[科普中国]-块型相变

简介

块状转变最早是在某些有色金属、纯铁和铁基合金中发现的。它的特征是新旧两相晶体结构发生改变，但没有或很少有成分变化。新相一般呈块状，但也可能呈规则的条状或片状。块状转变时不出现表面浮凸效应，新旧相间也不具有一定的位向关系。一般认为，块状转变是热激活的，它遵循形核和长大规律。新相形核常发生在母相的晶界。块状转变虽是以原子不相协作方式，但通过非共格界面进行短程扩散后，母相即直接形成同成份新相。因此，块状转变具有无扩散相变的某些特点。但又不同于马氏体转变。2

在铜和铝、锌、镓、锗等金属形成的合金中，块型相变发生在相当窄的成分范围，而有时候（但并不总是如此）可被快速淬火所抑制（Massalski 1958发现），新生长出来的晶体在晶界形核，常常穿过高温相的原始晶界，所以生长机理必然是热激活的，相界面必然是非共格的。既然没有长程扩散，可以推测生长是界面控制的。电影照相技术研究表明，在加热和冷却时均可发生块型相变，大部分相变是由易弯曲的晶界传播所完成的，这种晶界以可变的速率移动，且能穿过原始晶粒间界。所以这种生长方式可以比作再结晶或晶粒长大，生长速度比涉及长程扩散的反应高几个数量级。看来生长受到两种障碍物的影响，一种是预先存在的沉淀物、杂质粒子和晶体缺陷，这些障碍物使运动着的晶界改变方向，另一种是由于相变时的体积变化，使相界面前方的母相中开始的滑移。这种范性形变有时阻止相界面运动，可使某些界面变平。它可能也是造成曾经观察到的陂陛型生长的部分原因。Kittl和Massalski断定，新相的生长可以和母相具有取向关系，也可以没有取向关系，在相变期间也出现某些特殊的形貌，例如孪晶的生长。

冷却过程中块型相变的产物可能是平衡相，但常常是平衡相图的一种过饱和相。在相变期间，需要有几个原子间距的热激活迁移，非共格的界面可能促进这种迁移。如果没有预先存在的晶核，那么只有当驱动力达到相当大的值，足以允许非共格界面的新相形核，但又不至于引起马氏体型的反应时，才会开始发生这种相变。所以冷却速度必须足够快，以阻止借助于长程扩散分解为平衡相，但又不要太快，以免使热激活生长变得不可能。在某种意义上说，块型相变在动力学上介于平衡反应和可能的马氏体相变之间。在纯金属中，它只不过是一种普通的形核和长大相变。

在某些情况下，发生块型相变的条件很苛刻，这可用钢锌合金中的α→β块型相变来说明，先将这种合金淬火，随后脉冲加热到反应温度。人们发现，块型相变仅发生在平衡相图的单相区，有人认为，这是因为相变从已经存在的小的口区域开始，这些小区域在淬火过程中已经形成，并且已经把锌原子排斥到周围的母相中去。1

发现过程Greninger首先在铜－铝合金中采用了这个名称。这个术语起源于新相的金相形貌，新相常常由大的不规则的块状或晶粒组成，它们有时具有直的晶粒边界，即使晶粒并不具有特殊的形状。不过这种形貌上的定义已经导致相当的混乱，因为某些马氏体产物是由一组互相平行的片或板条组成的，例如在低镍的铁－镍合金中，而在金相组织上常常不能够区别出单个的板条．Owen等（1964）把这种结构的金相形貌描述为块型马氏体，这种形貌与本节讨论的非马氏体型的块型相变相似．对这种马氏体产物还提出了另外一些名称，包括自协调马氏体和板条马氏体，但这些不同的分类不一定互相等价。

在铁合金和铜合金中块型相变和马氏体相变发生在同样的成分范围，而观察到的结构有时可能是由两种独立的反应机理的产物构成的混合物，这就增加了困难。假如完全放弃“块型”这个词，可能混乱会小一些，但是，对于合金中有热激活的多形性相变，看来使用这个名词已普遍为大家所接受。

块状转变与马氏体转变的比较由克里斯琴指出的马氏体转变的中心特征之一是，马氏体转变的发生是由于存在着一种可使新相形成而无需原子扩散的易长大机制。因此，了解奥氏体一马氏体界面上位错组态的性质是了解马氏体反应中的非常重要的部分。正是因为在两种特定的晶体结构之间可以存在某种特殊的排列，两种结构间的转变才能按马氏体方式进行。在几乎所有的马氏体中，界面结构及由之引起的快速长大机制似乎都基本上相同。尽管不同马氏体的特性不同，这一点确是如此，包括变温、等温、热弹性、板条状、片状。

当将一个合金很快地避过一种固态相变淬冷到低温区时，往往可能完全抑制低温平衡相或任何低温亚稳相的形成。不过，如果低温相以马氏体方式形成，则即使采用最大可能的淬冷速度，也不能抑止这种转变。有时发现在快冷时，会形成一种低温相。由于新相具有短粗的形貌，这类转变叫做块状转变（massive transformation）。转变产物的形貌和大多数快速长大转变中的片状或针状形貌很不相同。块状转变的主要特征如下：

母相与新相具有相同的成份（无扩散）。

长大速度快，但没有马氏体那样快。

在自由表面上没有象马氏体那样的形状变化。

因此，在新相快速形成和无成份变化上，块状转变和马氏体转变相似。然而，却不存在马氏体转变时的快速长大机制，而仅是由于大的驱动力造成了大角晶界的迅速迁移。 这个驱动力ΔSfΔT（其中ΔT为无扩散型转变的Tf以下的过冷度）一般比马氏体反应者为小。在某些系统中，块状转变将在较小的过冷度下发生，而马氏体转变在较大的过冷度下进行。这就是低碳钢中的情况。

总而言之，如将一个合金在通过一个固态相变温度范围被激烈地淬冷时，存在着许多可能性：

高温相被保持到淬冷温度，成为亚稳定相。

通过拐点分解或均匀形核形成亚稳定相的小颗粒。

形成快速长大的析出相如魏氏组织型侧片或贝氏体。

由块状转变形成一个低温相。3