馬氏體相變

馬氏體相變

馬氏體最初是在鋼中發現的:將鋼加熱到一定溫度後經迅速冷卻,得到的能使鋼變硬、增強的一種淬火組織。1895年法國人奧斯蒙為紀念德國冶金學家馬滕斯,把這種組織命名為馬氏體。人們最早只把鋼中由奧氏體轉變為馬氏體的相變稱為馬氏體相變。20世紀以來,對鋼中馬氏體相變的特徵累積了較多的知識,又相繼發現在某些純金屬和合金中也具有馬氏體相變,如:Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr、和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前廣泛地把基本特徵屬馬氏體相變型的相變產物統稱為馬氏體。馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體,這個面稱為慣習(析)面。

慣習面

馬氏體相變馬氏體相變

馬氏體相變時在一定的母相面上形成新相馬氏體,這個面稱為慣習(析)面,它往往不是簡單的指數面,如鎳鋼中馬氏體在奧氏體(γ)的{135}上最先形成(圖7)。馬氏體形成時和母相

的界面上存在大的應變。為了部分地減低這種應變能,會發生輔助的變形,使界面改變如圖7中由{135}變為{224}面。圖7中馬氏體呈透鏡狀,它具有中脊面,是孿晶密度很高的面,即{135}γ面,這些馬氏體內部的孿晶是馬氏體內的亞結構。在鐵基合金的馬氏體中存在孿晶或(和)位錯,在非鐵合金中一般存在孿晶或層錯。由圖7還可見到:在馬氏體周圍的母相(奧氏體)中形成密度很高的位錯,這是在馬氏體相變時,母相發生協作形變而形成的。

由於馬氏體相變時原子規則地發生位移,使新相(馬氏體)和母相之間始終保持一定的位向關係。在鐵基合金中由面心立方母相γ變為體心立方(正方)馬氏體M時具有著名的курдюмов-Sachs關係(簡稱K-S關係){111}γ∥{011}M,<01ī>γ∥<ī11>M和西山關係;{111}γ∥{110}M,<211>γ∥<110>M。由面心立方母相P變為六方馬氏體ε時,則有:{111}p∥{001}ε,<110>p∥<110>ε。

工業套用

馬氏體相變馬氏體相變
馬氏體相變馬氏體相變

馬氏體相變規律在工業上的套用,已具顯著效果。除馬氏體強化普遍套用於鋼鐵外,在鋼鐵熱處理中還利用相變規律來控制變形,以及改善性能。人們目前對鐵基合金的成分、馬氏體形態和力學性質之間的關係已有較明晰的認識,具備位錯亞結構的低碳型(條狀)馬氏體有一定的強度和良好的韌性,具備孿晶亞結構的高碳型(片狀)馬氏體有很高的強度但韌性很差。按此,低碳馬氏體已在工業上有較大量的套用。形變熱處理的套用,以及馬氏體時效鋼(含碳~0.02%)的創製都是利用低碳馬氏體的良好韌性。圖11是低碳型馬氏體的光學顯微鏡下的金相組織;圖12是低碳型馬氏體的透射電子顯微鏡下的金相組織,可以見到內部的位錯亞結構。利用馬氏體相變時塑性增長,已建立了相變誘發塑性鋼(TRIP鋼)(見形變熱處理)。

有些合金如(Au-Cd,In-Tl等)在受一定應力時會誘發形成馬氏體,相應地產生應變,應力去除後馬氏體立即逆變為母相,應變回復。這現象稱為"偽彈性"。圖13示Ag-Cd合金的偽彈性現象。具有熱彈性和偽彈性的部分合金中還具有"形狀記憶效應",即合金經馬氏體相變後經過形變使形狀改變,但經過加熱逆變後對母相原來形狀有記憶效應,會自動回復母相的原來形狀,圖14為形狀記憶效應示意圖。有的合金不但對母相形狀,而且再次冷卻時對馬氏體形狀也具有記憶效應稱為"雙程記憶效應"。利用這種效應製成的形狀記憶合金,已可工業套用。

研究

馬氏體相變馬氏體相變

幾十年來馬氏體相變的研究,從表象逐步深入到相變的本質,但是對一些根本性問題還

認識得不很完整。馬氏體相變時母相和新相成分相同,因此可以把合金作為單元系進行相變的熱力學研究。用熱力學處理來計算Ms 溫度以及驗證相變過程的工作還處於發動階段。雖然從實驗上可以得到相變的慣習(析)面、取向關係以及應變數,但相變過程中原子遷動的過程尚未了解。晶體學的表象理論,套用數學(矩陣)處理,預測馬氏體相變過程的形狀改變是均勻點陣形變、不均勻形變和剛性轉動的結果;這只在Au-Cd、Fe3Pt及高鎳鋼和高鋁鋼中得到驗證,對大多數合金還不完全與實驗結果相符合。在某些馬氏體相變前觀察到物理性質異變(如彈性模量下降)揭示了相變前母相點陣振動(聲學模)的軟化,預相變和軟模已為人們所注意。馬氏體相變研究歷史較久,工業上套用較廣,也開始對金屬和非金屬的馬氏體相變進行統一的研究。

參考書目

徐祖耀:《馬氏體相變與馬氏體》,科學出版社,北京,1980。 Z. Nishiyama,Martensitic Transformation,Academic Press, New York, 1978.

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Morris Cohen & C. M. Wayman,Metallargical Treatise,中美冶金會議論文集ed. by J.K.Tien,J.F.Elliott, Met.Soc.AIME.,pp.445~466,1981.

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