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1863 年英國的H. C. So rby (以下簡稱索氏) 用顯微鏡觀察經拋光并腐刻的鋼鐵試片, 從而揭開了金相學的序幕。他在鍛鐵中觀察到類似魏氏在鐵隕石中觀察到的組織, 并稱之為魏氏組織。后來他又進一步*了金相拋光技術, 例如把鋼樣磨成01025 毫米的試片, 并在攝影師的協助下拍攝了鋼與鐵的顯微像, 基本上搞清了其中的主要相, 并對鋼的淬火、回火等相變作了到現在看來還基本上是正確的解釋。索氏是*的金相學創建人, 特別是在英國和美國, 都在1963年召開了金相學誕生一百周年報告會[4, 5 ] , 紀念索氏在1863 年的發現(索氏在鍛鐵中觀察到魏氏組織的論文發表于1864 年, 但是在他的1863 年7 月28 日的日記中對此已做了記載)。他的姓氏還被用來命名鋼中的一種淬火或回火組織——So rbite, 即索氏體, 但是這個名詞現在已基本淘汰了。 
       索氏在1826 年出生于英國鋼城Sheffield 中的一個鋼鐵世家中, 他的祖先開了兩家刀具廠, 他繼承了其中之一。不過他生性酷愛自然, 很少過問他的產業, 一直是一個從事地質與金屬研究的自由研究工作者[8, 9 ]。晚年還熱心教育, 任Sheffield 大學的*任校長。他終生未婚, 以探討自然奧秘為樂, 共發表論文230 篇, 其中地質方面約100 篇, 金屬方面僅15 篇(詳細目錄見文獻[10 ])。由此可見他的主要興趣還是在地質方面。
       索氏年輕時就對自然界的生物、礦物、地質發生了極大的興趣, 他在21 歲時發表的論文是“農作物中的硫磷含量"。后來他從一位生物學家那兒學會了使用顯微鏡觀察生物標本及牙、骨等硬物的試片制備方法。這就導致了他后來用顯微鏡研究巖石從而建立了巖相學(1850 年) , 當時他才24 歲。這一新鮮事物很快就受到廣泛的重視, 推崇他是“顯微巖相學之父", 先后選他當英國地質學會、礦物學會、顯微鏡學會的主席。但是, 也有一些思想保守的人譏笑他“用顯微鏡研究山脈", 坐井觀天。但是這并阻擋不了科學向前發展的歷史潮流。
       由于生活在一個鋼城的鋼鐵世家中, 索氏不可避免地會經常接觸一些鋼鐵問題, 如用酸蝕綴飾刀具。到1863 年索氏的巖相研究已經很有成就, 他開始了鐵隕石的研究。為了弄清它的顯微結構, 他還研究一塊瑞典生產的鍛鐵的顯微結構。為了觀察不透明的鋼鐵試片, 索氏采用反射式的垂直照明。可惜當時這件事并未引起鋼鐵界的注意, 直到二十幾年后他被要求重新發表他的1863 年的研究結果, 才受到普遍重視。他在自傳式的論文“科學研究五十年"中用嘲笑的口吻說:“在早年, 如果鐵路出了一次事故而我建議鐵路公司取一段鐵軌進行顯微鏡觀察, 恐怕他們會認為我是適合送進教養院去的人"。
       索氏在鋼鐵的顯微鏡觀察中發現的主要相是:
       (1) 自由鐵(1890 年美國金相學家Howe命名為Ferrite, 即鐵素體) ;
       (2) 碳含量高的極硬化合物(1881 年Apel 用電化學分離方法確定為Fe3C, 1890 年Howe 命名為Cementite, 即滲碳體) ;
       (3) 由前兩者組成的片層狀珠狀組織Pearly Constituent (Howe 命名為Pearlite, 即珠光體) ;
       (4) 石墨;
       (5) 夾雜物。
       他對珠光體的描述非常引人入勝, 我們把他在1886 年的論述中的一段譯出如下:“珠狀組織中的片層經常很薄, 軟的鐵片層的厚度約為1/40000 英寸, 硬物為1/80000 英寸, 因此有間距約為1/60000英寸的棱脊和溝漕交替排列。這種特殊組織的*能令人滿意的解釋可能就是; 在高溫時鐵與碳生成一種穩定的化合物, 在低一些溫度下不再穩定, 分解為上述兩種物質"。圖3 是索氏當年制備并觀察過的鋼樣(現在仍有一些保留在Sheffield 大學) 在1953 年拍的顯微像, 放大倍率為500 倍, 與當年索氏使用的560 倍相仿。這就是他當時看到的珠光體, 何等清晰!

圖3　索氏當年觀察過的珠光體試樣;1953 年拍照(×500)
        實際上, 索氏在上述有關珠光體的描述中就已經引入了高溫形成奧氏體及其在低溫轉變成珠光體的概念, 且看他的進一步論述:“除了上述特殊組織本身的意義外, 我認為它還可能闡明鋼的淬火和回火。當鋼在紅熱狀態下投入冷水中急冷, 鐵與碳在高溫生成的穩定化合物在它有足夠時間轉變之前突然被固定下來, 保留了介于軟鐵與非常硬而脆的化合物(譯者注: 滲碳體之間的性能, 也就是說把高硬度與強度結合起來。這不但是可能的, 并且實際上很可能就是如此。再一次升溫使淬火鋼回火, 我們容易理解上述兩個組元(譯者注: 鐵素體與碳化物) 多多少少會分離出來, 給出與緩冷后得到的相似結構。至少我認為這種觀點與我用高倍觀察不同的鋼與鐵所得的研究結果是一致的"。這里又基本上引入了馬氏體及其在淬火中生成和回火中分解的概念。不僅如此, 他還討論了合金元素對淬火的作用。1856 年M ushet 發現在高碳鋼中加入鎢到5- 6% 就可以在空冷后得到與淬火一樣的硬度。對此索氏的觀點是:“M ushet 的空冷淬火鋼的奇異性能可能是由于鎢阻止這種常見的分解所致"。這實際上就是后來得到證實的合金元素阻止奧氏體分解從而增強淬透性的概念。
       索氏一個人在不太長的時間里, 作為副業(主業是地質巖相研究) , 基本上弄清楚鋼鐵的顯微組織與熱處理過程中的相變, 不能不說是一件非常偉大的成就。此外, 他還討論了晶粒、再結晶、形變中晶粒的變化等。人們把他作為金相學的奠基人是再恰當也沒有的了。

索氏雖然創建了鋼鐵的金相學, 但他畢竟主要是地質礦物學家而不是冶金工程師, 他在冶金界的活動范圍及影響是有一定局限性的, 因此他在1863年的杰出貢獻一直要到二十幾年后才引起冶金界的重視。在這期間, 德國的Adolf Martens (以下簡稱馬氏, 請注意這不是平爐煉鋼法發明人馬丁Martin)和法國的Floris Osmond 分別在1878 及1885 年獨立地用顯微鏡觀察鋼鐵的顯微組織。他們都是與鋼鐵生產與使用有關的工程師。馬氏在東普魯士鐵路局工作十年, 修建橋梁, 在這期間他利用業余時間,進行鋼鐵的金相觀察。Osmond 曾在法國的合金鋼廠Creusot (*當年曾在這家鋼廠做工) 工作十年, 從1880 年起這個鋼廠就開始了金相檢驗。因此, 他們的金相觀察結果很快就在冶金界傳播開來, 影響深遠, 功績不亞于索氏, 在德國及法國甚至有一些學者[11, 12 ]還認為他們也是金相學的創始人。在十九世紀的六十到八十年代, 三個杰出的科學家分別在三個國家獨立地開始了鋼鐵的金相觀察, 這是那個時期鋼鐵工業大發展的必然結果, 不足為奇。

馬氏是一位嚴謹的正統金相學家, 他的哲學是金相學家的任務是改進金相試驗方法, 進行細致觀察, 認真記錄, 少做推論。他也是這樣身體力行的, 一方面與蔡司光學儀器廠合作設計適于金相觀察的顯微鏡(這對金相技術的普及推廣起了很大的作用) ,另一方面對鋼鐵的金相進行了大量的系統研究, 發現了低碳鋼的時效變脆現象。由于他過于強調觀察細節, 論文有時顯得煩瑣, 在理論分析方面建樹不多。但是, 馬氏在改進和推廣金相技術方面起了很大的作用。他認為對鋼鐵廠來說, 金相檢驗是zui重要的檢驗方法之一, 其重要性決不亞于化學成分分析。在他的影響下, 到本世紀初不少鋼廠都有了金相檢驗室。為了紀念馬氏在改進和傳播金相技術方面的功績,Osmond 在1895 年建議用他的姓氏命名鋼的淬火組織——Martensite, 即馬氏體。

如果說馬氏是金相技術方面的一位, 那么Osmond 可以說是金屬學或物理冶金方面的一位偉大科學家。首先, 在實驗技術方面他不限于金相觀察, 而是把它與熱分析、膨脹、熱電動勢、電導等物理性能試驗結合起來。這在當時不能不說是一種創舉,把金相技術擴大到更廣泛的范疇里去, 這在后來已成為金屬學的傳統研究方法了。其次, 在理論分析方面他也不限于顯微組織結構, 而是把它與化學成分、溫度、性能結合在一起, 注意研究它們之間的因果關系。換句話說, 他把金相學從單純的顯微鏡觀察擴大、提高成一門新學科。從這個角度來看,Osmond的貢獻是非常的。

Osmond 在實驗技術上精益求精, 圖4 是他拍攝的珠光體的高倍顯微像, 就是在今天用先進的實驗儀器與照相器材, 要達到這么高的水平也非易事。

  圖4　116%C 鋼中的珠光體(Osmond, 1901)

圖5　冷卻曲線, 左圖是習慣作圖法, 右圖是Osmond“反冷卻速率"法, 給出明顯的轉變點在測量冷卻曲線時, 他采用當時新發展出來的Pt-Rd 熱電偶; 在繪制曲線時, 他不用溫度(Θ)隨時間(t) 的變化, 而用溫度(Θ) 隨dt/dΘ的變化, 突出轉變點(圖5)。他在1887 年發表的“鐵、鋼與白口鑄鐵中鐵與碳的相變"一文中明顯測出三個轉變點, 即900, 750 和700℃。這就是我們今天鐵的三個轉變點: