《看圖識金相》系列(二):珠光體為什麼有珍珠的光澤?

不知道生活中有沒有好奇的小夥伴想過這樣一個問題:為什麼珍珠這類東西有珠光寶器的光澤而別的東西沒有呢?如果你感興趣的話,今天的文章會告訴你答案。


在一切開始之前,首先要介紹兩個基本的概念和工具:相和相圖。

相是指在熱力學系統中的一個區域,在該區域內,材料的所有物理性質、化學性質基本上是均勻的。而相圖自然是指各相組成的一個地圖,大部分是通過實驗繪制出來的。

我們以最常見的水來舉個栗子:

水的相圖

一個標準大氣壓下,溫度從高到低,水在100℃以上處於氣相,0-100℃處於液相,0℃以下為固相。相圖就是這樣一個地圖,幫你理解在不同成分溫度和壓力下系統的狀態。

下面我們開始聊聊碳鋼中的珠光體。

珠光體組織

首先,我提出四個問題,大傢可以稍微思考一下,稍後,我會給出答案。

1、 珠光體是一個相嗎?

2、 為什麼我們發現瞭珠光體,而不是別的什麼東西?

3、 珠光體為什麼叫珠光體,它為什麼會有珍珠的光澤呢?

4、 為什麼珍珠這類東西會有特殊的光澤?而別的東西沒有?

要回答第一個和第二個問題,就需要我們來認識一下鐵-碳相圖的一部分:

Fe-C相同共析轉變

珠光體是常溫下鋼材中常見的平衡態組織,我們從相圖上來看,珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的。這個鐵素體(α相)和滲碳體(Fe3C相)無疑是兩種相的名字,所以這個珠光體就不是相的名字瞭,而是這兩種相的有機結合形成的材料組織的名稱。

在這一點上,材料學中的一些名詞經常會把人搞得暈頭轉向,你看珠光體是體,鐵素體和滲碳體也是體,就以為珠光體也是某種相,錯誤就自然而然的發生瞭。

現在我們通過試驗可以更加清晰明確的看到珠光體的結構。

SEM和光學顯微鏡下的珠光體組織

在光學顯微鏡下,我們隻能大概看到珠光體組織的層片狀結構。而利用擁有更高分辨率的掃描電鏡我們可以清晰的看到鐵素體(黑色)和滲碳體(白色)的層片狀分佈。

現在我們來回答第二個問題,為什麼共析點成分附近的鋼材會形成珠光體,而不是別的金屬組織呢?

以擁有共析點成分的共析鋼為例,當溫度降低時,金屬的晶體結構從面心立方的奧氏體向體心立方的鐵素體轉變,與此同時,多餘的碳要從鐵素體中排出轉移到滲碳體中。這是一個相當復雜的動態過程。

但如果說自然界存在一個鐵律的話,那就是“萬物皆懶”,走一步能辦好的事兒,它們絕對不會走兩步,大傢不是選最理想的路往下走,而是盡量選一條最好走的路往下走。這條原則也被稱為奧卡姆剃刀原則,在自然界和管理上都有很廣泛的應用。如果某一天你突然犯懶,別擔心,這隻是人類的本性,懶惰的基因甚至已經深入到原子級別。

共析轉變中珠光體的形成示意圖

現在我們來看,奧氏體向鐵素體和滲碳體轉變過程中,鐵原子和碳原子要重新進行擴散分佈,而為瞭減少擴散的阻力,大傢不約而同地選擇瞭就近的原則,由此形成瞭珠光體的層片狀結構。這種層片狀結構在共析反應和共晶反應中都是比較常見的組織結構。


這下我們不禁更加好奇瞭,難道珠光體天生麗質能發光嗎?居然會有這麼漂亮的光澤!

要回答這個問題,我們先要瞭解這種光澤是怎麼產生的。

珍珠及一些貝殼類,甚至有一些蛇類的表面都是由層片狀的復合材料構成的。這些蛋白質層和鈣質層之間的距離基本在微米數量級左右,而可見光的波長大約在400-800nm之間,也就是和這種片層結構的層間距非常的接近。這就導致可見光照射到這樣的表面上以後會出現明顯的幹涉和衍射,從而形成一種特殊的光澤。

珍珠和貝殼的光澤珍珠表面的結構

珍珠光澤的產生是一種復雜的天然形成的光學現象,當光線照射在珍珠表面時形成十分柔和的色澤和暈彩。珍珠光澤的獨特性與復雜性,使得礦物學傢、寶石學傢都無法用其他的光澤級別來描述它,而將這種柔和獨特的光澤直接命名為“珍珠光澤”。

好巧不巧,珠光體的結構跟珍珠表面的結構非常的類似,層間距也基本在微米級別,所以出現珍珠光澤也就不足為奇啦!


到這裡,關於珠光體的前世今生就介紹完瞭。對於一開始提出的問題,知識點你get到瞭嗎?

歡迎點贊轉發評論!

赞(0)