[科普中国]-马氏体转变

研究简史

19世纪中叶，英国人索尔拜（H.C.Sorby）首次用显微镜观察了淬硬钢的金相组织，后对此种针状组织物命名为马氏体。图1示出高碳钢淬火态的金相组织，针状物（其空间形态为板片状）为马氏体，基底为残留奥氏体。20世纪20年代，美国人芬克（W.L.Fink）和苏联人库尔久莫夫（Г.В.Курдюмов）分别用X射线衍射技术确定了钢中马氏体的本质：体心正方结构，碳在a-Fe中的过饱和固溶体，奥氏体在非平衡（大过冷）条件下转变成的一种介稳相。到50年代，不但积累了大量有关钢中马氏体转变的技术资料，而且还发现在一系列有色合金及某几种纯金属中也发生相似的转变。在此基础上，逐渐认识到，以钢中马氏体形成为代表的相变，是一种与历来了解的固态扩散型晶型转变具有本质区别的固态一级相变——非扩散的晶型转变，定名为马氏体转变。各种合金系中经马氏体转变形成的低温产物皆称为马氏体，如钛合金中马氏体、铜合金中马氏体等。马氏体转变是金属热处理时发生的相变的基本类型之一，对钢的强化热处理及形状记忆合金的应用技术具有重要意义。

马氏体转变特征马氏体转变的主要特征为：

（1）宏观形状效应。不但有体积变化，而且有形状变化。如图2所示，在母相的自由表（平）面上，转变成马氏体的那块面积发生一定角度的倾斜，并仍保持为平面。由此带动邻近的母相呈山峰状凸起（另一侧下凹），原始态表面的直线刻痕转入新相后仍为直线，在界面处不断开，保持连续。

（2）非扩散。生成相与母相成分相同，以共格或半共格界面为生长相界面，故不存在相界面迁移的热激活机制。形核率和长大速度皆与扩散型转变的热动力学处理结果显著不符。

（3）惯习现象。生成相的片、板的空间取向不是任意的，而是平行于母相的某个晶面（称为惯习面）。作为母相的一个原子面，惯习面在相变过程中既不畸变，也不转动，是不变平面。图3是对图2的局部作进一步标注，a′b′ab面发生转动，面积也有变化;但AB线段长度不变，方向也不变。作为母相的一个原子面，ABCD在相变过程中既无畸变，又不转动，连位置都没有变化（称中脊面）。a′b′c′d′和abcd两面仅有平移，无畸变及转动。惯习面是母相中与ABCD同族的晶面，马氏体片只能在这族晶面的空间方位产生。

（4）不变平面应变。根据上述诸特征，如平面在相变后仍为平面、非扩散、共格性，尤其具有不变平面（惯习面），判定马氏体转变是以不变平面应变的方式（而不是界面原子热激活跃迁的方式）进行晶格类型的改组。

（5）严格的晶体学关系。这是新相生长时迁移界面与母相共格的必然结果。铁碳合金的面心立方（γ）→体心正方（α′）马氏体转变，为著名的K-S关系，即（111）γ∥（011）α′，[101]γ∥[111]α′。

（6）伴生特定的晶体缺陷亚结构。马氏体中亚结构有位错、孪晶和层错三类，典型的亚结构形貌如图4。

马氏体的形成条件要得到马氏体组织，必须把钢加热到奥氏体状态，然后以大于临界冷却速度的冷速冷却到Ms点以下温度。所以马氏体的形成条件是一定的冷速（大于临界冷却速度）和深度过冷（低于Ms点）。大于临界冷却速度是为了抑制珠光体转变（或贝氏体转变）;深度过冷是为了保证系统自由能的降低，以便为马氏体的形成提供足够的相变驱动力。1

分类马氏体转变按动力学特征可以分为4大类。

（1）变温马氏体转变。马氏体形成量仅取决于冷却到达（Ms以下）的温度，而与保温时间或冷却速度无关。同一合金系中成分不同的合金，虽然Ms值不同，但马氏体形成量（f，体积分数）与（Ms-Tq）的关系相同。

（2）等温马氏体转变。少数铁基马氏体转变具有类似扩散型相变的动力学特征，在Ms以下有孕育现象，转变速度与温度之间具有带极大值的函数关系。

（3）爆发型马氏体转变。某些Ms点很低的合金，当冷却到达Ms时，发生爆发式形核和爆发式生长，在瞬间形成大量的马氏体。爆发后继续冷却时，动力学呈现变温特性。

（4）热弹性马氏体转变。动力学曲线与变温型马氏体类同，但相变具有可逆性，并且以相界面随温度升降双向可逆的迁移实现正、逆反应。热弹性马氏体转变与前述3类的根本性区别，在于不存在爆发式生长，而是一种变温生长机制。形核后，随温度下降相界面向高温相（p）推移，至温度停止下降或遇到障碍物（如晶界）时停止推移。逆转变是上述行为的反向，即随温度上升界面向马氏体中推移，直至马氏体片消失。对于一片马氏体而言，正逆过程可循环往复进行。As与Mf越接近（相应地，Af与Ms也越接近）的合金，在整个转变温度范围内马氏体的消长与温度升降越接近于同步。2