【正文】 來，尺寸有大有小，不需克服形核勢壘。 馬氏體轉(zhuǎn)變的切變模型 自1924年Bain開始，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制，下面按照發(fā)展的先后順序，介紹幾個有代表性的切變模型。圖330 面心立方點陣轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方點陣的貝茵模型一、Bain模型 早在1924年Bain就注意到，可以把面心立方點陣看成是軸比為c/a=(即)的體心正方點陣，同樣，也可以把穩(wěn)定的體心立方點陣的鐵素體看成是體心正方點陣的特例，其軸比等于1。因此，只要把面心立方點陣的C軸壓縮，而把垂直于C軸的其它兩個軸拉長，使軸比為1，就圖331 按貝茵模型奧氏體和馬氏體的晶面重合（符合KS關(guān)系）可以把面心立方點陣變成體心立方點陣。馬氏體即為這兩個極端狀態(tài)之間的中間狀態(tài)，因為馬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）~。因此，在無碳的情況下，期望c/。按Bain模型，在轉(zhuǎn)變過程中，原子的相對位移很小，面心立方點陣改建為體心立方點陣時，奧氏體與馬氏體的基面重合，也大體上符合KS關(guān)系。 Bain模型只能說明點陣的改組，不能說明轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)的表面浮凸和慣習(xí)面，也不能說明在馬氏體中所出現(xiàn)的亞結(jié)構(gòu)。二、KS切變模型 %的碳鋼中，馬氏體與奧氏體存在的位向關(guān)系，即KS關(guān)系，為了滿足這一取向關(guān)系，必須有點陣的切變。（即KS模型）。首先考慮沒有碳存在的情況，設(shè)想奧氏體分以下幾個步驟轉(zhuǎn)變成馬氏體。 在面上沿方向產(chǎn)生第一次切變，第二層原子（B層原子）移動，而更高各層原子則按比例增加移動的距離，但是，相鄰兩層原子的相對移動均為，第一次切變角為19176。28ˊ，第二次切變是在面上(垂直于面)，沿產(chǎn)生10176。30ˊ的切變。第二次切變后，使頂角由120176。變?yōu)?09176。30ˊ或60176。角增至70176。30ˊ。由于沒有碳原子存在，得到的是體心立方點陣的馬氏體。在有碳原子存在的情況下，對于面心立方點陣改建為體心立方點陣時，兩次切變量略小一些，第一次切變角為15176。15ˊ，第二次切變角為9176。，然后再作一些小的調(diào)整，使晶機面間距和實測的相符合就得到了馬氏體。 KS模型的成功之處在于它導(dǎo)出了所測得的點陣結(jié)構(gòu)和位向關(guān)系，給出了面心立方奧氏體點陣改建為體心正方馬氏體點陣的清晰模型，但與所測的表面浮凸不符，也不能解釋觀察到的慣習(xí)面，故也是不完善的。三、GT模型 格倫寧格和特賴雅諾于1949年提出的另一個兩次切變模型，稱為GT模型。 GT模型也將切變分成兩次進行。第一次切變是沿慣習(xí)面的均勻切變，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，切變時不僅點陣發(fā)生改組，且晶體外形也發(fā)生了變化。這個階段的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是復(fù)雜的三棱結(jié)構(gòu)，還不是馬氏體，不過它有一組晶面的晶面間距及原子排列和馬氏體的面相同。第二次切變在面的方向發(fā)生，切變角為12176。~13176。，這次切變限制在三棱點陣范圍內(nèi)，并且是宏觀不均勻的（切變范圍只有18個原子層），對第一次切變所形成的表面浮凸也沒有可見的影響。經(jīng)第二次切變后，點陣轉(zhuǎn)變成體心正方點陣，取向和馬氏體一樣，晶面間距也差不多。最后作一些微小的調(diào)整，使晶面間距與實測的相符合。第二次切變可以為滑移方式，也可以是孿生方式。不同的切變方式，將在馬氏體內(nèi)產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)。GT模型能很好地解釋馬氏體轉(zhuǎn)變的點陣改組、宏觀變形、位向關(guān)系及亞結(jié)構(gòu)的變化。但不能解釋慣習(xí)面不應(yīng)變不轉(zhuǎn)動，也不能解釋碳鋼（%C）的位向關(guān)系。 馬氏體的性能通過淬火得到馬氏體是強化鋼制工件的重要手段。在淬成馬氏體之后，雖然還要根據(jù)需要重新加熱到不同溫度進行回火，但回火后所得的性能在很大純度上仍決定于淬火所得的馬氏體的性能，因此有必要對馬氏體的性能進行了解。對一個結(jié)構(gòu)件來說，重要的不僅僅是硬度和強度，而是硬度強度與塑性韌性的配合。因此有必要對馬氏體的強度和韌性作全面的了解。 馬氏體的硬度與強度馬氏體的硬度與屈服強度之間有很好的線性對應(yīng)關(guān)系，因此可以很方便地將二者一并討論。一、馬氏體硬度鋼中馬氏體最主要的特點是具有高硬度和高強度。試驗證明，馬氏體的硬度取決于馬氏體的含碳量，而與馬氏體的合金元素含量關(guān)系不大。圖4－38？是用不同成分的鋼料得到的馬氏體含碳量對馬氏體硬度的影響。圖中曲線1為完全淬火所得硬度曲線。含碳量低時，淬火后硬度隨含碳量的增加而增加，但含碳量高時，由于淬火后殘余奧氏體含量增多，淬火所的不是純馬氏體而是馬氏體與奧氏體的混合組織，固硬度隨碳含量增加反而有所下降。圖中曲線2對于過共析鋼采用的是高于Ac1的不完全淬火，淬火所的馬氏體碳含量均相同，不隨鋼中碳含量而變，固硬度也不變。為獲得真正的馬氏體硬度與馬氏體含碳量的關(guān)系，必須采用完全淬火并進行冷處理，使奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，曲線3即所得的馬氏體硬度與碳含量的關(guān)系。由曲線可見，馬氏體硬度隨馬氏體碳含量增加而增加，%時，硬度增加趨勢明顯下降。二、馬氏體高硬度高強度的本質(zhì)對馬氏體高硬度高強度的本質(zhì)已進行了大量的研究工作。結(jié)果表明，原因是多方面的，其機制包括相變強化、固溶強化、時效強化、晶界強化等。分別討論如下1．相變強化： 馬氏體轉(zhuǎn)變時的不均勻切變以及界面附近的塑性變形將在馬氏體晶體內(nèi)造成大量的缺陷。包括位錯、孿晶、層錯等。這些缺陷的增加將使馬氏體強化。其本質(zhì)與形變強化一樣，通常稱之為相變強化。如無碳馬氏體屈服強度為284MPa，此值與相變強化的鐵素體很接近，而退火狀態(tài)的鐵素體屈服強度僅為98—137MPa。2．固溶強化和時效強化：： 鋼中馬氏體是碳及合金元素溶于α相所形成的固溶體。馬氏體中過飽和的碳原子極易自馬氏體中析出而引起時效強化，因此不易區(qū)分碳原子的固溶強化效果和時效強化效果，為此專門設(shè)計了試驗，設(shè)計Ms點極低且含碳量不同的FeNiC合金，以保證馬氏體相變能在C原子不可能發(fā)生時效析出的低溫下進行。淬火后立即在0℃測出屈服極限，結(jié)果如圖所示?？梢婑R氏體的屈服極限隨含碳量的增加而增加，％時，強度不再增加。從此曲線可得出C＜％,碳原子在奧氏體中固溶強化效果小而馬氏體中有如此大的固溶強化效果？這是因為固溶于奧氏體中的碳原子均處于鐵原子組成的八面體間隙中心，但奧氏體的八面體為正八面體，碳原子的溶入只能使奧氏體點陣發(fā)生均勻膨脹而不發(fā)生畸變（或者說發(fā)生對稱畸變）。而馬氏體點陣中的八面體位扁八面體，即一個對角線的長度小于另外兩個對角線的長度，碳原子的溶入不僅發(fā)生點陣膨脹，還使點陣發(fā)生畸變，即發(fā)生不對稱畸變，使的短軸伸長，兩個長軸稍有縮短，使扁八面體向正八面體轉(zhuǎn)化?；兊慕Y(jié)果點陣內(nèi)造成一個強烈的應(yīng)力場，阻止位錯運動，從而使馬氏體的硬度和強度顯著提高。％后，由于碳原子靠得太緊，使相鄰碳原子造成的應(yīng)力場相互抵消，將到了降低了強化效果解釋馬氏體中碳的固溶強化效果。當(dāng)有碳原子存在時，合金元素的固溶強化效果微不足道，但對于碳鐵素體與無碳馬氏體來說，合金元素的固溶強化效果可能顯示出來。時效強化也是重要的強化因素。由于碳原子極易擴散，在室溫下就可以通過擴散產(chǎn)生偏聚而引起時效強化。故生產(chǎn)中所得馬氏體強度包含了碳的時效強化效應(yīng)。圖4－63的曲線2可見，淬成馬氏體后在0℃時效3h，強度有明顯的提高，且碳含量越高強度提高得也越多。％時可以通過時效強化對強度起作用。（試驗結(jié)果表明，－60℃以上時效就能進行）時效強化由碳原子擴散偏聚釘扎位錯引起。形變時效。形變時效（應(yīng)變時效）對馬氏體的強度也有很大作用，圖4－47為馬氏體屈服極限與碳含量的關(guān)系，但σ2卻隨碳含量的增加急劇增加，表明馬氏體本來較軟，通過形變時效使強度顯著提高，碳含量越高時效作用越明顯。4．孿晶對強度的貢獻： FeC合金中碳含量對馬氏體顯微硬度的影響如圖448所示。%時，馬氏體中的亞結(jié)構(gòu)為位錯，此時硬度與碳含量之間呈直線關(guān)系。%之后馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶，此時馬氏體硬度增加偏離直線。由此可見，孿晶對強度有一附加貢獻，碳含量相同時，孿晶馬氏體的硬度與強度略高于位錯馬氏體。奧氏體晶粒大小與板條馬氏體束大小對強度影響：奧氏體晶粒大小與板條馬氏體束大小對強度也有影響，奧氏體晶粒及馬氏體板條束越細(xì)小，強度越高?？捎媒?jīng)驗公式表示 馬氏體的韌性一般認(rèn)為馬氏體的硬度、強度高而塑性韌性差，其實馬氏體的韌性可在很大范圍內(nèi)變化。在屈服強度相同的條件下，位錯馬氏體比孿晶馬氏體的韌性好得多，如圖3－34所示，即使經(jīng)回火后，也仍然具有這種規(guī)律（圖3－35）。一般低碳馬氏體淬火后通常得到位錯馬氏體，但也不是低碳馬氏體他就具有良好的韌性，當(dāng)?shù)吞间撝写嬖谀苁筂s點降低的合金元素，淬后也能得到大量的孿晶馬氏體，這時鋼的韌性顯著降低（如表所示）。因此因該說位錯馬氏體具有良好的韌性。圖334 %%的FeCrC鋼淬火及回火后的性能圖335 位錯型馬氏體與孿晶型馬氏體經(jīng)不同溫度回火后的沖擊韌性馬氏體的韌性主要決定于它的亞結(jié)構(gòu)。FeCrC合金馬氏體的強度、韌性和亞結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖3－36所示，可見含鉻量的增加，使孿晶亞結(jié)構(gòu)相對量增加時，%鋼的屈服強度并不增加，%鋼因?qū)\晶的相對含量較高，屈服強度顯著上升。%馬氏體，其中孿晶馬氏體含量增加2倍以上時，斷裂韌性才顯著下降，%鋼隨著孿晶馬氏體量的增加，強度直線上升，斷裂韌性直線下降。這圖證明了馬氏體的韌性主要取決亞結(jié)構(gòu)。圖3－36 鉻含量和碳含量對FeCrC鋼淬火馬氏體性能的影響（n代表馬氏體中孿晶的相對量）孿晶馬氏體的韌性差，主要與孿晶亞結(jié)構(gòu)的存在及回火時碳化物沿孿晶面析出呈不均勻分布有關(guān)，也有觀點認(rèn)為可能與碳原子在孿晶界的偏聚有關(guān)。綜上所述，馬氏體的強度主要取決于碳含量，而馬氏體的韌性主要取決于亞結(jié)構(gòu)。低碳的位錯馬氏體具有相當(dāng)高的強度和良好的韌性，高碳的孿晶馬氏體具有高的強度硬度，但韌性較差，因此可以通過各種途徑強化馬氏體但使其亞結(jié)構(gòu)仍保持位錯型，可使材料兼?zhèn)鋸姸群晚g性。位錯馬氏體不僅韌性優(yōu)良，還具有低的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度和低的缺口敏感性。馬氏體的形態(tài)與Ms點直接有關(guān)，鋼的Ms點越高，韌性和塑性越好，%以下，使Ms不低于350℃，%左右，以降低脆性，提高疲勞壽命。 熱彈性馬氏體及形狀記憶效應(yīng)一、形狀記憶效應(yīng)圖3－41 形狀記憶效應(yīng)示意圖a－單程 b－雙程形狀記憶效應(yīng)是，將某些金屬材料進行變形后加熱至某一溫度以上時，能自動恢復(fù)原來形狀的一種效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的合計稱為形狀記憶合金。形狀記憶效應(yīng)包括單程記憶效應(yīng)和雙程記憶效應(yīng)。如圖3－41a為單程形狀記憶效應(yīng)示意圖。金屬棒在T1溫度下被彎曲后加熱到T2溫度的過程中將自動回復(fù)成直棒，但在以后的冷卻和再加熱過程中棒的形狀不再發(fā)生變化。如圖3－41b為雙程形狀記憶效應(yīng)示意圖。金屬棒在T1溫度下被彎曲后再加熱到T2的過程中將自動回復(fù)成直棒，且能在再次冷卻到T1的過程中有的能自動彎曲。重復(fù)加熱和冷卻過程中能重新彎曲和伸直。但雙程形狀記憶效應(yīng)往往是不完全的，且在繼續(xù)循環(huán)時，記憶效應(yīng)逐步消失。形狀記憶效應(yīng)最早由張祿經(jīng)在AuCd合金中發(fā)現(xiàn)，但未被重視。以后在NiTi、CuZn合金中發(fā)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)，且在生產(chǎn)上獲得了重要的應(yīng)用。形狀記憶效應(yīng)是由馬氏體轉(zhuǎn)變的熱彈性行為以及偽彈性行為引起的。因此應(yīng)了解這兩種轉(zhuǎn)變行為。二、熱彈性馬氏體馬氏體轉(zhuǎn)變的重要特征之一就是形核后以極快的速度迅速長大到一定尺寸就不再長大。馬氏體是不斷形成新的核來完成轉(zhuǎn)變。馬氏體長大到一定尺寸后，邊界的共格關(guān)系就會遭到破壞。因此轉(zhuǎn)變過程是不可逆的。在馬氏體轉(zhuǎn)變的研究過程中也發(fā)現(xiàn)，在一定條件下馬氏體轉(zhuǎn)變具有可逆性。馬氏體向高溫相的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變或反相變。碳鋼中的馬氏體因為極易分解，沒發(fā)現(xiàn)反相變，但一系列鐵合金和非鐵合金的馬氏體相變中觀察到了逆轉(zhuǎn)變的存在，并且反相變中亦觀擦到了表面凹凸現(xiàn)象，凹凸的方向正好與正相變相反。其合金有：AuCd、FeMn、CuAl、CuAu、NiTi等，馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變，按其特點不同，可分為熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變和非熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變兩類。熱彈性馬氏體的可逆轉(zhuǎn)變是形狀記憶合金的基礎(chǔ)。而非彈性馬氏體可逆轉(zhuǎn)變則是導(dǎo)致材料的相變冷作硬化，成為材料強化的途徑之一。熱彈性馬氏體相變過程中，由相變產(chǎn)生的形狀變化靠新相和母相界面附近的彈性變形協(xié)調(diào)（即始終保持共格關(guān)系），隨馬氏體片的長大，界面上彈性應(yīng)變能增加，并在一定溫度下，會達(dá)到相變的化學(xué)驅(qū)動里和機械阻力平衡－熱彈性平衡。當(dāng)溫度下降時，相變的化學(xué)驅(qū)動力增大，馬氏體片長大，界面彈性能升高。反之，當(dāng)溫度上升時，相變的化學(xué)驅(qū)動力減小，界面彈性能釋放將馬氏體界面反向推回，造成馬氏體片收縮。因為界面共格關(guān)系始終沒被破壞，所以馬氏體片隨溫度升降而呈現(xiàn)消長――熱彈性馬氏體。馬氏體相變?yōu)闊釓椥缘闹匾獥l件是相變的全過程中，始終維持界面的共格關(guān)系，同時相變應(yīng)是完全可逆的。為滿足前一條件，要求母相與新相（馬氏體）比容差要小，為滿足后一條件，則要求晶體為有序點陣結(jié)構(gòu)。實驗證明，熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變的體積變化要比非彈性相變的體積變化小得多。且呈現(xiàn)熱彈性馬氏體相變的合金一般均為有序點陣結(jié)構(gòu)。具有熱彈性馬氏體相變的合金已發(fā)現(xiàn)的有：CuAlNi、AuCd、CuAlMn、CuZn、CuZnAl、NiTi、NiTiCu等。圖3－42 AgCd合金的偽彈性應(yīng)力－應(yīng)變曲線三、偽彈性具有熱彈性馬氏體相變的合金，在Ms點以上，Md點以下加應(yīng)力，會誘發(fā)馬氏體相變，并產(chǎn)生宏觀應(yīng)變。而當(dāng)應(yīng)力減少或撤除時，立即發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，同時宏觀應(yīng)變恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為偽彈性。如圖3－42所示為典型的偽彈性應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖中A點為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體的開始點，B點應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束，BC為馬氏體的彈性恢復(fù)，C點為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體逆轉(zhuǎn)變的開始點，至O逆轉(zhuǎn)變結(jié)束，塑性變形完全恢復(fù)。若應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的逆轉(zhuǎn)變滯后，以至當(dāng)外力降低至零時，不能完全逆轉(zhuǎn)變，這些剩余的馬氏體可通過加熱使其發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，同時宏觀應(yīng)變繼續(xù)恢復(fù)，這樣便出現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。四、形狀記憶效應(yīng)圖343 單程形狀記憶效應(yīng)示意圖母相單晶馬氏體單晶馬氏體單晶冷卻變形多晶自協(xié)作馬氏體