单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,UJSDai QX,*,第,5,章 钢中马氏体相变,研,究,方,法,唯象法,是马氏体相变的唯象理论，可用矩阵,等数学方法来描述切变过程及晶体学关系等,能量法,是从能量角度来分析研究马氏体相变,的形核和长大过程及形貌变化规律,结构法,是用各种显微分析手段来分析研究马,氏体相变的晶体结构和性能变化规律,本章主要从能量角度来讨论马氏体相变的热力学、,动力学和形态学的规律,.,UJSDai QX,6.1,几个基本概念,1,位移式转变,结构,转变,位移式转变,重建式转变,位移式转变是,一种通过原子的,协调移动来进行,的固态相变,相,变,特,点,不需要破坏化学键，相变位垒低，,相变速度快协调移动有两种方式：均匀点阵形变,（畸变）和原子改组（,shuffle,）,UJSDai QX,2,均匀点阵畸变,定,义,均匀点阵畸变是将一种点阵转变为另一种,点阵的均匀应变，也简称均匀切变,特,点,均匀点阵形变会改变结构，产生体积变化,和形状变化，可引起高的应变能,.,最简单的就是,Bain,应变模型,形状变化有两个分量：切变分量和膨胀分量，,其共同作用使相变产生了整体的宏观变形。
表面浮凸现象就是由于形状变化造成的UJSDai QX,3,点阵不变形变,原理,最小自由能原理,尽可能,相变体系的能量,特点,又称不均匀切变M,相变在第一次切变,后，,产生滑移或孪生滑移留下位错、,层错，孪生形成了共格,孪晶,界面这不改变已形成的点阵结构，也不改变体积，却改,变了应变能，使体系的能量对一般马氏体相变，,点阵不变形变是第二次切变,UJSDai QX,图,马氏体相变的二次切变过程,a),母相晶体；,b),点阵切变后的晶体；,c),二次滑移切变；,d),二次孪生切变,UJSDai QX,4,原子改组,5,无扩散相变,原子改组是原子在晶胞内的协调移动，这种移动并不产,生均匀点阵形变的应变如在,Ti,合金中的,相变,某些,原子靠近一点，另一些原子相对远离一点，交替进行没有总的形状变化，,应变能不重要，界面能稍有变化,原子不发生随机迁移扩散的相变称为无扩散相变当然,肯定也是位移式的无扩散相变重要的结果是使新、旧两,相具有完全相同的成分，并且组织缺陷也遗传所以从热,力学观点看，无扩散相变可当作单组元系统来处理UJSDai QX,图,Ti,合金中的,相变,(,原子改组,),图,SrTiO,3,分子结构的旋转相变,氧原子,Sr,原子,顶角为,Ti,原子,UJSDai QX,6,、马氏体相变,定,义,M,柯亨定义：,M,相变是实质上没有扩散的点阵畸,变式的组织转变，它的切变分量和最终形态变化应,足以使转变过程中动力学及形态,受应变能控制,位移式、无扩散是两个主要特征。
特,点,需要形核和过冷；,形成一个不变平面界面界面移动速率极快，,界面前有许多位错，应变能是很重要的；,新、旧相结构之间具有明显的晶体学关系当然这不是根本特征，其它许多相变也都有,.,UJSDai QX,7,、准马氏体相变,准,M,相变（,Quasimartensitic,Transformation,）和,M,相,变一样，也是以切变形变为主，但其切变量不大，因此,它的动力学和形态,基本上不受应变能所控制,这种转变也是位移式无扩散相变，位移也是以切变为,主的和,M,相变的根本区别是轴比,c/a,是连续变化的，即,意味着正方结构是从母相连续形成的，不需要形核例如：超导化合物,V,3,Si,的转变特征V,3,Si,从高温冷却,到很低温度时，具有立方结构、点阵常数为,a,的母相会转,变为正方结构相如图,6.4,所示，转变临界温度为,Tm,，,正方结构的,c,增长，而,a,则减小UJSDai QX,UJSDai QX,6.2,马氏体相变形核,1,均匀形核,分析讨论相变晶核的临界尺寸，一般有两种方法：,经典均匀,形核方法,设,G=,G,V,+,G,E,+,G,S,求,G*,相变变温,长大理论,认为体系到达相变临界温度,M,S,时,体系,中已存在许多可供相变长大的晶核,这时在,理论上相变驱动力和相变阻力是相等的,.,M,S,应满足,G,V,+,G,E,+,G,S,=0,G*,两种方法得到的临界晶核尺寸大小是有一定差别的,UJSDai QX,形成这片马氏体时，总的自由能变化为：,G,随,r,、,c,变化的曲线很复杂，呈马鞍面形状，是双曲抛物面。
分别求其偏导数，可求得,G,*,，即：,经典的均匀形核理论,:,设马氏体核心呈扁球形，,c/r,1,，如图,6.6,UJSDai QX,2,非均匀形核,位错形核,:,位错运动产生马氏体核心,;,界面位错阵列形核,;,位错应变能协助转变,层错形核,:,位错理论假定,位错可分解为两组不全位错，,当两组不全位错分离时，它们之间的结构将发生变,化若母相为面心立方结构时，层错区域为,hcp,层错区域形成的就是,hcp,马氏体的核心Olson,和,Cohen,详细定量地计算了这些位错的运动,.,UJSDai QX,面心立方结构的密排面是,111,面，不全位错在密排面上运动，根据,Cohen,和,Olson,理论,可有三种情况：,（,1,）位错原堆垛在每层,111,面上，,则不全位错在每一层,111,面上运动,（,2,）若每隔一层,111,面上存在位错,堆垛，并分解为不全位错,（,3,）若不全位错在每隔两层,111,面,上运动，,层错区域,成为孪晶,hcp,结构,马氏体,bcc,结构,马氏体,UJSDai QX,5.2,马氏体相变形态学,1,应变能和界面能的估算,过程都是遵循沿着阻力最小的途径进行的。
当,T,一定时，,G,V,是一定值,.,应变能,G,E,+,界面能,G,S,最小,.,在钢中,经计算,G,S,=14.18 J/mol,G,E,为,580 J/mol,，,G,V,大约在,-,1213 J/mol,界面能,G,S,远小于,G,E,UJSDai QX,2,能量和形貌的关系,设马氏体为扁球形，半径为,r,，厚度为,c,，则其体积和表面积可求得采用变温长大理论,所以，该马氏体片的非化学自由能变化为：,那么，单位体积马氏体的非化学自由能变化为：,(6.10),A,为切变应变能因子,是形变的切变分量，,n,是形变的膨胀分量UJSDai QX,r,、,c,称,为,形状参数,，,、,A,为,能量参数,当,M,的体积不变时，可求得满足为最小值的关系借助于偏微分有：,(6.12),(6.13),UJSDai QX,将式,(6.12),代入式,(6.13),，则得：,(6.15),将式,(6.15),代入式,(6.10),，则可得,UJSDai QX,分析讨论：,（,1,）从式（,6.15,）知：,越小或,A,越大，则,c,2,/r,越小，易形成扁的透镜状马氏体，趋近于薄圆盘状即,对于不同成分的合金，由于,或,A,不同，得到的透镜状马氏体的长、短轴之比是不同的；,（,2,）从,（,6.16,）,知：当,A,一定时，,c/r,值越小，则,(,G,N,),min,越小，扁的透镜状马氏体易形成。
当然有一定限度,c 0,即,对一定成分的合金，形成的马氏体尽可能地取扁的透镜状；,(6.16),UJSDai QX,（,3,）对于给定的,(,G,N,)min,，一定有一个最适合的,c/r,值在一定条件下，形成的马氏体也有一定的,c/r,值,;,（,4,）,G,N,是由,G,V,来平衡的，即相变阻力是由化学自由能来克服的G,V,的绝对值大，,A,基本不变时，,c/r,也大不同成分的合金因为,G,V,不同，所以形成的马氏体形貌也不同,显然，,G,V,较小时，易形成板条状；,G,V,较大时，易形成透镜状定量地说，,1256 J/mol,时，易形成透镜状如在含,0.4%1.2%C,的钢中，由于高碳合金钢的,G,V,较大，所以形成了以透镜状为主的马氏体；,UJSDai QX,（,5,）求,C*,和,r*,当,时，马氏体核心长大其临界状态为,=,对应的温度就是,Ms,阻力应等于驱动力,将式（,6.15,）代入式（,6.16,）可得：,马氏体形状处决于化学自,由能和应变能量参数,A,UJSDai QX,5.3 -,马氏体相变,1,、层错能概念,层错能,:,由测量层错宽度，根据位错理论推导的公式计算的,能量值为层错能,.,表示为,SF,或,SEF,.,层错形核能,:,层错的存在使体系能量的变化值，,G,SFE,合金元素对层错能的贡献,有些合金元素的作用于并非是线性的，合金元素间还有,交互作用。
0,是虚拟的纯,-Fe,在室温时的层错能,.,UJSDai QX,对于奥氏体,根据合金元素的性质和各研究者的试验结果，经计算机处理得到：,(MJ/m,2,)=,+1.59Ni 1.34Mn+0.06Mn2,1.75Cr+0.01Cr2+15.21Mo5.59Si 60.69(C+1.2N),2,+26.27(C+1.2N)(Cr+,Mn,+Mo),1/2,+,0.61Ni(Cr+Mn),1/2,合金元素对层错能的作用是较复杂的除合金元素本身的作用规律外，还有合金元素间的交互作用，并且这种交互作用的影响是较大的，不可忽略主要有,Cr,、,Mn,等碳化物形成元素和,C,、,N,间的交互作用，,Ni,和,Cr,、,Mn,间的交互作用合金元素的交互作用往往提高了,层错能,这可解释以前文献研究结果的矛盾,.,UJSDai QX,图,SF,计算值和实验值,UJSDai QX,(a)(C+1.2N),对,SF,的影响,(b)Cr,对,SF,的影响,UJSDai QX,(a),Mn,对,SF,的影响,(b)Ni,对,SF,的影响,UJSDai QX,N,和,C(,均为,0.4wt%),在不同温度下对,18Cr16Ni10Mn,钢层错能的影响,N,对,18Cr16Ni10Mn,钢层错能的影响,UJSDai QX,2,、,-,马氏体形貌特征,-M,是重要相变类型之一。
M,分布有严格的取向，惯习面是（,111,）狭长的,-M,片可贯穿整个奥氏体晶粒，不穿过晶界，但可以在晶界另一侧的晶粒中诱发出新的,片之间可以交叉，穿过片不穿过孪晶界相金相组织特征可分为五种形态,A),简单交叉成一定的角度的字形,分布；,B),网格状的,分布；,C),平行的,线条；,D),区域内接近正交的,分布；,E),和,F),两侧成对称分布的羽毛状分布UJSDai QX,-,马氏体形貌金相特征,UJSDai QX,拉伸形变的,-,马氏体形貌特征,UJSDai QX,冲击断裂后断口形貌特征,UJSDai QX,冲击断裂后断口形貌微观特征,UJSDai QX,3,、奥氏体层错能与马氏体相变,A,在低温下可能发生,、,、,相变,层错对这些,M,相变类型、,相变临界点、,N,形态及亚结,构都有一定的影响，甚至会,改变相变机制,Cohen,、,Olsen,提出了在某些钢中马氏体相变的层错形核,机制把层错区当作马氏体相变的晶胚Sato,等研究,Fe-18Cr-14Ni,不锈钢，建立了化学自由能和层,错能间的微分关系式，但未能揭示出直接联系徐祖耀从热力学证明了低层错能材料的层错形核机制，认,为相变驱动力与层错能有关。
Breedis,等认为相变驱动力随层错能的增加而单调增加我们在热力学上从层错能及相变临界温度的相对变化角,度讨论低温奥氏体钢的各类马氏体相变UJSDai QX,根据变温长大理论，相变阻力主要为应变能,G,E,和界,面能,G,S,，,根据最小阻力原理，,(G,E,+G,S,),应为最小,根据位错理论，,(,G,N,)min,就是习惯上从研究者测定层错宽度所得到的层错能,.,UJSDai QX,为量纲统一，可表示为：,式中，,d,为层错所在滑移面的面间距，,n,为相变核心中的层错密排面层数因为,hcp,马氏体是每隔一层密排面为一层错，所以厚度,c=。