图 1 英国冶金学家William Chandler Roberts-Austen (1843—1905)
分享：Roberts-Austen在材料科学中的主要贡献
William Chandler Roberts-Austen(1843—1902，图1)是19世纪冶金学研究的三杰之一，其余两位分别是德国的Adolf Karl Gottfried Martens (1850—1914)和法国的Floris Osmond (1849—1912)。William Chandler Roberts-Austen于1843年3月3日出生于英国伦敦，名字包含了三家人的姓。其中，Chandler是他母系的姓，Roberts是他父系的姓，而Austen则是母亲家姻亲的姓氏，据推测是在他42岁时，根据母亲的要求添加的[1]，从那以后，他就一直以Roberts-Austen作为正式的姓氏。1900年，三杰之一Osmond出于对这位英国同行的尊重，在给当时已知的几种金相组织命名时，采用了这个最后添加的姓以定义钢中面心立方结构的Fe?C固溶体：Austenite[2]。虽然由于时代的局限导致信息沟通不畅，这个命名似乎有点滑稽，但如果检视Roberts-Austen的研究成就，他确实无愧于这项荣誉。在他众多的科学成就中，物理冶金发展是最重要的，其中被引入教科书的贡献有两项，分别是证实了固体中存在扩散现象和作为相图理论及应用方面的奠基者之一。
下载: 1. 发现固体中存在扩散现象
尽管扩散现象已被人类应用数千年，但对其机制的研究起源于19世纪。由于物理信号明显和实验更容易实现，最初的注意力集中于流体中的扩散行为，其中第一个典型的成就来自于曾担任过英国皇家造币厂厂长的物理化学家Thomas Graham(1805—1869)，他对气体中的扩散和盐在液体中的溶解过程进行了详细研究，由此启发了同时代的德国生理学家Adolf Eugen Fick(1829—1901)于1855年从纯数学的角度推导了一套唯象方程，即今天在教材中解释固体中扩散宏观现象的Fick第一和第二定律[3]。但是，从理论的发展进程可知，在1855年，固体中是否存在扩散行为还是一个谜。Fick定律最初是用于描述流体中的扩散行为，从流体推广到固体是多年以后的事了。
在Graham做厂长期间，毕业于伦敦皇家矿业学院采矿专业的Roberts-Austen被聘为他的私人助手。1869年Graham去世后，Roberts-Austen成为第一位“造币厂化学家和化验师” ，并于1882年晋升为厂长级女王化验师（Queen's Assay-Master，相当于总工程师）。他一直担任这个职位，直到去世。1882年，他成为皇家矿业学院的冶金学教授，同时仍在造币厂任职。因为职业的关系和便利，Roberts-Austen开始进行金属原子理论的实验工作，以及微量元素对冶金产品质量的影响。由于钱币质量关乎国家的信誉，使得Roberts-Austen的前期研究精力主要集中于揭示杂质对贵金属物理性能的影响。在实验设计上，他把固态的贵金属如Pt、Au、Ag、Rh浸入低熔点的Pb、Sn、Bi液体中，并有意识地把扩散实验结果与Fick定律的解进行对照分析[4]。随着研究的推进，他开始设计Au在固态Pb中的扩散实验，以验证固体中是否存在扩散现象。今天我们知道，Au在Pb中的固溶度趋近于零；而且，即使固体中存在扩散，对比流体这个现象也难以观测。因此在当时，这个实验存在非常巨大的技术障碍。为此，他尝试将薄的金片熔合在圆柱形铅杆的端部进行实验测量。图2是在剔除靠近圆柱端面附近的过高数据而获得的拟合曲线。
在图2中，浓度CAu与扩散距离的关系大致符合Fick定律的解（一端成分不受影响的误差函数解）；其次是升高温度会促进扩散；再次是用该实验结果推导的扩散系数非常精确，与现代采用放射性同位素测量获得的数值处于同一个数量级。例如，根据251 °C实验数据估算的扩散系数为3.5×10−11 m2/s，而现代技术测量得到的为5.1×10−11 m2/s。因此，这个实验系统性地首次证明固体中存在的扩散现象。当然，事后看来，Roberts-Austen的实验获得如此精确的结果也有些幸运的成分，因为与固体中大多数的扩散偶相比，贵金属在铅中的扩散速率很快，更易观察到扩散行为。
2. 相图理论与应用研究的奠基人之一
对贵金属物理性质的关注当然涉及合金成分与熔点的关系。在19世纪中叶，通过实验较为精确地测量金属的熔点已经成为可能，但系统研究熔点与合金成分的关系还没有提上议事日程。在银币铸造过程中，Roberts-Austen注意到铜的成分偏析会使不同的硬币（甚至同一个硬币的两面）具有不同的成色和性能。这个严重的问题在当时被称为“液化”，尤其是当铸造的合金成分“偏离共晶”(off-eutectic)时，“液化”现象逐渐变得严重（今天我们知道，在偏离共晶的合金凝固时，铸件容易在液相和固相线之间的温度区域形成成分偏析）。1875年，他的第一篇重要论文《关于铜和银合金的液化、可熔性和密度》对此现象进行了系统的实验分析，并用测量冷却曲线的方法建立了第一张二元系的高温熔点图，即T?x图（图3），其中纵坐标T为温度，横坐标x为成分[5]。这个工作的意义在于可以通过建立T?x坐标系直观呈现状态(即相)稳定存在的区域。这里要说明的是，由于当时还未建立“平衡”和“可逆”等基本热力学概念，测量不同成分试样的熔点时没有注意采用同样的冷却速率，因此虽然熔点曲线与现在已知的Cu?Ag系中的液相线变化趋势相同，但数值存在极大偏差。同时，该T?x图中合金凝固时会存在两相共存的温度区甚至三相平衡的温度也没有被特别注意到。
在那个时代，工业界对钢铁的兴趣远甚于贵金属，同时也由于造币用到钢模和铁，驱使Roberts-Austen的研究对象转向到机械用钢，并扩展到通过热处理(如淬火和回火)手段改变钢铁材料的性能。自1887年到1898年的12年间，其在钢铁方面的主要研究成就包括电沉积铁(1890年)，用金刚石渗碳(1893年)，碳在铁中的扩散速率(1896年)，以及炮弹和炸药对炮管的作用等(1898年)。其间，他还出版了专著《An Introduction to the Study of Metallurgy》(1890年)[6]。这是一本综合性的物理冶金学著作，共再版了5次，内容从金属和合金的性质到制备合格冶金产品相关的设备、工艺和经济性分析。这些工作系统深化了他对钢铁材料的认识。1889年，在英国纽卡斯尔举办的学术会议上，他结识了法国同行Osmond，并受到后者关于临界点概念和利用金相显微镜观察显微组织的启发，这为他研究钢铁材料提供了新的思路。
Roberts-Austen首先提出钢中在高温会存在含碳的固溶体（γ固溶体）。他认为Fe?C合金系与通常的食盐水溶液相似：C在Fe中既可以形成液态的溶体，也可以生成固态的溶体。根据这一思想，他在1897年绘制了冶金史上第一张Fe?C“平衡”图(图4)。在本图中，除了在ABD线上有一个“碳在铁水中的溶体”外，还有一个明确的“碳在铁中的固溶体”单相区(γ相区)，其边界是GOSE，S是共析转变点。这些符号在今天的Fe?C相图仍在沿用。γ相区右边的SE线代表Fe3C从γ中析出的Acm线。在PSP' 线之下是“Solid eutectic”，直译为固态共晶，实即共析[7]。尽管这个图很粗糙，并且还有一些不明确甚至错误的地方，如左上角的包晶反应没有测出来，相区的接触法则也不尽合理，但至少Fe?C相图的粗线条已经勾划出来了，这不能不说是一个很大的进步。
直到Gibbs的热力学理论得到广泛接受，“平衡相图”才成为一个有意义的概念。吉布斯的论文在1876年至1878年间出版，但由于两个原因而没有被欧洲学界及时认可：第一，康涅狄格州科学院的学报几乎从未被美国以外的科学家阅读过；其次，Gibbs的数学处理方法深奥难懂。然而，当这些新概念和理论传到欧洲时，还是有几位科学家（如James Clerk Maxwell和Van Der Waals）意识到Gibbs所建构的热力学理论的重要性，其中包括荷兰籍的德裔物理化学家Roozeboom。那时，这位德裔学者正开始尝试用吉布斯相律将T?x图转换成真正的相图，并在低温且相对简单的系统中取得了成功。当Roberts-Austen于1899年发表Fe?C“平衡”图的改进版时，顺便邀请Roozeboom根据Gibbs热力学原理（Gibbs相律）对其进行验证和修改。结果如图5所示[7]。虽然这不是历史上的第一张二元相图，但它是第一张对工业生产起到巨大指导作用的相图。后人的工作仅仅是在这个版本上不断修改完善，并未对这个相图的基本构架有过任何改动。
从Ag?Cu的T?x图（图3）到Fe?C“平衡”图（图4）再到Fe?C相图（图5），这个演化过程符合科学研究的一般规律，同时也反映出Roberts-Austen不墨守成规的治学思想。正是对新鲜事物和创新理论的敏感性，使得他善于抓住历史机遇，最终从采矿专业毕业的身份华丽转身为同时代物理冶金学专业的巨头，这真是一个十分励志的故事。
来源--金属世界
