热弹性马氏体相变是什么？

热弹性马氏体相变是什么？

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自20世纪以来，马氏体相变在钢中积累了更多的知识，并发现马氏体相变也存在于一些纯金属和合金中，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等等。目前，基本特征属于马氏体相变的相变产物被广泛称为马氏体。当马氏体相变时，新相马氏体形成在一定的母相表面，称为习惯（分析）表面。

什么是马氏体？

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相变特征和机制

马氏体相变具有热效应和体积效应，相变过程是形核和生长过程。但目前还没有完整的模型来形成核心和生长。马氏体通常生长得更快，有些甚至高达105cm·s-1.人们认为母相中的晶体缺陷（如位错）组态对马氏体形核有影响，但实验技术无法观察到相界面上位错的组态，因此无法看到马氏体相变的全貌。其特点可概括如下：

马氏体相变是无扩散相变之一。相变过程中，不穿越界面的原子不规则行走或顺序跳跃。因此，新相（马氏体）继承了母相的化学成分、原子序态和晶体缺陷。在马氏体相变过程中，原子定期保持相邻原子之间的相对关系,这种位移是切变的(图1)。原子位移的结果产生点阵应变(或变形)(图2)。这种切变位移不仅改变了母相点阵的结构，还改变了宏观的形状。先在抛光样品的表面画一条直线，如图3所示a中的PQRS，如果样品的一部分(A1B1C1D1-A2B2C2D2)马氏体相变(形成马氏体)),则PQRS直线折成PQ、QR'及R'S'连接三段的直线,两相界面的平面A1B1C1D1及A2B2C2D2.保持不应变和不旋转，称为习惯(分析)表面。这种形状变化称为不变平面应变(图3)。形状变化使先抛光的样品表面形成浮突。从图4可以看出,图5显示了高碳钢马氏体的表面浮突,可见马氏体形成,与马氏体相交的表面倾斜,浮突的高度和完整尖锐的边缘(图6)可以在干扰显微镜下看到。

马氏体习惯(分析)面

当马氏体相变时，新相马氏体形成在一定的母相表面，称为习惯（分析）表面，通常不是一个简单的指数表面，如镍钢中的马氏体(γ){135}首先形成(图7)。当马氏体形成时，与母相界面有很大的应变。为了部分降低这种应变能量，辅助变形将界面从图7中的{135}改为{224}表面。图7中，马氏体呈透镜状，具有中脊表面，是双晶密度高的表面，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,双晶或层错通常存在于非铁合金中。从图7也可以看出，马氏体周围的母相（奥氏体）形成密度较高的位错，这是在马氏体相变时形成的。

原子在马氏体相变时定期位移,使新相(马氏体)和母相始终保持一定的位向关系。在铁基合金中，它以从面心立方母相γ到体心立方(正方)马氏体M而闻名урдюмов-Sachs关系(简称K-S关系){111}γ∥{011}M,<01ī>γ∥<ī11>M与西山关系；{111}γ∥{110}M，<211>γ∥<110>M。当面心立方母相P变为六方马氏体时,则有：{111}p∥{001}ε,<110>p∥<110>ε。

马氏体相变的可逆性

马氏体相变是可逆的。当母相冷却时，它开始在一定温度下转化为马氏体，并将其标记为Ms,加热时，马氏体逆变为母相，开始逆变的温度标记为As图8中表示Fe-Ni和Au-Cd合金的Ms和As,它们周围的区域称为热滞区域,可见Fe-Ni马氏体相变具有热滞大,而Au-Cd它很小。当相变时合作变形变为范性变形时，一般热滞较大；弹性变形时,热滞很小u-Cd当这种合金冷却时，马氏体生长并增加，一旦加热，就会立即收缩甚至消失。因此，这种合金的马氏体相变具有热弹性，称为热弹性马氏体相变。

马氏体转体的温度－时间关系

在一般合金的马氏体相变中，马氏体的形成量只是温度函数，即随着温度的下降，马氏体的形成量增加，称为变温马氏体的形成，如图9所示?为马氏体形成量、Tq淬火介质的温度)。但是有些合金

(Fe-Ni-Mn)马氏体的形成量是时间的函数，即马氏体的形成量随着时间的延长而增加,如图10所示，称为等温马氏体的形成％指马氏体形成量)。一些高碳高合金钢,例如，高速钢和轴承钢主要形成变温马氏体，但等温马氏体也可以在一定条件下形成。这两种马氏体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),为了继续形成马氏体，必须冷却并增加相变的驱动力。一定的应力和变形作为附加驱动力，会促进马氏体的形成；但过度变形会阻碍马氏体变形（机械稳定性）。

工业应用

马氏体相变规律在工业中的应用已经取得了显著的效果。除了马氏体强化在钢铁中的广泛应用外，相变规律还用于控制变形，提高钢铁热处理中的性能。目前，人们对铁基合金的成分、马氏体形态和力学性质有着清晰的认识,低碳型(条状)马氏体具有位错亚结构，具有一定的强度和良好的韧性,双晶亚结构的高碳(片状)马氏体强度高，但韧性差。因此，低碳马氏体在工业上得到了广泛的应用。马氏体时效钢(含碳)形变热处理的应用～0.02％)创造是利用低碳马氏体的良好韧性。图11是低碳马氏体光学显微镜下的金相组织；图12是低碳马氏体透射电子显微镜下的金相组织，可以看到内部位错亚结构。利用马氏体相变时的塑性增长，建立了相变诱导塑性钢（TRIP钢)(见形变热处理)。

有些合金如（Au-Cd，In-Tl等）马氏体一定应力时，会诱发马氏体的形成，产生相应的应变。应力去除后，马氏体立即逆变为母相，应变反应。这种现象被称为伪弹性。图13显示Ag-Cd合金的伪弹性现象。一些具有热弹性和伪弹性的合金也具有形状记忆效应，即合金变形后变形，但加热逆变后对母相原始形状有记忆效应，会自动回复母相原始形状。图14为形状记忆效应示意图。有些合金不仅对母相形状有记忆效应，而且在再次冷却时对马氏体形状有记忆效应，称为双程记忆效应。由此效应制成的形状记忆合金可用于工业应用。

研究马氏体相变

相变过程的温度和验证仍处于启动阶段。虽然相变的习惯（分析）表面、取向关系和应变量可以从实验中获得，但原子迁移的过程尚未理解。晶体表象理论，应用于数学（矩阵）处理,预测马氏体相变过程的形状变化是均匀点阵变形、不均匀变形和刚性旋转的结果；这只是Au-Cd、Fe3Pt并验证了高镍钢和高铝钢，大多数合金并不完全符合实验结果。在一些马氏体相变之前，观察到物理性质的变化（如弹性模量下降）揭示了相变前母相点阵振动（声学模型）的软化，预相变和软模型引起了人们的关注。马氏体相变研究历史悠久，广泛应用于工业中，并开始统一研究金属和非金属的马氏体相变。