覆盖区域最长的陨石雨，分布在425 km长的东南-西北走向的带状区域[8]，陨石雨来自同一个行星体，因进入大气层发生爆炸形成陨石雨。天体内部不同深度位置的成分组成可能不同，完全熔化与不完全熔化的小星体会呈现不同的组织结构。但穿过大气层进入地球表面时的表层熔化影响区只是表层几个毫米，其中心区域则反映原始天体活动中演变的组织结构。北京科技大学罗海文教授等[9]与中科院天文学研究人员研究了新疆阿勒泰陨铁的微观组织结构，通过铁纹石片、镍纹石片厚度及镍纹石中Ni的浓度梯度测定值计算了相变时的冷却速度，大约是49 °C/Ma（百万年），非常缓慢。

1.4 陨铁在地质学、矿物学中的价值以及给材料科学基础课程学习中的提示

虽然陨铁是天外来客，但陨铁却早被地质学家或矿物学家研究并进行了分类，既有按照其维斯台登纹或八面体结构分类法，也有化学分类法。由于地质学、矿物学诞生的时间都比材料科学早得多，所以分类法没有按照材料科学界的习惯。最早文献报道（1804年）魏氏组织的英国学者Guglielmo Thomson（也称William Thomson，1760—1806）就是地质学家、矿物学家，他用酸浸蚀陨铁显示出魏氏组织纹理。不同地区发现的陨铁虽然都有维斯台登纹的共同特性，但还是存在一些组织结构差异，甚至有“无结构”的陨铁（不是典型的条纹结构被认为是无结构）。地质学家、矿物学家认为，地球是星球，地球以外的天体也是星球，结构上都可以有球内层或核存在着液态镍、铁等重金属，而球的外表层充满着固态硅酸盐类的较轻物质“核幔壳圈层”结构，因此地球与其他天体有类似之处。材料科学基础课程讲授了很多无机非金属材料，陶瓷，氧化物，硅酸盐结构；岩石学中的3种典型类型（火成岩，变质岩，沉积岩）中火成岩和变质岩的形成过程基本属于自然环境下的无机非金属材料的凝固过程和热变形过程，因此掌握好基本原理，就能较快地熟悉地质学、矿物学中的物质结构形成原理。国际上有陨铁爱好者协会及网站，汇聚着天文学、地质学、矿物学、材料科学、考古学等领域的专业人员进行跨学科交流，同时以金属学为主的材料科学基础课程的学生也得以了解地质学、矿物学的相关术语。

1.5 陨铁的考古学意义及在课程讲授中的作用

陨铁作为天外来客，是一种自然材料，但其在人类文明发展中也起到重要作用，并显示了地球上不同地区的文化、技术发展进程的差异。在古代先人发明钢铁冶炼技术前，出现过用陨铁制作生活工具及兵器的实例。一个经典案例就是北京科技大学柯俊院士20世纪70年代对商代出土铜钺铁刃的鉴定[10]，见图6。鉴定过程主要关注的是浇铸在斧钺刃部的铁器是人工制造的铁器还是天然的铁器。由于时代久远，距今3300多年，该铜钺铁刃兵器已完全锈透，没有原始组织了，这给鉴定带来巨大困难。柯先生抓住两个关键点，也是其鉴定的高明之处，一是检测到Ni元素的存在，Ni在出土铁器中极少存在。二是Ni以带状形式分布，见图6(c)；已知陨铁的特点是维斯台登纹，由相间分布的FCC结构镍纹石和BCC结构的铁纹石组成，其中Ni主要分布在FCC结构的镍纹石中，虽然铁器已彻底氧化了，氧化镍也有一定消失，但Ni并未完全消失，并仍以带状方式存在。因此柯先生凭借其丰富的知识确定该铁质器物来自陨铁，是自然的，并非人工冶炼制造的。应当提及的是，此陨铁经过了锻打，组织发生了变化，Ni的周期分布应明显不如原始陨铁中那么典型，这给分析鉴别造成困难。据北京科技大学科学技术史学科创建人之一的丘亮辉教授介绍[11]，这样的判断与当时个别领导的期望不一致，但柯先生坚持科学地以事实为依据，不改变其所作的结论，为我们树立了科学家坚持真理的典范。同时丘教授还介绍到，考古研究有2类方法，一类是从文科的角度，通过研究大量历史文献，从古人的文章中找到相关的信息，得出考古结论，也就是从文献中获取数据。另一类是工科的方法，通过对出土文物的检测分析，再结合文献信息进行鉴定判断。

图6 1976年柯先生以笔名李众在考古学报上发表的经典陨铁作为兵器刃部材料的文章首页(a)，铁刃铜钺实物图(b)，及Ni元素的周期分布(c)[10]

如果简单将陨铁锻打，虽然可以细化组织，提高陨铁韧性，但陨铁的硬度并不高，因为没有间隙原子C，单单靠扩散相变转变产物，强度、硬度指标并不高，所以这种兵器量很少，很快被人工冶炼的高硬度钢所替代。公元后只有比较落后的北极格林兰人较多地使用陨铁制作工具和兵器。丹麦著名金属考古学家V.F. Buchwald教授（见图7(a)）对格林兰爱斯基摩人使用的陨铁兵器进行了长期细致的研究[12–13]，他于1963年发现了重达20 t的大陨铁，称为阿格帕里利克陨石，是格陵兰约克角大陨石的第4个主要碎片，现保存于哥本哈根地质博物馆（图7(b)）。约克角大陨石碎片共有2个上榜世界7大陨石榜，另一个便是跻身第3位的阿尼希托陨石，重31 t。约克角大陨石在大约1万年前撞向地球，是坠落于地球的最大铁陨石之一。几个世纪来，生活在陨石碎片附近的因纽特人（即爱斯基摩人）便将其用作制造工具和武器。图7(c)为格林兰（属于丹麦）1978年出版的纪念格林兰科学委员会成立100年首日封邮票，图案为陨铁维斯台登纹，上面2组相互垂直的条纹组织说明样品截面是{100}晶面；邮票左侧是爱斯基摩人用约克角陨铁制作的剥皮刀，0.6 mm厚，该刀也是Buckwald研究的样品[13]，图7(d)给出该陨铁的组织，显示经过了冷变形，铁纹石（右下角）相已显著形变，镍纹石（中部）相也已变形弯曲。这些陨铁制作的工具是人类文明发展历史的见证。

图7 (a)Buchwald教授照片；(b)约克角大陨石碎片——阿格帕里利克陨石；(c)约克角陨铁纪念邮票；(d)爱斯基摩人的剥皮刀上陨铁冷变形后的组织[13]

2、 陨铁作为材料科学基础课程教具的多重作用

作为教具，陨铁是非常合适的。讲课时，图像、视频是通过视觉和听觉使人体会相关知识的媒介；而实物教具可拿在每个学生的手里，通过触摸进一步加深印象和体会。材料科学基础课程使用过多种教具，例如：1）单晶或多晶矿物、岩石：它们可以帮助理解晶体学、晶体结构、晶体缺陷等相关概念。岩石标本也支撑凝固，热、冷形变、相变有关概念的讲解。2）铁丝编制的三元相图立体模型：用于相图几何空间的拓扑关系的有效理解。3）取向硅钢二次再结晶成品板，其厘米尺寸级的粗大晶粒组织可形象、有效地提升讲授再结晶及晶粒长大过程相关概念时的理解效果。4）含不同比例柱状晶、等轴晶的铝或钢铸锭：用于凝固一章相关概念的学习。这些都是典型的教具，因为组织很粗大，肉眼可直接观察。

相比之下，由于陨铁分析出的多方面、多学科的知识，相互间有广泛联系，从一块陨铁上讲出的相关概念越多，其示范效果就越显著，它培养学生综合能力的价值就越高。引申到越多的学科，学生就越会感觉自己学习的专业及课程知识越有用途。按照讲课顺序，可依次提及下列陨铁相关知识：

1） 课程引言，介绍毕业后可能的就业领域，提及天体物质（陨铁是其中之一）；出土文物的检测，如古人用陨铁做的生活用具或兵器；以及柯俊院士经典的利用陨铁知识进行的商代兵器鉴定工作。

2） 引言中金相学启蒙阶段涉及的金相学专业、金相学课程、魏氏组织的发现。

3） 晶体学晶面，晶向指数：从不同角度观察维斯台登纹，相互垂直的，相互成60°的；

4） 界面一章中的K–S取向关系，惯习面；界面原子匹配理论；Mehl、周志宏的成名之作。

5） 形变一章中的BCC金属形变孪晶，即纽曼带（陨铁的特征组织之一）；古人作的工具中的形变组织，Buchwald的实验数据。

6） 固态相变一章，相变阻力导致取向关系的出现，扩散型及切变型相变导致取向关系的存在；钢与钛中的魏氏组织。维斯台登纹形成过程；取向关系在极图中的展示。

7） 凝固及相图分析：展示前人利用Fe-Ni相图，结合组织，分析冷却过程中的相变，由镍纹石相转变为锥纹石，镍纹石与锥纹石的共析过程（称为合文石），镍纹石中析出马氏体，及脱溶出球状γ″相过程。

6种不同地区出现的陨铁（见图3）相互间存在着组织及微结构的差异，虽然陨铁可以直接观察组织，不需要显微镜。但每一块陨铁远不是仅仅由肉眼可见的维斯台登纹组成，还有很多细节没有被揭示出来。因此可以进行进一步检测分析，也可进行形变、退火研究。可以设计一些实验，从而提高授课效果和专业兴趣，比如：1）固态相变行为研究，加热到一定温度保温不同时间，观察组织的变化；2）通过打硬度方式进行变形，再退火诱发再结晶，研究形变再结晶行为；3）用背散射电子衍射（EBSD）检测不同相之间的取向关系，因为陨铁并非只有K–S取向关系；等等。

3、 结束语

1）陨铁作为研究载体显示了在天文学、考古学、地质学、矿物学、材料科学等学科的重要内涵，基于这一点，初步总结出了陨铁在材料科学基础课程授课中作为有效教具所做起的作用。

2）重温柯俊先生对商代铜钺铁刃兵器鉴定的经典案例，结合丹麦陨铁考古学家Buchwald教授的经典陨铁在人类文明发展中的作用，讨论了陨铁与古代兵器的密切联系；采用我国探月工程首席科学家欧阳自远院士早年的陨铁研究经历及论文，构成一个课程思政案例，使其成为国家级一流课程（材料科学基础）教学资源的一个有力的补充。

3）提出了可对收集的各种陨铁进一步开展研究的思路，为研究型教学，第二课堂建设，综合能力培养提出方案。

致谢：感谢考古学者、中国社会经济文化交流协会文博专业委员会副理事长梁斌先生赠与的陨铁样品及关于陨铁历史的有价值的多次交流。

参考文献

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基金项目: 北京科技大学教改项目“北京科技大学精品在线开放课程建设”（KC2023ZXKF04）

作者简介：杨平（1959—），博士，北京科技大学材料科学与工程学院终身教授，博士生导师，《金属世界》杂志编委、特邀撰稿人。主要研究方向为金属材料形变、再结晶、相变过程的晶体学行为及织构控制技术；背散射电子衍射（EBSD）技术的应用；电工钢、高锰钢、钛合金等材料的组织结构表征及性能改善。负责国家自然科学基金6项，参加国家863计划3项，国家973计划项目1项，配套项目1项，国家自然科学基金重点项目1项。负责企业横向课题10余项等。在国内外期刊发表科学研究论文430多篇，获发明专利4项，获省部级一等奖、三等奖各1项，编著《电子背散射衍射技术及其应用》《材料科学名人典故与经典文献》《工程材料结构原理》，参编《材料科学基础》《材料织构分析原理与检测技术》《电工钢的材料学原理》《材料科学与工程基础》《金相实验基础》等。