[科普中国]-马氏体相变

特征机制

马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形成核心和长大的过程。但核心如何形成，又如何长大，目前尚无完整的模型。马氏体长大速率一般较大，有的甚至高达10cm·s。人们推想母相中的晶体缺陷（如位错）的组态对马氏体形核具有影响，但目前实验技术还无法观察到相界面上位错的组态，因此对马氏体相变的过程，尚不能窥其全貌。其特征可概括如下：

马氏体相变是无扩散相变之一，相变时没有穿越界面的原子无规行走或顺序跳跃，因而新相（马氏体）承袭了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。马氏体相变时原子有规则地保持其相邻原子间的相对关系进行位移,这种位移是切变式的（图1）。原子位移的结果产生点阵应变(或形变)（图2）。这种切变位移不但使母相点阵结构改变，而且产生宏观的形状改变。将一个抛光试样的表面先划上一条直线，如图3a中的PQRS，若试样中一部分(A1B1C1D1-A2B2C2D2)发生马氏体相变(形成马氏体),则PQRS直线就折成PQ、QR'及R'S'三段相连的直线,两相界面的平面A1B1C1D1及A2B2C2D2保持无应变、不转动，称惯习（析）面。这种形状改变称为不变平面应变（图3）。形状改变使先经抛光的试样表面形成浮突。由图4可见,高碳钢马氏体的表面浮突，它可由图5示意,可见马氏体形成时,与马氏体相交的表面上发生倾动,在干涉显微镜下可见到浮突的高度以及完整尖锐的边缘。1

马氏体相变特性(1)伴随相变的宏观变形——浮凸效应。马氏体转变时的习性平面变形，在抛光的表面上产生浮凸或倾动，并使周围基体发生畸变。若预先在抛光的表面上划有直线刻痕，发生马氏体相变之后，由于倾动使直线刻痕发生位移，并在相界面处转折，变成连续的折线。检查马氏体相变的重要结晶学特征是相变后存在习性平面和晶面的定向关系。

(2)马氏体相变时不发生扩散，是一种无扩散转变，并且马氏体在化学组成上与母体完全相同。在相变时，母相中原子的位置是对称改变的，并且改变的距离小于品格中原子之间的间隔。这和成核一生长机理有着明显的差别。

马氏体相变是点阵有规律的重组，其中原子并不调换位置，而只变更其相对位置，其相对位移不超过原子间距，因而它是无扩散性的位移式相变。

(3)马氏体相变往往以非常高的速度进行，有时高达声速。在一个很宽的程度范围内，转变的动力学与温度无关；但是相变可因所受应力或应变而被加强或抑制。

(4)马氏体相变没有一个特定的温度，而是在一个温度范围内进行的。在母相冷却时，奥氏体开始转变为马氏体的温度称为马氏体开始形成温度，以表示；完成马氏体转变的温度称为马氏体转变终了温度，以表示。

陶瓷中较经典的马氏体相变为中的四方相(t相)→单斜相(m相)转变，它是通过无扩散剪切变形实现的，这一转变速度很快，并伴随7%～9%的体积收缩。它具有以下特征：①无扩散位移切变型；②产生表面浮凸效应；③相变产物单斜相()的亚结构为孪晶，有时伴有位错；④在冷却时存在马氏体相变开始点()，并且在加热冷却时有热滞；⑤母相(t)与新相(m)之间有确定的晶体学位向关系：(100)m//(110)t，[010]m/[001]t；⑥新相惯习面为：透镜片状马氏体为(671)m或(761)m，板条状马氏体为(100)m；⑦具有变温转变和等温转变特征。2

惯习面马氏体相变时在一定的母相面上形成新相马氏体，这个面称为惯习（析）面，它往往不是简单的指数面，如镍钢中马氏体在奥氏体(γ)的{135}上最先形成（图7）。马氏体形成时和母相的界面上存在大的应变。为了部分地减低这种应变能，会发生辅助的变形，使界面改变如图7中由{135}变为{224}面。图7中马氏体呈透镜状，它具有中脊面，是孪晶密度很高的面，即{135}γ面，这些马氏体内部的孪晶是马氏体内的亚结构。在铁基合金的马氏体中存在孪晶或（和）位错,在非铁合金中一般存在孪晶或层错。由图7还可见到：在马氏体周围的母相（奥氏体）中形成密度很高的位错，这是在马氏体相变时，母相发生协作形变而形成的。

由于马氏体相变时原子规则地发生位移,使新相(马氏体)和母相之间始终保持一定的位向关系。在铁基合金中由面心立方母相γ变为体心立方(正方)马氏体M时具有著名的курдюмов-Sachs关系(简称K-S关系){111}γ∥{011}M,γ∥M和西山关系；{111}γ∥{110}M，γ∥M。由面心立方母相P变为六方马氏体ε时,则有：{111}p∥{001}ε,p∥ε。3

可逆性马氏体相变具有可逆性。当母相冷却时在一定温度开始转变为马氏体，把这温度标作Ms,加热时马氏体逆变为母相，开始逆变的温度标为As。图8中表示Fe-Ni和Au-Cd合金的Ms和As,它们所包围的面积称为热滞面积,可见Fe-Ni马氏体相变具有的热滞大,而Au-Cd则很小。相变时的协作形变为范性形变时，一般热滞较大；而为弹性形变时,热滞很小。像Au-Cd这类合金冷却时马氏体长大、增多，一经加热又立即收缩，甚至消失。因此这类合金的马氏体相变具有热弹性，称为热弹性马氏体相变。3

关系在一般合金的马氏体相变中，马氏体形成量只是温度的函数，即随着温度的下降，马氏体的形成量增大，称为变温马氏体的形成，如图9所示(图中ƒ为马氏体形成量、Tq为淬火介质的温度)。但在有些合金 (Fe-Ni-Mn)中马氏体的形成量却是时间的函数，即在一定温度下，随时间的延长，马氏体形成量增多,称为等温马氏体的形成，如图10所示(图中%指马氏体形成量)。一些高碳高合金钢,如高速钢、轴承钢，主要形成变温马氏体，但在一定条件下也能形成等温马氏体。这两类马氏体在本质上可能是一致的,不过在变温马氏体形成时母相不易继续相变(稳定化),必须降温，增加相变的驱动力才能继续形成马氏体。一定的应力和形变作为附加的驱动力，会促使马氏体的形成;但过量的形变又会阻碍马氏体相变的进行(力学的稳定化)。3

工业应用马氏体相变规律在工业上的应用，已具显著效果。除马氏体强化普遍应用于钢铁外，在钢铁热处理中还利用相变规律来控制变形，以及改善性能。人们目前对铁基合金的成分、马氏体形态和力学性质之间的关系已有较明晰的认识,具备位错亚结构的低碳型(条状)马氏体有一定的强度和良好的韧性,具备孪晶亚结构的高碳型（片状）马氏体有很高的强度但韧性很差。按此，低碳马氏体已在工业上有较大量的应用。形变热处理的应用，以及马氏体时效钢(含碳～0.02%)的创制都是利用低碳马氏体的良好韧性。图11是低碳型马氏体的光学显微镜下的金相组织;图12是低碳型马氏体的透射电子显微镜下的金相组织，可以见到内部的位错亚结构。利用马氏体相变时塑性增长，已建立了相变诱发塑性钢（TRIP钢）（见形变热处理）。

有些合金如（Au-Cd，In-Tl等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复。这现象称为“伪弹性”。图13示Ag-Cd合金的伪弹性现象。具有热弹性和伪弹性的部分合金中还具有“形状记忆效应”，即合金经马氏体相变后经过形变使形状改变，但经过加热逆变后对母相原来形状有记忆效应，会自动回复母相的原来形状，图14为形状记忆效应示意图。有的合金不但对母相形状，而且再次冷却时对马氏体形状也具有记忆效应称为“双程记忆效应”。利用这种效应制成的形状记忆合金，已可工业应用。3

研究几十年来马氏体相变的研究，从表象逐步深入到相变的本质，但是对一些根本性问题还认识得不很完整。马氏体相变时母相和新相成分相同，因此可以把合金作为单元系进行相变的热力学研究。用热力学处理来计算Ms 温度以及验证相变过程的工作还处于发动阶段。虽然从实验上可以得到相变的惯习(析)面、取向关系以及应变量，但相变过程中原子迁动的过程尚未了解。晶体学的表象理论，应用数学(矩阵)处理,预测马氏体相变过程的形状改变是均匀点阵形变、不均匀形变和刚性转动的结果；这只在Au-Cd、Fe3Pt及高镍钢和高铝钢中得到验证，对大多数合金还不完全与实验结果相符合。在某些马氏体相变前观察到物理性质异变(如弹性模量下降)揭示了相变前母相点阵振动(声学模)的软化，预相变和软模已为人们所注意。马氏体相变研究历史较久，工业上应用较广，也开始对金属和非金属的马氏体相变进行统一的研究。1