馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制

馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制馬氏體轉(zhuǎn)變機(jī)制（一）馬氏體轉(zhuǎn)變的形核理論1、 經(jīng)典形核理論自從發(fā)展了馬氏體的等溫轉(zhuǎn)變以后，人們便提出馬氏體轉(zhuǎn)變也是一個(gè)形核及核長(zhǎng)大過(guò)程，并用經(jīng)典相變理論來(lái)分析馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程。按這種處理，馬氏體轉(zhuǎn)變可以被看作為單元系的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。根據(jù)經(jīng)典相變理論，計(jì)算出Fe-30%Ni（原子百分比）合金，在MS點(diǎn)（233K）時(shí)的臨界晶核尺寸為，半徑rc=490?，中心厚度Cc=22?，臨界形核功為G=5.4x108J/mol。按經(jīng)典形核理論，形核功是由系統(tǒng)能量起伏提供的，但是在如此低的溫度下要靠原子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得這樣大的激活能是很困難的。另外按經(jīng)典相變理論提出的馬氏體長(zhǎng)大激活能為2510~4184J/mol，但實(shí)際上馬氏體長(zhǎng)大的激活能很小，幾乎為零。因此，可以說(shuō)用經(jīng)典相變理論來(lái)處理馬氏體相變是不合適的。2、 馬氏體形核的位錯(cuò)理論馬氏體核胚在合金中是不均勻分布的，而是在其中一些有利的位置上優(yōu)先形核。試驗(yàn)：把小顆粒（100pm以下）的Fe-Ni-C合金，奧氏體化后，淬火到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，觀察合金粒中馬氏體轉(zhuǎn)變的情況，結(jié)果如下圖所示。由此可見(jiàn)，合金的成核是很不均勻，在某些顆粒中有利于成核的位置很少，所以需要有更大的過(guò)冷度才能產(chǎn)生馬氏體。合金中有利于成核的位置是那些結(jié)構(gòu)上的不均勻區(qū)域，如晶體缺陷、內(nèi)表面（由夾雜物造成）以及由于晶體成長(zhǎng)或塑性變形所造成的形變區(qū)等。這些〃畸變胚芽〃可以作為馬氏體的非均勻核心，通常稱(chēng)之為馬氏體核胚。目前一般認(rèn)為在奧氏體中已預(yù)先存在具有馬氏體結(jié)構(gòu)的微區(qū)，這微區(qū)是在高溫下母相奧氏體中的某些與各種晶體缺陷有關(guān)的有利位置，通過(guò)能量起伏及結(jié)構(gòu)起伏形成的。這些微區(qū)隨溫度降低而被凍結(jié)到低溫。從高溫凍結(jié)下來(lái)的馬氏體核胚有大有小，尺寸各不相同。在馬氏體降溫轉(zhuǎn)變過(guò)程中，在不同的溫度，就有不同尺寸的馬氏體核胚可以達(dá)到臨界晶核尺寸，這部分馬氏體就會(huì)迅速長(zhǎng)大，而尺寸較小的核胚達(dá)不到臨界尺寸，就不能長(zhǎng)大，若使馬氏體轉(zhuǎn)變得以進(jìn)行，就必須繼續(xù)降低溫度，使尺寸更小的核胚達(dá)到臨界尺寸此即馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁粗挥性谶B續(xù)降溫過(guò)程中才能進(jìn)行的解釋。至于馬氏體轉(zhuǎn)變的等溫形成，可做如下解釋?zhuān)诘葴乇３謺r(shí)，尺寸接近臨界晶核的馬氏體核胚，可以通過(guò)熱激活長(zhǎng)大到臨界尺寸，使馬氏體在等溫條件下也能形成。關(guān)于鋼中馬氏體核胚的結(jié)構(gòu)模型，學(xué)說(shuō)較多，見(jiàn)解釋也不統(tǒng)一，目前發(fā)展還不成熟。現(xiàn)在只介紹一些一般性的知識(shí)，以便對(duì)這個(gè)問(wèn)題有個(gè)初步的了解。要說(shuō)明馬氏體核胚的結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于說(shuō)明奧氏體和馬氏體兩相交界面的結(jié)構(gòu)情況，即說(shuō)明奧氏體與馬氏體是如何構(gòu)成共格界面的。Frank界面結(jié)構(gòu)模型：Frank最早建議，奧氏體與馬氏體的交界面平行于慣習(xí)面（225）Y。按K-S關(guān)系，這兩種點(diǎn)陣以（225）丫為界面時(shí)，（111）Y和（110）a'應(yīng)相互平行，但鋼中馬氏體馬氏體和奧氏體的位向關(guān)系并不嚴(yán)格符合K-S關(guān)系，因?yàn)閧111}Y和{110}a'的晶面間距不相等，對(duì)a-Fe，它們相差1.6%，對(duì)于各種鋼，相差0.5~2%，并且總是奧氏體的晶面間距較大些，為了使兩個(gè)相的晶面能夠一一對(duì)應(yīng)地聯(lián)接起來(lái)，F(xiàn)rank提出，這兩個(gè)面并不嚴(yán)格地平行，而是有一個(gè)很小的交角中，中角的大小和G-T關(guān)系中的測(cè)量結(jié)果相符，即接近1°,這樣兩個(gè)面便有可能一一對(duì)應(yīng)的聯(lián)接起來(lái)。但是僅僅（111）Y和（110）a'面對(duì)接后，還不等于兩相界面完全共格，因?yàn)榘碖-S關(guān)系，在慣習(xí)面（225）y上的丫］011［方向應(yīng)和相鄰接馬氏體點(diǎn)陣的a'］111［方向一一對(duì)應(yīng)連接，而這個(gè)方向上兩個(gè)點(diǎn)陣的原子間距也為完全相同，相差1~2%，所以，為使這兩個(gè)原子列上的原子能夠一一對(duì)應(yīng)，F(xiàn)rank設(shè)想在相變時(shí)，還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹椥宰冃魏退苄宰冃蝸?lái)調(diào)整，這樣共格界面便完全建立起來(lái)了。這樣，在界面上每隔六列原子便會(huì)形成一個(gè)螺型位錯(cuò)，在馬氏體片的另一邊界面上，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)相同，不過(guò)螺型位錯(cuò)的符號(hào)相反，上下兩端由正或負(fù)的刃型位錯(cuò)連接起來(lái)，構(gòu)成位錯(cuò)圈，馬氏體核胚便被包圍在圈內(nèi)。3模型Knapp（克耐譜）和Dehlinger（德林杰）根據(jù)Frank界面結(jié)構(gòu)模型設(shè)想，馬氏體核胚為薄扁圓片狀，其周?chē)梢幌盗写笮〔坏鹊奈诲e(cuò)圈所環(huán)繞，如圖所示。該模型的界面即為慣習(xí)面（225）y（即{734}a'），界面兩側(cè)保持K-S關(guān)系。在（225）丫界面上每隔六個(gè)（111}Y或{110}/面有一個(gè)平行于y]011[方向的螺型位錯(cuò)。在一側(cè)界面為左螺旋位錯(cuò)，另一側(cè)界面則為右螺旋位錯(cuò)，在頂端則為正負(fù)刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)組成位錯(cuò)圈。位錯(cuò)圈的擴(kuò)張使馬氏體核胚在Y]011[及[225]y方向長(zhǎng)在，在Y]455[方向上長(zhǎng)大則需形成新的位錯(cuò)圈。當(dāng)母相與馬氏體體積自由能之差足以補(bǔ)償位錯(cuò)圈擴(kuò)張及形成新位錯(cuò)圈所增加的界面能、彈性能以及使點(diǎn)陣切變所需的能量時(shí)，位錯(cuò)圈就急劇擴(kuò)張長(zhǎng)大馬氏體。使用K-D模型的前提條件是，在T0溫度以上已經(jīng)有馬氏體核胚存在于奧氏體中，淬火時(shí)核胚被凍結(jié)下來(lái)，尺寸有大有小，不需克服形核勢(shì)壘。（二）馬氏體轉(zhuǎn)變的切變模型自1924年Bain開(kāi)始，人們便根據(jù)馬氏體相變的特征設(shè)想了各種相變的切變機(jī)制，下面按照發(fā)展的先后順序，介紹幾個(gè)有代表性的切變模型。1、Bain模型早在1924年Bain就注意到，可以把面心立方點(diǎn)陣看成是軸比為”=1.41（即1:2）的體心正方點(diǎn)陣，同樣，也可以把穩(wěn)定的體心立方點(diǎn)陣的鐵素體看成是體心正方點(diǎn)陣的，其軸比等于1。因此，只要把面心立方點(diǎn)陣的C軸壓縮，而把垂直于C軸的其它兩個(gè)軸拉長(zhǎng)，使軸比為1,就可以把面心立方點(diǎn)陣變成體心立方點(diǎn)陣。馬氏體即為這兩個(gè)極端狀態(tài)之間的中間狀態(tài)，因?yàn)轳R氏體中有間隙溶解的碳，所以其軸比不能等于1,一般隨碳含量的變化，馬氏體的c/a（正方度）在1.08~1.00之間變化。因此，在無(wú)碳的情況下，期望c/a從1.41變成1.00。按Bain模型，在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，原子的相對(duì)位移很小，面心立方點(diǎn)陣改建為體心立方點(diǎn)陣時(shí)，奧氏體與馬氏體的基面重合，也大體上符合K-S關(guān)系。Bain模型只能說(shuō)明點(diǎn)陣的改組，不能說(shuō)明轉(zhuǎn)變時(shí)出現(xiàn)的表面浮凸和慣習(xí)面，也不能說(shuō)明在馬氏體中所出現(xiàn)的亞結(jié)構(gòu)。2、 K-S切變模型庫(kù)爾久莫夫和薩克斯測(cè)出含碳為1.4%的碳鋼中，馬氏體與奧氏體存在的位向關(guān)系，即K-S關(guān)系，為了滿足這一取向關(guān)系，必須有點(diǎn)陣的切變。他們于1930年提出了軸比相當(dāng)于1.06的瞇陣變換模型（即K-S模型）。首先考慮沒(méi)有碳存在的情況，設(shè)想奧氏體分以下幾個(gè)步驟轉(zhuǎn)變成馬氏體。在Y）111（面上沿Y]112[方向產(chǎn)生第一次切變，第二層原子（B層原子）移動(dòng)]112[121丫，而更高各層原子則按比例增加移動(dòng)的距離，但是，相鄰兩層原子的相對(duì)移動(dòng)均為]112[121丫，第一次切變角為19。28'，第二次切變是在丫）211（面上（垂直于Y）111（面），沿Y]011[產(chǎn)生1。。30'的切變。第二次切變后，使頂角由120°變?yōu)?09。30'或60°角增至70。30'。由于沒(méi)有碳原子存在，得到的是體心立方點(diǎn)陣的馬氏體。在有碳原子存在的情況下，對(duì)于面心立方點(diǎn)陣改建為體心立方點(diǎn)陣時(shí)，兩次切變量略小一些，第—次切變角為15。15'，第二次切變角為9°,然后再作一些小的調(diào)整，使晶機(jī)面間距和實(shí)測(cè)的相符合就得到了馬氏體。K-S模型的成功之處在于它導(dǎo)出了所測(cè)得的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系，給出了面心立方奧氏體點(diǎn)陣改建為體心正方馬氏體點(diǎn)陣的清晰模型，但與所測(cè)的表面浮凸不符，也不能解釋觀察到的慣習(xí)面，故也是不完善的。3、 G-T模型格倫寧格和特賴(lài)雅諾于1949年提出的另一個(gè)兩次切變模型，稱(chēng)為G-T模型。G-T模型也將切變分成兩次進(jìn)行。第一次切變是沿慣習(xí)的均勻切變，產(chǎn)生整體的宏觀變形，造成磨光的樣品表面出現(xiàn)浮凸，并且確定了馬氏體的慣習(xí)面，切變時(shí)不僅點(diǎn)陣發(fā)生改組，且晶體外形也發(fā)生了變化。這個(gè)階段的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是復(fù)雜的三棱結(jié)構(gòu)，還不是馬氏體，不過(guò)它有一組晶面的晶面間距及原子排列和馬氏體的a'）112（面相同。第二次切變?cè)诿娴腶']111[方向發(fā)生，切變角為12。~13。，這次切變限制在三棱點(diǎn)陣范圍內(nèi)，并且是宏觀不均勻的（切變范圍只有18個(gè)原子層），對(duì)第一次切變所形成的表面浮凸也沒(méi)有可見(jiàn)的影響。經(jīng)第二次切變后