2.4　馬氏體轉(zhuǎn)變

2.4.1　馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特征

由于馬氏體轉(zhuǎn)變研究范圍的不斷擴(kuò)大，馬氏體轉(zhuǎn)變的定義也在不斷更新，也有不少爭論。本書采用徐祖耀院士提出的簡化定義，即馬氏體轉(zhuǎn)變是指置換原子無擴(kuò)散切變（原子沿相界面做協(xié)作運動），使其形狀改變的轉(zhuǎn)變。它具有以下的特點。

2.4.1.1　切變共格性和表面浮凸現(xiàn)象

馬氏體轉(zhuǎn)變時，在預(yù)先磨光的試樣表面上可以形成表面浮凸，這表明馬氏體轉(zhuǎn)變是通過奧氏體均勻切變進(jìn)行的。奧氏體中已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的部分發(fā)生宏觀切變而使點陣發(fā)生改組，且?guī)涌拷缑娴倪€未轉(zhuǎn)變的奧氏體也隨之發(fā)生彈塑性變形，如圖2-88所示。相變前在試樣表面上的直線ACB，在切變以后變成折線ACC'B'。在顯微鏡光線照射下，浮凸兩邊呈現(xiàn)明顯的山陰和山陽，圖2-89給出了Cu-14.2Al-4.2Ni合金表面拋光試樣在淬火冷卻時形成的馬氏體浮凸。由此可見，馬氏體是以切變方式形成的，同時馬氏體與奧氏體之間界面上的原子為兩相共有，即整個相界面是共格的，因此稱為切變共格。

切變共格界面的界面能比非共格界面小，但其彈性應(yīng)變能卻較大。隨著馬氏體的形成，必定會在其周圍奧氏體中產(chǎn)生一定的彈性應(yīng)變，從而積蓄一定彈性應(yīng)變能（或稱共格應(yīng)變能）。當(dāng)馬氏體長大到一定程度時，奧氏體中的彈性應(yīng)力可能超過其彈性極限，此時兩相的V共格關(guān)系即遭破壞，這時馬氏體便停止生長。

2.4.1.2　無擴(kuò)散性

首先，馬氏體轉(zhuǎn)變是通過奧氏體的均勻切變實現(xiàn)的，因此馬氏體的成分與原奧氏體的成分完全一致；其次，馬氏體可以在極低的溫度下（例如-196℃）進(jìn)行，在如此低的溫度下，無論是置換原子還是間隙原子都已經(jīng)極難擴(kuò)散，而此時馬氏體的生長速度仍可達(dá)到103m/s，這意味著馬氏體的生長速度已經(jīng)達(dá)到了固體中的聲速。這種情況下，馬氏體轉(zhuǎn)變是不可能依靠擴(kuò)散來進(jìn)行的。試驗表明，某些低碳鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變過程中存在碳的擴(kuò)散，可見馬氏體轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性特征是指合金中置換原子無擴(kuò)散，而間隙原子可能擴(kuò)散。但間隙原子擴(kuò)散不是馬氏體轉(zhuǎn)變的主要過程和必要條件，因此仍應(yīng)稱其為無擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變。

2.4.1.3　具有特定的位向關(guān)系和慣習(xí)面

通過均勻切變所得的馬氏體與原奧氏體之間存在嚴(yán)格的晶體學(xué)位向關(guān)系。在鋼中常見的位向關(guān)系包括K-S關(guān)系、西山關(guān)系、G-T關(guān)系。K-S（Kurdjumov-Sachs）關(guān)系為{111}_γ∥{011}_α，＜110＞_γ∥＜111＞_α。西山（Nishiyama）關(guān)系為{111}_γ∥{011}_α，＜112＞_γ∥＜110＞_α。G-T（Greninger-Troiano）關(guān)系與K-S關(guān)系接近，只是角度存在一定偏差：{111}_γ∥{011}_α，差1°；＜110＞_γ∥＜111＞_α，差2°。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變有慣習(xí)面，由于馬氏體轉(zhuǎn)變是以切變共格的形式進(jìn)行的，所以慣習(xí)面也就是新舊相的相界面，如圖2-88所示。慣習(xí)面為不畸變平面，或稱不變平面，即在轉(zhuǎn)變過程中它不發(fā)生畸變和轉(zhuǎn)變，平面上所產(chǎn)生的均勻應(yīng)變稱為不變平面應(yīng)變。圖2-90是三種不變平面應(yīng)變，底面均為不變平面，圖2-90（a）為簡單的膨脹或壓縮；圖2-90（b）為切變；圖2-90（c）既有膨脹又有切變。馬氏體轉(zhuǎn)變屬于圖2-90（c）狀態(tài)。

鋼中馬氏體轉(zhuǎn)變的慣習(xí)面隨含碳量不同而異，常見的有三種：{111}_γ、{225}_γ、{259}_γ。含碳量小于0.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時為{111}_γ；含碳量為0.5%～1.4%時為{225}_γ；含碳量為1.5%～1.8%時為{259}_γ。此外，隨著溫度的下降馬氏體轉(zhuǎn)變的慣習(xí)面有向高指數(shù)面變化的趨勢，例如含碳量較高的奧氏體在較高溫度轉(zhuǎn)變時，馬氏體的慣習(xí)面是{225}_γ，而在較低溫度轉(zhuǎn)變時慣習(xí)面變?yōu)閧259}_γ。由于馬氏體慣習(xí)面不同，馬氏體的組織形態(tài)也將有所差異。

馬氏體-奧氏體的界面并不都是平直的。這種情況下的慣習(xí)面可以用圖2-91來說明。

圖2-91（a）為設(shè)想的臺階模型，圖2-91（b）和圖2-91（c）分別表示因臺階結(jié)構(gòu)不同而造成的“宏觀慣習(xí)面”與“微觀慣習(xí)面”彼此異同的情況。實際上“宏觀慣習(xí)面”是兩相的界面，“微觀慣習(xí)面”才是真正的慣習(xí)面。可以想象，隨著臺階密度或形貌的變化，可以得到任意指數(shù)的“宏觀慣習(xí)面”，而“微觀慣習(xí)面”卻始終不變。

2.4.1.4　馬氏體的亞結(jié)構(gòu)

馬氏體組織內(nèi)出現(xiàn)的組織結(jié)構(gòu)稱為馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。在低碳馬氏體內(nèi)通常呈現(xiàn)密度較高的位錯，而在高碳馬氏體內(nèi)以細(xì)的孿晶作為亞結(jié)構(gòu)；有色金屬馬氏體的亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e。這些亞結(jié)構(gòu)是馬氏體的一個重要特征，對馬氏體的力學(xué)性能有著直接的影響。

2.4.1.5　馬氏體轉(zhuǎn)變的可逆性

將母相以大于臨界冷卻速度的冷速（在鋼中是為了避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變）冷至某一溫度以下才能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這一溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變開始點，以M_s表示。當(dāng)冷卻至M_s以下某一溫度時，馬氏體轉(zhuǎn)變便不再繼續(xù)進(jìn)行，這個溫度稱為馬氏體轉(zhuǎn)變終了點，用M_f表示。一般情況下，冷卻到M_f，點以下仍不能得到100%馬氏體，而保留一部分未轉(zhuǎn)變的奧氏體，稱為殘留奧氏體。重新加熱時，馬氏體也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，即馬氏體轉(zhuǎn)變具有可逆性。一般將加熱時馬氏體向奧氏體的轉(zhuǎn)變稱為逆轉(zhuǎn)變。逆轉(zhuǎn)變與冷卻時的馬氏體轉(zhuǎn)變具有相同的特點，與冷卻時的M_s及M_f相對應(yīng)。逆轉(zhuǎn)變時也有轉(zhuǎn)變開始點A_s及轉(zhuǎn)變終了點A_f。通常，A_s比M_s高，二者之差視合金成分不同而異。如Au-Cd、Ni-Mn-Ga等合金的A_s與M_s之差較小，僅為幾攝氏度到幾十?dāng)z氏度；而Fe-Ni等合金的A_s與M_s之差就很大，大于400℃。圖2-92給出了Au-Cd和Fe-Ni合金的例子。需要指出的是，在鋼中一般不出現(xiàn)馬氏體逆轉(zhuǎn)變。這是因為鋼中馬氏體在未加熱到A_s以前就會析出碳化物而向更穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

綜上所述，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)別于其他轉(zhuǎn)變的最基本的特點有兩個：一是轉(zhuǎn)變以切變共格方式進(jìn)行；二是轉(zhuǎn)變的無擴(kuò)散性。其他特點均可由這兩個基本特點派生出來。